指向科學思維的高中生物學建模教學實踐研究

摘 要：建模教學作為一種創新的教學方法，重視引導高中生主動探究生物學知識，也能在建模思考中培養學生的創新意識和科學思維.本文以“光合作用與能量轉化”教學為例，在科學思維指向下，探索并實踐高中生物學建模教學，從而促進高中生對課程知識的深入理解.

關鍵詞：科學思維；高中生物；建模教學

中圖分類號：G632

文獻標識碼：A

文章編號：1008-0333（2024）33-0134-03

收稿日期：2024-08-25

作者簡介：于林鷺（1991.7—），江蘇省常州人，碩士，中學一級教師，從事高中生物教學研究.

基金項目：無錫市教育科學“十四五”規劃2021年度教師發展專項課題“生物學教師實踐育人能力素質提升研究”（課題編號：JFZX/2021/22）.

傳統教學模式不能滿足社會發展對學生能力培養提出的需求，而建模教學能改變傳統的灌輸教學模式，重視讓高中生在理論知識探索基礎上進行建模與實踐操作，在數據分析過程中探索生物學背后凝聚的規律，利于學生在課程學習中獲得科學思維的有效培養.為此，生物教師在后續教學中應積極運用建模教學，推動課堂教學的創新發展.這樣能引導高中生對生物學知識進行多元探索和建模分析，在獨立思考和小組互動中鍛煉批判思維和創新意識，并運用生物建模解決生活實踐中遇到的問題.

1 選擇主題

生物教師在對高中生開展“光合作用與能量轉化”教學時，應該分析教材內容與課堂教學目標，并根據學科特色和高中生的認知特點，選擇“光合作用中光照強度對植物生長的影響”作為本次教學的主題，讓學生深入了解光合作用的基本原理.

光合作用是植物利用光能將二氧化碳和水轉化為有機物質和氧氣的生物化學過程，植物在光合作用過程中，經過化學反應之后將光能轉化為具體的化學能，最終形成有機物質.教師通過該過程，引導學生了解影響光合作用效率的因素.光照強度是影響光合作用的主要因素，是指單位面積上接收到的光能量，在一定的光照強度下，植物光合作用效率隨光照強度增加可以呈增大趨勢，光合速率和光照強度成正比關系.如果光照強度出現過高情況，植物光合速率就會達到一個飽和點，進一步增加光照強度也不會增加光合速率，這個時候光合速率不再和植物光照強度成正比關系.同時，光合作用的速率還受到溫度、二氧化碳濃度和水分等其他因素的影響，這些因素通常都是同時影響光合作用^[1].所以，高中生在本課程學習中應該全面了解光合作用的影響因素，也需要在實驗觀察和數據分析基礎上尋找相關規律，并在該過程中獲得學習體驗.

2 收集數據

在運用建模教學開展生物知識講解時，教師需要指導高中生收集數據，具體做法如下：

第一步，設計不同光照強度條件下的光合作用實驗，指導高中生運用光照箱對實驗操作中的光照條件進行控制，分別營造低光、中光與強光三個不同強度的光照條件.第二步，教師指導高中生記錄實驗過程中的關鍵參數，給后續實驗數據計算提供參考^[2].例如，運用光照傳感器測量不同條件下的光照強度，選擇豌豆或者是小麥等物種進行實驗觀察，嚴格記錄植物在不同光照條件下的生長時間，一般設置為幾天或者是幾周的觀察頻率.第三步，高中生需要進行仔細測量和數據記錄，一方面要從植株高度和葉片面積等維度出發記錄植物生長狀態，另一方面需要使用葉綠素測定儀器對不同光照條件下植物葉綠素的整體含量.通過實驗觀察得知光照強度不同，光合速率也存在不同，具體數據見表1.生物教師需要讓學生在數據分析基礎上探尋規律，預測光照強度在600 Ix時的光合速率.

3 構建模型

在給定的實驗數據下，生物教師要指導高中生建立光合速率與光照強度之間的線性模型P_n=a·I+b，其中，P_n表示光合速率（μmol/m²/s），I表示光照強度（Ix），a和b是模型參數.該線性模型建立在以下假設條件：（1）光合速率與光照強度之間存在線性關系，光合速率變化與光照強度變化之間存在比例關系，這種變化能通過簡單的線性方程來描述.植物通過光合作用將光能轉化為化學能，光合速率是衡量光合作用效率的重要指標，光合速率和光照強度之間存在線性關系.通過對表1中各項數據進行分析，能夠看出在一定范圍內，光照強度增加時光合速率也呈現出逐漸增加的趨勢，通過數學模型能更好地理解二者之間的關系.（2）為確定模型中的a和b這兩項參數，生物教師需要指導高中生運用最小二乘法進行模型構建分析，重點減少模型預測值和學生實際觀察之間存在的誤差，進而提供最優的實驗參數值，給后續實驗數據分析提供支持^[3].（3）參數a代表光照強度對光合速率的影響程度，表示當光照強度增加時出現的光合速率變化量，參數b表示當植物光照強度為0時的光合速率，也是本次模型的具體截距，a估值為0.02，b估值為3.教師通過構建以上線性模型，有利于高中生更深入了解光照強度和光合速率之間存在的關系，并通過模型預測分析在不同光照強度下植物的光合速率.

4 模型驗證

在本次課程教育中，生物教師在建立光合速率與光照強度之間的線性模型之后，需要組織高中生進行模型驗證，在這一過程中幫助學生深入了解光合作用的基本內容，也能不斷培養學生的科學思維和實驗技能.基于實驗數據和模型構建，生物教師能提出思考問題，讓學生從不同角度進行思考和實驗分析.

問題：我們已經建立光照強度和光合速率之間的線性模型，P_n=0.02·I+3，其中，P_n表示光合速率（μmol/m²/s），I表示光照強度（Ix）.給定光照強度為150 Ix、250 Ix、350 Ix、450 Ix和550 Ix，請利用該模型進行光合速率的預測，然后和實際觀測值進行對比.

解題過程：（1）將光照強度I=150時代入線性模型中，P_n=0.02×150+3=6（μmol/m²/s），而實際觀測值為5.9（μmol/m²/s）.線性模型值6（μmol/m²/s）和實際觀測值5.9（μmol/m²/s）進行對比分析，發現二者十分接近，表明本次實驗中建立的線性模型在光照強度為250 Ix時預測效果比較良好，與實際觀測值比較相符.（2）將光照強度I=250時代入線性模型中，P_n=0.02×250+3=8（μmol/m²/s），而實際觀測值為8.2（μmol/m²/s）.線性模型值8（μmol/m²/s）和實際觀測值8.2（μmol/m²/s）進行對比分析，發現二者十分接近，表明本次實驗中建立的線性模型在光照強度為250 Ix時預測效果比較良好，與實際觀測值比較相符.（3）將光照強度I=350時代入線性模型中，P_n=0.02×350+3=10（μmol/m²/s），而實際觀測值為10.1（μmol/m²/s）.線性模型值10（μmol/m²/s）和實際觀測值10.1（μmol/m²/s）進行對比分析，發現二者十分接近，表明本次實驗中建立的線性模型在光照強度為350 Ix時預測效果比較良好，與實際觀測值比較相符.（4）將光照強度I=450時代入線性模型中，P_n=0.03×450+3=12（μmol/m²/s），而實際觀測值為11.8（μmol/m²/s）.線性模型值12（μmol/m²/s）和實際觀測值11.8（μmol/m²/s）進行對比分析，發現二者十分接近，表明本次實驗中建立的線性模型在光照強度為250 Ix時預測效果比較良好，與實際觀測值比較相符.（5）將光照強度I=550時代入線性模型中，P_n=0.03×550+3=14（μmol/m²/s），而實際觀測值為14.1（μmol/m²/s）.線性模型值12（μmol/m²/s）和實際觀測值14.1（μmol/m²/s）進行對比分析，發現二者十分接近，表明本次實驗中建立的線性模型在光照強度為250 Ix時預測效果比較良好，與實際觀測值比較相符.

5 模型解釋

光合作用作為植物生長和生態系統能量轉化的基礎，生物教師在運用建模教學開展課程教育過程中應該關注模型解釋的價值，引導學生在了解表面生物學知識基礎上進行深入探索，通過建模形式走進科學探究的殿堂.在本次“光合作用中光照強度對植物生長的影響”主題研究中，生物教師需要指導高中生進行實驗數據搜集，在數據分析基礎上進行模型構建與驗證操作，逐步探索光合作用的科學原理，進而培養學生的科學觀察與建模分析的能力.

上文建立線性模型描述光合速率與光照強度之間的關系，為后續課堂教學提供基礎.模型寫作：P_n=0.02·I+3，P_n表示光合速率（μmol/m²/s），I表示光照強度（Ix），系數 0.02 表示單位光照強度變化時光合速率的變化量，截距3表示在光照強度為0Ix時的光合速率.

解釋如下：（1）模型中的斜率0.02表示單位光照強度增加時光合速率的增加量，當光照強度越來越高時，植物的光合速率也就越大，是符合光合作用的基本原理與實驗規律.這樣表明光合作用是一種能將光能轉化為化學能的過程，當植物獲得更強大的光照強度時，所吸收的光能也就越多，整體光合速率也會越高^[4].（2）模型中截距3表示當光照強度為0 Ix 時光合速率的實際值.雖然在實際情況下光照強度不能為0，但是在本次實驗操作中截距在數學模型中發揮出調整曲線位置的重要作用，更好地理解光合作用.（3）因為模型是基于實驗觀察數據得來的，所以僅適用在實驗數據范圍內的光照強度，也要在規定的光合速率下進行建模分析與實驗操作.如果在實際運用過程中出現光照強度超出實驗數據范圍的情況，該模型的預測能力會受到影響，應該根據具體的實驗操作情況進行分析.（4）該模型能預測植物在不同光照強度條件下的光合速率，在數據分析基礎上研究光合作用對植物生長的影響，也要思考光合作用對生態系統的整體影響，對農業生產或者是生態保護有著重要意義.

6 結束語

單一開展理論教學，生物教師無法讓高中生感受到生物學知識的魅力，也不能獲得科學思維的有效培養.為此，生物教師在后續課堂教學中應該關注建模教學的應用價值，讓學生逐漸了解光合作用的基本原理，培養學生的數據分析、科學觀察和建模思考等學科能力，深化學生對生物課程知識的理解.

參考文獻：

[1] 陳欣，江釤，高愷旻.指向批判性思維發展的高中生物學建模教學[J].福建基礎教育研究，2023（11）：120-123.

[2] 楊晶.指向科學思維培養的高中生物學教學策略探究：以2019人教版教材的教學為例[J].教育界，2023（30）：29-31.

[3] 李雨殷.指向科學思維培養的高中生物學一輪復習教學實踐：以“生態系統的能量流動”為例[J].中學教學參考，2023（29）：88-90.

[4] 江楹華，鄒茂春.指向科學思維培養的高中生物學教學設計[J].教學月刊：中學版（教學參考），2023（4）：75-77.

[責任編輯：季春陽]