指向科学思维的生物学模型建构教学初探

王景花

科学思维指尊重并基于事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。学生在生物学的学习中要通过基于事实的归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维等方法逐步发展科学思维，探讨、阐释生命现象及规律、审视或论证生物学社会议题。

模型建构是针对特定问题，对研究的原型问题进行客观的抽象概括，保留原型的本质属性（结构、功能、过程），以物质或思维的形式模拟原型的新客体，它能将原型进行简化和理想化。生物学是一门研究生命活动现象和活动规律的科学，在科学活动中常会借助三种模型：物理模型（借助实物或图片直观展示原型）、概念模型（借助图示、文字、符号的形式描述、阐明生命活动的规律和原理，将隐形知识显性化）、数学模型（运用数字公式、比例关系、曲线、表格、几何图等数学形式反映原型）建构来认识研究对象。模型建构是《普通高中生物学课程标准（2017年版）》对学生学科素养培养的要求。高中生物学教学中的模型建构活动，可以让学生了解模型建构的思想，体验模型建构的过程，领悟模型建构的方法以培养科学思维能力。

1 概念模型的建构能够将系统知识联系交叉亮点突出

概念模型指以文字表述来抽象概括出事物本质特征的模型。模型的建构方式有很多种，若只从高中生物所涉及的概念模型来讲，它和知识概念树型流程图有些相似，学生通过对所学知识核心内容进行一定的分类描述，在初步分类的基础上再分类，这样一直不断的分类，直到将所学内容变得明确完整，这些分类所形成的体系就是一个知识的系统了。学生们只要熟识这样的一套知识体系，就能明确相关知识的全貌了。

例如，人教版高中生物学《必修2.遗传与变异》的“染色体变异”一节教学涉及的概念有：染色体结构变异、染色体数目变异、染色体组、二倍体、单倍体、多倍体、单倍体育种、多倍体育种等。如此多的概念在一节课中密集地出现，如果教师处理不当，会导致课堂教学结构零乱、教学环节过渡生硬、板书设计不合理、教学重点不突出、学生对概念内涵的理解肤浅、解题错误率高等问题，影响教学目标的达成。教师可以染色体为核心概念，引导学生画出树型分类图;以染色体组为核心概念，通過显微镜观察减数分裂过程的变化，引导学生根据染色体的大小的形态差异对染色体进行分组和编号，从而进行染色体的识别和研究;以受精卵中有两个染色体组的个体引出二倍体的概念，再以雄蜂、香蕉、小麦为例，让学生模仿二倍体的定义，尝试对单倍体和多倍体下定义;或以植物中常见多倍体，引导学生思考原因，从而建构概念模型。

学生通过构建概念图及核心概念知识网，能理解客观事物共同特点与本质属性。所有的知识内容都围绕核心内容交叉辐射拓展延伸，那么无论之后碰到有关染色体的任何概念，学生都可以找准知识点详细准确地解释。概念模型的建构是学生形成科学思维的基础。

2 物理模型的建构能够将系统知识表述呈现形象直观

物理模型指以实物或图片形式直观表达认识对象的特征。在学习高中生物学这门学科时，常常有很多学生感到困惑：生物学要学什么呀？虽然生物学就是对生命从微观到宏观进行的研究，研究生命存在的条件、生命的过程、繁殖的方法和规律、死亡的调控、死亡的条件、生命中物质能量的转化等过程，但是高中生物学所呈现出来的知识和初中生物学有着很大的不同。在初中阶段，教师给学生展示的都是活生生的生物，学生通过一系列的观察实验很容易就了解到它们从出生到死亡的全过程。而在高中阶段，无论是细胞还是DNA，学生都无法用肉眼直观感受到，只能通过教科书上的图表概念进行生命过程的学习。这样的学习方式会让学生产生困惑乏味。因此，物理模型的建构是必然的，它能够将系统的内部结构和功能动态联系起来进行生动的学习。

例如，在人教版高中生物《必修1.分子与细胞》的“细胞结构”教学中，学生在构建不同类型细胞的物理模型时，很容易发现原来细胞这个生命体和普通的生物差不多，它有生存条件、生存方式、繁殖方式，也有相应的死亡方式。纵观一个细胞的生存状态，它不是一个孤零零的状态，是生物体结构的基本单位，也有细胞是能独立生存的最小生命，无法用肉眼观察到。此时，教师就可以把看不到的细胞转化为可以看到的模型，如制作展示分子在不同浓度的溶液中跨细胞膜移动的模型观察，以解释水分子的跨膜运动;制作细胞分裂过程的物理模型，用于观察细胞核内DNA双螺旋结构和细胞分裂时核内染色体的形态变化;制作不同动植物高度分化的细胞，用于观察细胞质中各种细胞器的形态结构。这些物理模型都可以给学生以更感性直观的视觉呈现，仿佛活生生的细胞就在眼前展现它的生命过程之美，引导学生去发现生命的内部结构规律，培养物质与能量观、结构与功能观、进化与适应观等生命观念。

当对细胞的生命过程有了最直观本质的了解时，学生会发现其实高中生物学科根本不像想象中那么枯燥难学。高中生物学不过是拓宽了学习的领域，其内涵和本质都是一样的。在学习时，学生需要化抽象为形象，化微观为直观，化繁为简，多思考生命内部活动的规律。物理模型的建构有利于学生形成科学思维的方法。

3 数学模型的建构能够将系统知识本质特性抽提把握

数学模型是用来描述一个系统或它的性质的数学形式。高中生物学知识点多而杂乱，内部关系纷繁复杂，物质形态变化多端。要分清楚实属不易，学生如果不通过一定的形式来描述系统的性质而是按部就班地学习，效率肯定是很低的。而用数学公式、图表的模型建构能够很准确地把事物之间最本质的变化和性质呈现出来，既直观又精确还具体。数学模型能够用转化的方式将两个概念之间的关系理顺，将事物变化的可能方向呈现。通过不断地对模型进行检验和修正，就可以对事物的性质进行准确地表述。

例如，人教版高中生物《必修3.稳态与环境》中“酵母菌种群数量的变化”的教学目标是：完成系列探究实验基础上，统计数据，寻找酵母菌数量变化规律，建构数学模型绘制变化曲线。本节课开始，教师提出的问题：培养液中酵母菌种群数量怎样随时间变化？培养条件是变量，只有控制好这个变量才能进行合理的假设（如加糖与否，量的多少，通氧或CO2等）。教师可以鼓励学生提出问题;在实验探究时，引导学生探究实验操作技能与方法（如移液枪的使用、微生物培养法、血细胞计数板对酵母细胞的计数，推导酵母细胞总数的公式、数码显微镜的使用等）。学生通过亲自研究一个真实的种群数量变化，收集、分析并整理数据，自主建构数学模型。教师引导学生对所建模型进行讨论与分析，从而使学生修正和完善模型，使学生完成对知识的自主构建和深化，并根据构建的模型解决生活实际问题。数学形式能将种群数量的变化规律和本质抽提出来，同时还能预测和控制生命变化的现象和过程。数学模型的建构有利于提高科学思维的品质。

一个成功的数学模型实际是对实验与观察的一种归纳，它将对理论的发展起到路标和检验的作用。马克思曾说，一门科学只有成功地运用数学时，才算达到了完善的地步，生命科学一旦找到了反映它的数学模型就可以进入系统的严密研究阶段了。

总之，模型建构的方法是人们认识世界的一种重要方法，也是理论思维发展过程中的重要方式。在进行一些具体的教学课题研究的时候，模型方法能够帮助研究者更好地发现事物的联系，理解事物的本质，探索未知的规律。高中生物学的模型建构活动不仅能够让学生认识到模型方法的重要的作用，促使学生在日后的学习生活中灵活地运用模型方法，而且能让学生通过探究规律，训练思维，培养生物学学科核心素养。

参考文献：

[1]郭勇，高中生物模型建构教学的初探[J].文理导航（中旬），2013，（11）：75.

[2]罗媛，胡萍.高中生物模型建构教学探析[J].西藏教育，2013， （7）：20-21.