高中生物學(xué)教學(xué)中建構(gòu)物理模型的現(xiàn)狀和實(shí)踐

物理模型是三大模型中最普遍的一種，它在高中生物學(xué)中的應(yīng)用具有覆蓋面廣、簡單化、直觀等特點(diǎn)，如果學(xué)生能建立一個高效的物理模型，就可以直觀地感受到生物學(xué)中那些難以觀察到的、抽象的、理論性強(qiáng)的知識，從而更好地了解和掌握這些知識，也能夠?qū)ιF(xiàn)象和規(guī)律的本質(zhì)特征有更深的認(rèn)識。教師引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建物理模型的過程，既可以提高學(xué)生的協(xié)作溝通能力，又可以提高學(xué)生主動建構(gòu)知識、批判性思維和協(xié)作溝通的能力，使之能夠更好地進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，進(jìn)而有效地培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

物理模型在高中生物學(xué)教學(xué)中的引入無論從應(yīng)用結(jié)果還是過程上來說都還不夠成熟，面臨諸多挑戰(zhàn)。一方面，由于課時有限，教學(xué)費(fèi)用高昂，大部分教師都沒有大規(guī)模地實(shí)施，一般都是由教師直接買來或者自己做一個物理模型，然后再拿出來給大家看，沒有讓學(xué)生親自動手構(gòu)建的過程，這對學(xué)生來說還只是膚淺的學(xué)習(xí)，不能很好地發(fā)揮物理模型的真正價值。雖然有部分教師在進(jìn)行物理建模的工作，但他們更多的是限于自己的體驗，尚無具體可行的方法來指導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建物理模型。大多數(shù)情況下，師生都將構(gòu)建物理模型視為一種純粹的手工活動，學(xué)生只會“依葫蘆畫瓢”，對物理模型的構(gòu)建缺乏深入的認(rèn)識，只停留在形式上，致使有關(guān)的活動只停留在表層，因而忽略了物理建模活動所蘊(yùn)含的更深層次的意義，因而未能真正地發(fā)揮物理建模活動的功能。

一、引入原型，深度感知階段

“分子與細(xì)胞”是高中必修一第3章第1節(jié)的內(nèi)容，其主要內(nèi)容是講解了細(xì)胞膜的功能成分，與功能的探索歷程和流動鑲嵌模型等。“分子與細(xì)胞”具有承前啟后的作用，一方面，以前一章節(jié)組成細(xì)胞的分子為基礎(chǔ);另一方面，又為后續(xù)關(guān)于細(xì)胞物質(zhì)輸入和輸出的相關(guān)學(xué)習(xí)做鋪墊。由于高一學(xué)生在學(xué)習(xí)思維方面已經(jīng)逐漸成熟，再加上學(xué)生具有較強(qiáng)的好奇心和探索欲。在課程設(shè)計方面，教師要注意突出活動的趣味性、豐富性，要重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神。

【教學(xué)片段一】

教師：同學(xué)們，下面給每個小組分發(fā)一枚雞蛋、培養(yǎng)皿以及一把小鑷子，大家需要在教師的示范下將雞蛋打破，然后將蛋殼里完整的內(nèi)容物倒入培養(yǎng)皿中。

教師：大家看，在一個沒有受精的雞蛋中，這里面雞蛋黃相當(dāng)于一個卵細(xì)胞，大家可以用手觸摸蛋黃，直觀感受蛋黃。

學(xué)生：我感覺蛋黃表面好像有一層保護(hù)膜將里面的物質(zhì)保護(hù)了起來。

教師：那么，同學(xué)們現(xiàn)在用鑷子扎破雞蛋中的卵細(xì)胞膜，大家看到了什么現(xiàn)象？

學(xué)生：在蛋黃和蛋清之間仍然有一條較為明顯的分界線，保證雙方不被混合。

教師：當(dāng)我們破壞雞蛋中的細(xì)胞膜后可以發(fā)現(xiàn)：雞蛋中蛋白和蛋清，本來明顯的分界線不復(fù)存在。那么從中我們也可以進(jìn)一步延伸細(xì)胞膜的作用，就是將細(xì)胞與外界環(huán)境分隔開，而另一個功能就是控制物質(zhì)進(jìn)入與進(jìn)出細(xì)胞。

在感知原型導(dǎo)入階段，讓學(xué)生感受到所要學(xué)習(xí)目標(biāo)的原型，從而為后續(xù)的深度學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)。有效地感知原型的前提是學(xué)生處在一種“激發(fā)原有知識”的準(zhǔn)備狀態(tài)，也就是，如果學(xué)生能在認(rèn)知活動開始前，通過高強(qiáng)度的注意力、積極的情感和先前已有的知識主動地去探索，就能為認(rèn)知活動的成功開展奠定基礎(chǔ)。

二、分析原型掌握特征階段

在結(jié)合具體情境加強(qiáng)學(xué)生的感性體驗后，教師要帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)一步深入理解細(xì)胞膜的第3個功能。

【教學(xué)片段二】

教師：同學(xué)們，我們通過剛才的觀察和分析，了解了細(xì)胞膜能夠?qū)⒓?xì)胞與外界環(huán)境分隔，控制物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞，除了這兩大功能以外，大家閱讀教材找一找細(xì)胞膜是否還有其他功能。

學(xué)生：在閱讀完課本內(nèi)容后，我們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜除了分隔功能和物質(zhì)交換功能以外，還具有信息交流功能。

通過前期的實(shí)踐觀察和這一階段引入課本知識，教師帶領(lǐng)學(xué)生總結(jié)回顧細(xì)胞的主要功能，并讓學(xué)生自主總結(jié)細(xì)胞進(jìn)行信息交換的常見方式。

教師讓學(xué)生進(jìn)行高層次思考是推動深度學(xué)習(xí)的重要途徑。高級思維的產(chǎn)生以“選擇性知覺”“處理和整合信息”為前提，也就是可以選擇性地感知外部信息，忽略不重要的信息，并過濾這些信息，把它們?nèi)谌胛覀冊械恼J(rèn)知結(jié)構(gòu)中，再加以整合處理。在這時期，教師要指導(dǎo)學(xué)生開展比較、分析、綜合、抽取等思維活動，從而加深對生物原型的認(rèn)識。

三、模型建構(gòu)、檢驗與修正階段

教師帶領(lǐng)學(xué)生結(jié)合科學(xué)家對生物細(xì)胞膜的探索實(shí)踐過程進(jìn)行知識梳理，詳細(xì)解讀教材，并準(zhǔn)確掌握細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。其間，教師還要結(jié)合教材內(nèi)容以表格為線索進(jìn)行資料分析，引導(dǎo)學(xué)生把握生物膜探究的過程，并讓學(xué)生通過對生物細(xì)胞膜表皮探索過程中不同階段各個時期生物學(xué)家的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步掌握細(xì)胞膜的本質(zhì)特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，也為后續(xù)開展細(xì)胞膜物理模型的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

【教學(xué)片段三】

教師：同學(xué)們，大家通過閱讀上述文獻(xiàn)，知道了細(xì)胞膜中的主要內(nèi)容是磷脂，那么結(jié)合照片中磷脂的分子結(jié)構(gòu)大家能不能總結(jié)出磷脂分子的特點(diǎn)有哪些？

學(xué)生：磷脂分子頭部更親水，而尾部則疏水。

教師：同學(xué)們總結(jié)得非常好，那么我們接下來以小組為單位，大家運(yùn)用手中的材料嘗試構(gòu)建細(xì)胞膜中磷脂分子的排列組合方式，并且在構(gòu)建完成后要解釋為什么這樣排列。

學(xué)生結(jié)合磷脂分子在空氣和水面上的排列方式進(jìn)行實(shí)踐。這既能夠幫助學(xué)生在掌握細(xì)胞膜本質(zhì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上完成對細(xì)胞膜物理模型的構(gòu)建，也能夠在實(shí)踐中檢驗和修正自己的已有觀點(diǎn)，從而促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。

教師：剛才同學(xué)們以小組為單位自行動手，嘗試構(gòu)建了磷脂分子，那么接下來我們更進(jìn)一步搭建磷脂分子的雙重結(jié)構(gòu)。

學(xué)生以小組為單位，以此前搭建的磷脂分子在空氣和水面上的分布方式為基礎(chǔ)，嘗試打造磷脂分子的雙層結(jié)構(gòu)模型。

教師：同學(xué)們，大家在進(jìn)行磷脂分子模型建設(shè)時，可以結(jié)合教材內(nèi)容以及相關(guān)的補(bǔ)充性資料。在技術(shù)不斷發(fā)展的大背景下，科學(xué)家借助電鏡已經(jīng)看到細(xì)胞膜中有三層結(jié)構(gòu)，依次為暗—亮—暗，因此，結(jié)合這一特點(diǎn)，科學(xué)家推斷磷脂結(jié)構(gòu)的構(gòu)成可能為蛋白質(zhì)、脂質(zhì)。

教師繼續(xù)帶領(lǐng)學(xué)生實(shí)踐，分析磷脂雙分子層中蛋白質(zhì)的排布方式有哪些。最后在小組討論結(jié)束后，確定本小組的最終模型。

教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模型檢驗，例如，在從細(xì)胞膜的物質(zhì)組成角度來看，結(jié)合上述生物學(xué)知識，你認(rèn)為本小組設(shè)計的模型是否還有需要完善之處，并且各小組之間進(jìn)行集中討論、相互評價。

教師提示學(xué)生在細(xì)胞膜的構(gòu)成中，除了有脂質(zhì)和蛋白質(zhì)以外，是否還有其他物質(zhì)。

學(xué)生：我認(rèn)為細(xì)胞質(zhì)中可能還存在糖蛋白。

教師：那么糖蛋白會以什么樣的形式嵌入我們設(shè)計好的模型中呢？

學(xué)生：我認(rèn)為它可能是流動的。

教師由學(xué)生的回答和思考引入接下來的物理模型構(gòu)建活動，帶領(lǐng)學(xué)生共同構(gòu)建生物膜的流動鑲嵌模型。教師指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材內(nèi)容，詳細(xì)了解教材中關(guān)于流動鑲嵌模型的闡述和要求，并指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小組交流，總結(jié)其模型特點(diǎn)。

四、模型展示與評價階段

在模型展示環(huán)節(jié)，結(jié)合上述學(xué)生制作設(shè)計的模型，以小組為單位進(jìn)行設(shè)計，并且在介紹時要具體介紹各小組模型中的相關(guān)結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)。

小組以投票和討論的形式對各個小組制作的模型進(jìn)行評價，總結(jié)其優(yōu)點(diǎn)和不足。其間，教師要做好總結(jié)，幫助學(xué)生在評價分析中體會和把握結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的重要性。

在課堂教學(xué)中，教師要為學(xué)生創(chuàng)造一個展示、交流的機(jī)會，把自己所做的模型拿出來，讓他們發(fā)表自己的看法。而深度學(xué)習(xí)則注重對學(xué)習(xí)者的動態(tài)評估，并對其進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與改善，從而推動深度學(xué)習(xí)的發(fā)展。通過對學(xué)生進(jìn)行組內(nèi)自評、組內(nèi)互評和教師評改，形成“百家爭鳴”的評價氛圍，使評改的“催化”功能得到有效發(fā)揮。

五、模型遷移與應(yīng)用階段

在模型的遷移和應(yīng)用環(huán)節(jié)，教師要結(jié)合教材中生物膜的流動鑲嵌模型相關(guān)知識，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)一步思考探討，如果從生物膜的角度度來看，從結(jié)構(gòu)上分析，如果將不同動物的精子和卵細(xì)胞培育起來，那么它們是否會相互融合并形成受精卵。針對這一問題，教師可以為學(xué)生布置拓展性課后作業(yè)，也可以結(jié)合本章節(jié)中生物膜的流動鑲嵌模型這一知識，以及打造流動鑲嵌模型的這一過程。學(xué)生可以與大家分享自己是如何體會“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”這一觀點(diǎn)的。這種學(xué)以致用的方式結(jié)合具體模型解決實(shí)際問題的思考路徑，能夠更好地啟發(fā)學(xué)生，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。”

深度學(xué)習(xí)的終極目標(biāo)就是讓學(xué)生能把所學(xué)的知識轉(zhuǎn)化和應(yīng)用到實(shí)際中去，從而提高解決問題的能力。需要注意的是，學(xué)生不僅要把所建立的模型運(yùn)用到這節(jié)課的問題情境中去，還要對現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際問題進(jìn)行創(chuàng)新，在物理模型的構(gòu)建上進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，從而實(shí)現(xiàn)從獲取知識到感悟方法的飛躍。

六、總結(jié)

在高中生物學(xué)教學(xué)中，教師要善于發(fā)揮模型的重要作用，要能夠結(jié)合生物學(xué)教學(xué)的要求，落實(shí)一定數(shù)量的模型建構(gòu)活動。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)充分發(fā)掘教材中所包含的模型與建模方法，并在“以學(xué)生為本”的基礎(chǔ)上進(jìn)行“模式構(gòu)建”的教學(xué)活動。學(xué)生將生物學(xué)的知識運(yùn)用到合作研究中，積極地參與到建模中，同時利用這些模型來解釋生物學(xué)的問題，加深對生物學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律的了解，從而逐漸培養(yǎng)出建模意識。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生能夠積極地參與到模型的構(gòu)建中，體驗到在建模學(xué)習(xí)的情況下，知識是如何產(chǎn)生的，從而提高探究實(shí)踐、科學(xué)思維等能力。在模型設(shè)計中，教師要帶領(lǐng)學(xué)生體會模型化抽象為具體的優(yōu)勢，并且在模型的建構(gòu)環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生通過不斷地嘗試，分析建構(gòu)模型，驗證模型，修正模型，要做好知識的觸類旁通，要能夠在把握事物外在特點(diǎn)的同時挖掘事物的本質(zhì)屬性，深刻剖析事物的內(nèi)在聯(lián)系。

（作者單位：江蘇省海安高級中學(xué)）

編輯：溫雪蓮