基于核心素养的高中生物模型建构教学研究

郝琦蕾 姚灿

摘   要 生物模型建构教学对学生形成科学思维、培养创新能力与实践能力具有重要意义。建构物理模型的教学有助于培养学生的空间认知能力;建构数学模型的教学有助于培养学生的类比推理能力;建构概念模型的教学有助于培养学生的系统思维与逻辑思维能力;图示图表模型建构教学有助于培养学生的形象思维能力。模型建构教学存在的问题有：教师对模型建构教学不重视，引导学生建模意识不强;轻易否定学生所建立的模型，没有引导学生对建构的模型进行检验和完善;模型教学中以教师为中心，学生极少动脑动手建构模型。基于研究提出相应建议。

关键词 核心素养  高中生物  模型建构教学

2017年颁布的《普通高中生物学课程标准（实验）》[1]强调培养学生的学科核心素养，在模型建构过程中探讨、阐释生命现象及规律，逐步发展学生的科学思维，形成生命观念。学科核心素养是学科育人价值的集中体现，主要通过教学来实现。生物模型建构教学对培养学生思维能力、创新能力与实践能力具有重要意义。

一、模型的概念及分类

模型是由元素、关系、操作以及控制其相互作用的规则组成的概念系统，是由一些外部表征体系来呈现的[2]。模型作为一个工具或一种媒介，帮助科学家们描述、解释或者预测现象。在教育领域中将模型引入，通过模型将困难的知识点简化、具体化、形象化，有助于学生掌握并理解所学知识。哈里森（A.G.Harrison）和揣古斯特（D.F.Treagust）于2000年將模型分类为[3]尺度模型、类比模型、图像和符号模型、数学模型、理论模型、示意图、图表和表格、概念—过程模型等等。

生物模型是将生物学研究原型的一些次要的、非本质联系舍去，形象简约地表现生物原型或突出反映原型的主要特征和联系的一种理想物质、过程或假想结构[4]。对生物教学而言，物理模型、数学模型、概念模型、图示图表模型已成为生物课堂上的主要模型。物理模型：是一种实物模型，或者是一种装置，也可以是按照比例大小制作的模型，如检验植物呼吸作用中是否存在CO2的实验装置，心脏的模型，人脑的模型等。数学模型：能够表示事物之间的数学关系、性质的方程式，应用数学的图表等。如种群增长“J”型曲线模型的构建是在推导数学公式的基础上完成的。概念模型：对概念等进行归纳整理，以知识结构体系来呈现，常用的概念模型是概念图和思维导图，通常用于复习总结课中。图示图表模型：是一种将描述的概念用图形或者图表来表示，区别于数学模型，并没有表示数学关系，如有丝分裂的过程用画图的方式清晰地展现出来，用表格的形式比较主动运输和被动运输的特点。

二、高中生物模型建构教学案例及分析

1.物理模型建构教学有利于培养学生的空间认知能力

【案例1】建构真核细胞三维立体结构模型（以动物细胞为例）

教学目标：尝试制作真核细胞的三维立体结构模型，体验建构模型的过程。

教学器材：各种颜色的橡皮泥和卡纸，大头针。

教学过程：（1）教师在课堂上讲授模型的概念、类型以及原则（科学性、准确性、美观性）。（2）安排学生小组活动，确定使用的材料用具，讨论细胞器之间如何连接以及规定各个细胞器的颜色，制作时注意突出各细胞器结构特点，以便于观察。（3）分工制作各细胞器;将各细胞器组合在一起，完整地呈现真核细胞结构模型。（4）小组成员查漏补缺，完成之后集体展示模型，进行组内自评、组间互评、教师评价，并提出完善建议。

在这节课上教师对模型概念及建模方法进行了介绍，让学生对模型建构有了初步认识，教师将学生分为几组进行合作学习，随后学生充分发挥自己的想象力和创造力建构物理模型。建模教学是以全体学生积极参与为前提，鼓励所有学生都参与到建构、验证和应用模型的过程中[5]。通过模型建构教学培养学生的思维能力、合作学习能力和科学探究能力。

2.数学模型建构教学有利于培养学生的类比推理能力，形成科学思维

【案例2】教师引导学生回忆“大肠杆菌数量变化”，使用多媒体展示“澳大利亚野兔成倍数增长”数量变化，提出澳大利亚野兔数量增长的原因是什么，大致的数量增长曲线又当如何，学生讨论分析澳大利亚野兔增长规律，确定与“大肠杆菌增长”曲线类似（假设在营养物质和生存空间没有限制的情况下），几次分裂之后发现大肠杆菌种群数量的公式为N=2n，呈“J”型。接着教师提出，若最初野兔的数量为10个，那么野兔的数量增长公式又是怎样的呢？随后教师带领学生推理出Nt=No×λt这个数学模型。

教师将此节课堂分为两部分，第一部分通过实例来计算并推导出数学公式，让学生产生初步的建模意识;第二部分教师通过建构数学模型引出新知识的学习，让学生意识到模型的重要性，随后教师带领学生由特殊到一般，从大肠杆菌种群数量N=2n推导出Nt=No×λt。此过程中学生探索数据背后的规律，培养了类比推理能力;借助数学模型学生更加容易理解生物学知识，促进科学思维的形成;同时帮助学生探索生命活动规律，形成生命观念，尝试将所学知识用于解决实际问题。

3.概念模型建构教学有助于培养学生的系统思维与逻辑思维能力

【案例3】教室里正在进行“走进细胞”的复习总结课的讲授。课堂上，教师首先陈述生命结构和功能的基本单位是细胞，并将其作为概念图中心，随后引导学生依次从细胞的类型、作为结构基础的原因、生命系统的结构层次等方面回忆知识，然后教师绘制概念图，并让学生抄到笔记本上。

由于概念图直观形象、简明扼要，是学生进行有意义学习的重要工具，故被用在复习时查漏补缺，巩固知识。一般来说，学生自己发现、建构的知识要比教师灌输、学生记忆获得的知识更为牢固。在这节课中，学生只是回忆知识，概念图的构建基本是由教师完成，学生没有动手绘制概念图，可见，教师培养学生建模的意识不强。建模应以学生为中心，鼓励学生搜集相关信息并自主建构知识概念图，便于学生整体把握知识框架，更好地理解并记忆知识。学生自主归纳总结构思，有助于形成科学思维，而且学生自主绘制概念图模型，强化和深化了原有的认知，提高了学习效率。

【案例4】在“人类遗传病”这一节复习课上，教师引导学生回顾本章的知识要点，包括染色体异常遗传病、多基因遗传病、单基因遗传病等，然后系统地讲述思维导图的制作方法，让学生建立整体认识，形成人类遗传病的知识结构。（第一步提炼“主题”和“次主题”。第二步按照思维导图绘制的一般步骤，完成思维导图。第三步师生共同进行补充、完善。）“主题”即是人类遗传病，“次主题”是与人类遗传病有关的知识要点，涉及的内容比较多。

思维导图可以直观地表达抽象的生物学概念和规律，简洁明了地表现复杂的知识结构，帮助学生在宏观上把握生物学知识体系，促进学生有意义学习，形成生命观念。

4.图示图表模型建构教学能增强直观性，培养学生的形象思维能力

【案例5】“有丝分裂”教学片段

活动过程：安静的教室里正播放着“一个细胞经有丝分裂增殖为两个细胞”的视频，学生们聚精会神地观看。教师带领学生观察有丝分裂前期内容，要求学生简要描述主要变化。学生迅速地浏览，争先恐后地回答：有“染色质丝”“缩短变粗”“并列”“一个着丝点”“核膜解体”“核膜消失”“纺锤体”。接着教师让小组成员发挥自己的想象绘制前期的图式模型，并在组内和组间讨论比较展示，课堂气氛非常活跃。教师对前期进行总结概括并画出科学的“前期”图，学生认真比较老师和自己的图，修改完善。同样的方式，教师带着学生一起继续发现，绘制分裂期其他阶段的图。

课堂上教师带领学生找关键词，并根据关键词发挥想象，用示意图直观地表示出来，发现结构与功能相适应的规律，形成认识生命的基本观念。

示意图是一种清晰、简单、明了的模型，学生获得了直观认识更易理解知识，加深对知识点的记忆，有利于培养学生的想象力和创造力以及形象思维能力。

三、高中生物模型建构教学的实施建议

模型建构教学存在的问题及建议：（1）学生在生物学学习过程中并没有形成建模意识，说明教师引导学生建模的意识不强，重视不够。在初中阶段教师就应当培养学生的学习兴趣，引导学生认识科学规律，探究模型建构的过程，在日常教学活动中渗透建模思想，为高中学习夯实基础[8]。另外，在建模教学课开始之前教师要介绍模型的定义、类型、建构模型的方法与原则，在课中教师要引导学生主动建构模型，要求学生独立完成模型的制作，并在下节课展示评价。（2）在模型完成后，教师不應该轻易地否定学生所建立的模型。在课堂上教师面向全体学生，让每个学生都能参与到建模中，对做得不好的地方进行启发点拨，对做得好的学生给予表扬鼓励。模型完成后引导对模型持有怀疑态度以及模型建构存有缺漏的学生，回顾建模过程，找出存在的问题并进行查漏补缺。（3）有的教师直接对照模具讲授新课，没有引导学生主动建构模型，这种课堂仍然是以教师为中心，学生处于被动地位。教师应讲授模型的建构方法，引导学生自己动手构建模型，教师点拨指导，发挥学生的主体作用，培养学生的建模能力。（4）建模教学由于围绕模型展开教学，会打乱原有的教材顺序，并减少内容覆盖，这些会令教师感到不适应，且学生一开始需要花费时间来深入理解和训练发展模型的技能[9]。因此，在预定某节课进行模型建构教学时，需提前对整节课做好时间安排。

建模实际就是学生根据知识内容，在大脑中将理想的模型构建出来，再动手实践，并根据实际情况加以修改完善的过程。教师注重将建模思想和方法贯穿在教学中，引导学生积极主动建构模型，并适时给予针对性的点拨和帮助，培养学生发现问题、提出问题、分析与解决问题的能力。由于生物学与生活密切关联，课堂上通过建构模型有助于学生深刻地认识生命现象及规律，形成生命观念，并将所学知识应用于解决生活中的问题，增强学生的社会责任意识。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中生物课程标准：实验[S].北京：人民教育出版社，2017.

[2] 陈凯，陈博，周宏.基于Netlogo的化学建模教学案例评析及反思[J].中国电化教育，2010（01）.

[3] Allan G.Harrison，David F.Treagust.A typology of school science models[J].International Journal of Science Education，2000，22（09）.

[4] 周玲，李其柱.开发与利用生物模型资源释放学生潜能的教学原则和实施策略[J].中学生物教学，2017（21）.

[5] 张蕾.基于建构物理模型的学生评价初探[J].中学生物教学，2018（Z1）.

[6] 王韬.高考生物复习中概念图的应用——以《生物·必修1.分子与细胞》为例构建知识网络[J].中学生物教学，2018（1-2）.

[7] 赵卓，汤婷婷.思维导图在高中生物教学中的应用[J].教学与管理，2016（30）.

[8] 王晶莹，张跃，张洋.中学物理教师对科学模型教育认识的实证研究[J].全球教育展望，2016，45（02）.

[9]张静，郭玉英.物理建模教学的理论与实践简介[J].大学物理，2013，32（02）.

[作者：郝琦蕾（1968-），女，山西临汾人，山西师范大学教师教育学院教授，博士，硕士生导师;姚灿（1995-），女，湖北武汉人，山西师范大学教师教育学院在读硕士研究生。]

【责任编辑  杨   子】