新課程背景下學生模型建構能力的進階式培養

一、課題提出的背景

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》中對學科核心素養有如下描述：學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確的價值觀念、必備品格和關鍵能力。生物學學科核心素養包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。根據課程標準的要求，教師在生物學學科的教學過程中應時刻關注學生學科核心素養的培養。而在生物學學科核心素養中，科學思維和科學探究更是彰顯高中生物學學科的理科屬性。模型建構能力是鍛煉科學思維的方法之一，是高中生物學常用的提升學生理解力和思維力的手段。在最新的人教版普通高中教科書生物學必修1“分子與細胞\"中就介紹了建構模型這一科學方法。新課程背景下，筆者嘗試在課堂上從模型建構能力培養的角度，來提高學生的生物學學科核心素養，培養學生的科學思維能力。

布魯姆把認知教學目標分為知識、理解、應用、分析、綜合和評價六個層次，由低到高形成學生認知發展學習進階。受布魯姆認知發展學習進階理論的啟發，筆者根據前人對學生模型建構能力的研究進行適應本校學生的修改，將模型建構能力的進階由低到高分為4個水平：識別模型、利用模型、轉換模型、建構模型，對學生思維和能力的要求逐步提高。

本文以“細胞核的結構和功能”一課為例，嘗試運用模型建構能力的進階式教學方式提高學生的生物學學科核心素養。本節課的教學始終貫穿兩條主線：明線是細胞核的結構和功能等生物學核心概念的學習，暗線是模型建構能力的進階式培養，最終落實到生物學學科核心素養的形成，形成情景、模型建構能力的進階以及學科核心素養的形成，這樣“三位一體式\"循環上升的教學路徑。課程設計模型如圖1所示。

二、著眼大概念，制訂學習目標

人教版高中生物學必修1“細胞核的結構和功能”一課從細胞核的功能出發，探尋細胞核的結構與功能相適應的關系，同時教材中設置了科學方法欄目，就建構模型對學生進行整體介紹，而且在“探究·實踐”欄目中引導學生嘗試制作真核細胞三維結構模型。因此，教師利用本節課的內容培養學生的模型建構能力是水到渠成的。本課隸屬于大概念1：細胞是生物體結構與生命活動的基本單位。而細胞核的結構和功能是大概念1得以最終落實的最后一個環節，重點闡明遺傳信息主要儲存在細胞核中，細胞各部分結構之間的相互聯系、協調一致，共同執行細胞的各項生命活動。

教師從提高學生生物學學科核心素養的角度出發，制訂如下學習目標：

1.通過自主設計傘藻嫁接和核移植實驗，在體驗實驗、得出結論的過程中感受科學探究的嚴謹性（科學探究）。

2.通過對教材中資料的對比分析，進一步歸納出細胞核的功能（生命觀念），體會到科學探究的思維和方法（科學探究）。

3.通過細胞核結構模式圖，認識細胞核的結構（生命觀念）。

4.利用自制染色體模型，幫助學生理解染色質和染色體的結構及相互關系（生命觀念），在此基礎上形成遺傳信息、DNA、染色體和細胞核之間的關系，并通過邏輯推理形成細胞核的結構與功能相適應的觀念（生命觀念、科學思維）。

5.通過具體實例理解細胞核和細胞質是統一的整體，細胞的完整性保證了生命活動的正常進行，感受細胞的精巧，珍愛生命（生命觀念）。

6.通過展示動植物立體模型，引導學生進行自制細胞結構三維模型，并在模型評價環節幫助學生形成嚴謹的科學態度和節約資源的責任意識（社會責任）。

三、圍繞模型建構，展開進階式學習

（一）創設動態細胞模型的情境 識別模型

課堂之初，教師播放視頻“Theinnerlifeofthecell”，動態演示了細胞的結構及細胞內的生命活動。學生已經學習過細胞膜和細胞器的內容，所以這個動態細胞模型中的有些結構和過程是知道的，但有些過程不是很清楚，這就為學生架設了一個從已知到未知的“最近發展區”，極大地激發了學生的探索熱情。學生在努力識別模型的過程中，極大地激發了繼續學習的興趣。

教師引入：細胞中分泌蛋白的合成和運輸過程，體現了細胞器之間的高度配合，配合的實現需要操縱者，是什么結構來控制這些過程呢？

（設計意圖：教師通過動畫模型初次向學生展現細胞內的動態過程，微觀的、難以理解的細胞內的活動，讓學生有了直觀的認識。同時激發了學生繼續探索的熱情。教師通過語言引導，使學生對細胞中的活動能如此有序進行產生濃厚興趣。）

（二）利用自制傘藻模型模擬探究實驗—利用模型

細胞核的功能探索是本節課的重點之一，在教材“思考·討論\"環節給出四則資料，其中“傘藻的嫁接和核移植實驗\"是比較難理解的。因為學生第一次接觸傘藻，容易混淆傘藻的結構，所以筆者在教學時設計通過自制傘藻模型來解決學生認知上的困難，調整教材內容，將“傘藻的嫁接和核移植實驗\"移置前面，利用模型演示的形式重點探究。

課前，筆者利用不同顏色的磁性貼片繪制出兩種不同的傘藻，并用顏色鮮艷的磁片剪出各自的細胞核，貼在假根部位。

教學過程如下：

教師利用幻燈片呈現傘藻的結構和特點等背景資料。傘藻是單細胞真核生物，出現了簡單的結構區分，通常稱為“帽、柄、假根”。切去傘藻的“帽\"之后，它還會長出新的“帽”。

教師：新“帽\"的形狀與柄有關還是與假根有關？

學生討論交流。教師請學生代表利用自制傘藻模型嘗試設計實驗，并在黑板上演示自已的實驗設計過程（見圖2傘藻的嫁接模擬實驗）。

教師：通過嫁接實驗能證明新“帽\"的形狀就是由細胞核決定的嗎？

（學生認真思考問題）

教師引導學生設計出傘藻的核移植實驗（見圖2傘藻的核移植模擬實驗）。

教師利用幻燈片呈現“美西螈的核移植實驗”過程。

教師：這個實驗設計思路與前面傘藻的哪組實驗類似？推測實驗結果，并說說其說明了什么問題。

學生：與傘藻的核移植實驗類似，說明細胞核可以控制生物的性狀。

教師：比較“蝶螈的受精卵橫溢實驗\"和“變形蟲的切割實驗”，思考兩個問題：（1）兩組實驗設計的原理有相同之處嗎？（2）兩組資料中，你能知道細胞核對生物體的哪些方面發揮著重要作用嗎？

學生自主分析，得出細胞核在控制生長、發育、生命活動方面具有重要作用。

（設計意圖：通過對傘藻的嫁接和核移植實驗的深度思考，學生可以意識到科學結論的得出必須有嚴謹的實驗證據。一連串的模擬探究活動不僅可以培養學生的科學探究能力，還能鍛煉學生的科學思維。本環節通過對教材資料的利用和整合，提高學生的類比推理能力，歸納出實驗設計的一般原理，培養其科學思維。）

（三）展示自制染色質（體）模型突破教學難點—轉換模型

在認識細胞核的結構環節中，染色質的結構及其與染色體的關系是學生通常難以理解的地方。筆者通過自制模型一用毛線和橡皮泥制成染色質（體）的平面模型，利用吸管、紅色毛線和白色橡皮泥制成染色體的立體模型（見圖3），將抽象的內容直觀、感性地呈現出來，幫助學生理解染色質的結構及其與染色體的關系。

在這兩個模型中存在一些概念上的差異，教師應引導學生學會模型轉換。在平面模型中，橡皮泥代表組蛋白，紅色毛線則代表DNA；在立體模型中，教師只用了紅色毛線纏繞成短棒狀結構，這時的紅色毛線就代表染色質絲。在轉換模型時，學生會發現，我們所用材料或繪制的結構不拘泥于固定的意義，制作者可為之賦予不同的定義，只要具有科學性就能為人所用。這一環節雖是教師利用自制模型幫助學生突破難點，但也在潛移默化地向學生傳達制作物理模型的一般方法，為最后一步進階學習一建構模型提供保障。

在介紹完細胞核的結構之后，教師引導學生思考遺傳信息、DNA、染色質、細胞核的位置關系：遺傳信息主要位于DNA儲藏在染色質位于細胞核。學生通過邏輯推理進一步明確細胞核的功能 -細胞核是遺傳信息庫，從而建立細胞核結構和功能的概念模型。

（設計意圖：細胞核的結構中最重要的就是遺傳物質的載體一染色體。本節課是學生第一次接觸到染色質（體）這一概念，對染色質（體）的理解如果僅靠書中的圖像，是很難想象到染色質和染色體是同種物質在不同時期的不同呈現形式的，更不清楚為什么染色質（體）是遺傳物質的載體。通過模型建構，學生能很清晰地指明染色質的組成。同時，由平面模型到立體模型的動態轉換能讓學生瞬間理解同一物質的不同呈現形式。本來難以理解的微觀物質，在轉換模型的幫助下，變得通俗易懂，突破了教學難點。）

（四）指導學生自己制作動植物細胞結構模型建構模型

教師在說明“細胞各部分結構之間的相互聯系、協調一致，共同執行細胞的各項生命活動\"這一重要概念時，可遵循“現象一本質一現象”的規律，選擇哺乳動物成熟的紅細胞以及精子的存活時間等典型實例進行歸納概括、得出結論，再聯系導入新課的視頻內容，首尾呼應。教師應說明細胞內各組分的相互聯系、分工合作，必須保持其完整性才能進行各項生命活動。

接下來，教師順理成章地引導學生展開物理模型的建構。具體過程如下。

教師展示動植物細胞亞顯微結構的實物模型。

學生感嘆：真是太漂亮了！

教師：我們是不是也可以利用身邊的材料，自己動手制作細胞的亞顯微結構模型呢？

學生非常感興趣，紛紛討論用什么材料制作。教師適當地引導學生選用一些環保材料、廢棄材料制作，增強學生節約能源、保護環境的社會責任感。

學生的想法非常豐富：有的說用薯片做內質網、用蛋黃做細胞核、用巧克力豆做核糖體，想做一個“食物系列\"的細胞亞顯微三維模型；有的說用橡皮泥捏成各種細胞結構；還有的說要用吸管、毛線等制作細胞的三維模型·（如圖4）

當然，教師一定要告訴學生模型制作的根本原則是要具備科學性，其次才是材料的選擇和美觀性等。

（設計意圖：本節課學習到最后，學生已經對動植物細胞的亞顯微結構有了清晰的認識，教師順勢引導學生自己動手嘗試制作真實的模型，將課堂學習的熱情延伸到課后。最后呈現出的效果，讓筆者驚嘆于學生的創造力和表現力！圖4為學生課后利用超輕黏土制作的真核細胞的三維結構模型，可以對模型進行自由的拆分和合并。拆分來看，體現了學生對細胞器、細胞核等各個細胞結構的理解；合并起來，又體現了學生對細胞整體結構和功能的理解。）

四、教學反思

生物學的研究范圍非常廣泛，有宏觀方面的生態系統，也有微觀方面的分子與細胞。對微觀世界的探索，教師在教學時往往需要借助物理模型來幫助學生更好地理解各種結構。因此，模型教學是生物學教學的重要手段，模型建構能力也是學生探索生物學的重要能力之一。在以往的教學中，物理模型更多是用來展示和識別，學生也只是能“看到”。通過“細胞核的結構和功能”一課的教學，教師由淺入深地帶領學生進入模型構建的領域，從最初的識別模型到利用模型，再到轉換模型，最后落實在自己動手建構模型，進階式學習方式最終讓學生從學到用，自己動手制作模型，感受到學習的快樂！這不僅能激發學生對生物學核心概念的識別記憶，還能促進學生模型建構能力的提升。同時，本節課在教學設計時充分挖掘學生生物學核心素養，尤其是促進學生科學思維的發展。本節課的教學設計中，通過自主探究、歸納分析、模型轉換、邏輯推理等方式，處處彰顯對學生科學思維的培養。這樣明暗兩條線的教學設計，可為今后相關教學設計提供較好的案例。

（作者單位：無錫市第六高級中學）

編輯：趙文靜