摭谈模型在初中生物学试题和教学中的运用

吴向阳

摘要：列举和分析近三年福建省中考试题中模型的使用。提出示意图显化自我认知，促进元认知发展;思维导图串联主题词，促进学生知识系统观的建立;多种模型组合应用，达成对概念深度理解等建模教学措施。

关键词：模型 命题设计 建模教学

中图分类号：G633.91 文献标志码：B

“注重考查思维过程，注重分析和解决问题能力的考查”成为中考命题的方向。在此背景下，初中教学须倡导学科思维的培养与评价。模型与建模是解释生物现象、表征生理规律和解决生产实践问题的重要思维方法，在列入高中课标的同时，也应当是初中学段追求的教学目标和教学手段。近三年来，福建省中考统考试题涉及多种模型的考查提醒教师要关注教学中模型的运用。

1纸笔测试中常用模型的摘取及分析

1.1模式图替代尺度模型，复现实物原型

生物教学中的尺度模型来自对生物体结构放大或缩小的模拟。在纸笔练习中尺度模型变形为生物体结构的“模式图”，承担了平面化简约描述生物外部或内部结构的功能。例如，福建省初中学生毕业和高中阶段学校招生考试（简称省卷，下同）2017年11题的关节模式图（图1）。该题要求学生识别关节结构名称，完成事实性知识的回忆。

模式图用作题干背景帮助学生识别结构，考查学生的识记能力。作为对结构的概括性描述，试卷所呈现的模式图应当是学生理解的结构，而不是学生机械记忆的结构。因此，有些初中试题出现了叶绿体和线粒体的亚显微结构，或出现了脊髓的灰质和白质等要求学生辨别，就会导致学生对模式图的“死记硬背”。

1.2图像和符号示意生理结构，突出生物特征

“结构或生理示意图”属于图像和符号模型中的一类，由图形、符号构成，承担了对生物的特征高度提炼和放大的作用。由于它具有“示意”的属性，通常所呈现的生物结构比例可能失调，但结构特点必须凸显，如省卷2019年29题（图2）。该题分别突出了“肺泡增大肺表面积”“肾小球、肾小囊和肾小管的位置关系”“小肠绒毛内具有毛细血管”等特征。

由于示意图是对原型的一种凝炼而非“仿真”的描述，它的使用依赖于设计者的主观解释，因此在试题中使用它的前提是学生熟悉并认同这种“意会”的概括。像图2这样，为了试题的科学性及公平性考虑，应对示意图关键部分进行标注提示。

1.3生理曲线图描述规律，解释和预期现象

数学模型中的曲线坐標图用于表达自变量与因变量的关系，生命科学常借助其描述外界因素如何影响生命活动，并对生理现象进行预期和推理。由于生理活动曲线图的数值来源于取样测定而非函数式的计算结果，因此其考查要点是对曲线趋势的解释，检验的是学生能否将相关核心知识的理解，转化为对曲线中“名、标、点、线”的识别。例如，省卷2019年25题（图3），学生除了读懂图中a、b点表示Y值为零，同时还要解释它的含义为“当光照达到某值，植物光合作用对二氧化碳的吸收量与呼吸作用对二氧化碳的释放量相当”;除了读懂d点甲的二氧化碳吸收量高于乙，还要说明“此时甲的光合作用强度大于乙”……

生理曲线图运用于试题设计时，命题者确保要将考查的核心概念、识图关键点及试题的设问三者一一对应，才能落实该曲线考查图文转化和概念达成的功能。

1.4流程图将路径视化，利于整体视角形成

以文字、图片和符号表达的流程图属于系统模型中的一种，用来表征系统的反应路径，使宏观过程可视化，如省卷2017年27题（图4）。该题借助植物体部分器官的模式图和示意图的组合，呈现了植物生长发育全过程，让学生站在“植物体一生的发育”角度重新回顾七、八年级相关内容。将碎片知识放在完整事件中进行思考，可以促进和考查学生整体视角的建立。

除了描述生物的生长发育周期，试题中的流程图还可描述某项操作的系列动作、某实验的序列化结果、生态系统中物质变化的路径等。

1.5概念图表征概念关系，检验概念模型的建立

概念图以关键词：、箭头和连接词将多个概念连接，用以表述它们之间的关系。例如，省卷2018年21题（图5），要求学生找出能正确表达“染色体、蛋白质、DNA、基因”四者关系的选项。学生沿着箭头方向阅读关键词：和连接词，判断各结构之间的包含和并列关系，并与自己头脑中先前建立的概念模型进行比对。最终所选答案暴露了学生对上述概念关系的理解。

用于表达概念关系的方式常见的还有韦恩图、大括号图及其他各种形式的思维导图等。以这些形式命题，同样可以检验学生概念模型的构成。除了上述所列模型外，试卷中还有“不表示数学关系的图表和表格”模型，如比较表能把复杂内容简约化，将文字或数据提炼，罗列于表格中一目了然，考查学生阅读比较、信息转化的能力。

综上，近三年省统考试卷的模型使用一览见表1，呈现以下特点：①模型数量多。试卷中与模型有关的图形近三年分别达10、13和15个，有的试题同时有两个或以上模型。模型占比试卷的版面较大，体现了模型在表征知识方面有重要分量。②模型多元化。近三年试卷试题涉及物理模型、数学模型和概念模型等多类型模型，如示意图、曲线图、概念关系图等，有的试题涉及多种模型组合。③思维量增加。比起早年试卷中模型以简单描述的功能为主，近年省卷加大了概念模型和数学模型的比例，发挥了模型所具有的解释和预测复杂问题的功能，彰显运用模型对考查学科思维的价值。上述特点提示教师在教学中重视模型与建模的运用。

2模型运用于教学的几点反思

2.1示意图显化自我认知，促进元认知发展

初中学段的生物学知识大多建立在对个体水平的认知上，因此，生物体结构模式图的掌握是初中生物学习的重要内容和方法，它来自对结构特点的提炼而成。学生只有经历体验和冲突、同化和顺应的学习过程，才能对结构模式图达到深度的理解。教师若直接呈现模式图，并不能让学生经历上述过程。在教学中，可采用让学生“画示意图”的策略，以暴露学生对于某生理构造的前认知。教师将其做为教学的起点和突破点，帮助学生逐步构建科学的模式图。图6是某学生在学习心脏的结构这一小节前绘制的心脏结构想象图。

该示意图表示了学生学前对心脏的已有概念是“有肌肉”“能收缩”“有血管”……，错误认知是“具有收缩功能的不是肌肉而是某一特别结构”“心脏只有一个腔”……籍此，教师可引导学生回忆肌肉组织的作用，观察心脏模型，设计“心脏注水”的体验活动等，引发学生产生认知冲突。学生再通过分析、概括，分步建立关于心脏结构的各个概念，将自己的想象图最终完善为心脏模式图。上述策略使学生的认知被显化、反省和修正，帮助学生观察和评价自我认知，在发展学生元认知的同时，促进其建构知识。

2.2思维导图串联主题词，促进知识系统观建立

当“无序”的生物学概念进一步结构化和系统化，学生获得的认知才能趋近自然的原本面目。系统模型能以俯瞰知识的视角，向学生展现知识之间的内在关系，促成其整体认知观的形成，是教学追求的目标。教师可采用思维导图策略，引导学生参与系统模型的构建，经历从知识碎片到整体的建构过程。

思维导图类型多样，有圆圈图、气泡图等，具有发散性和层次性的特点。以“人体各系统协调合作”系统模型的建立过程为例，教师首先引导学生绘制关于主题词“消化”的“圆圈图”，让学生以头脑风暴的形式暴露其内心与“消化”主题有关的关键节点词;再以“气泡图”的形式对其中某节点词如“营养物质”进行扩展——“小分子营养物质最终通过血液循环到达组织细胞”;接着，帮助学生建立“双气泡图”，表达“消化”和“呼吸”這两个主题词之间有关概念的对比或关联，如“消化和呼吸获得的物质最终都到达组织细胞、都依赖循环系统的协助”等。这些思维导图的训练可以帮助学生构建出各个概念间的关系网，形成系统模型，同时让学生理解科学概念不是孤立的而是有间接和多面的联系，从而树立认识自然的系统观。

2.3多种模型组合应用，达成概念的深度理解

学生对知识达成理解，其表现之一是能够以多种方式表征知识。模型是对各种材料原型进行加工和改造的结果，不同类型的模型在思维的简化、结构化和概括化各具不同作用，对模型多元化应用和灵活转化能促进和检验学生的深度理解。例如，图7可被运用在植物“光合、呼吸和蒸腾”等生理作用的单元整合式学习中，组图由“植物主要生理作用示意图、叶表皮和气孔模式图、光照与光合强度曲线图”等模型构成，以单元主题的角度展示相关结构、生理、现象和原理等。教学中，教师经常训练学生使用宏观现象和微观结构模型的转换，或者概念模型与数学模型的融合，帮助学生对生命活动既有质性描述也有量化分析，对生命现象的认识从表象走向本质。