基于核心素養的高中生物模型教學初探
——以“細胞大小與物質運輸的關系”一課為例

劉 艷 吳小芳

（武漢市洪山高級中學，湖北 武漢）

新的《普通高中生物學課程標準》已頒布，課標的核心內容之一是建構了基于學科性質、學科特點和學科獨特育人價值的學生核心素養框架。生物學核心素養是學生后天習得的終身受益成果，是公民基本素養的重要組成之一，是學生在解決真實情境中的生物學問題時所表現出來的必備品格和關鍵能力。生物學核心素養主要包括生命觀念、理性思維、科學探究和社會責任等。生物學核心素養的提出推動了課程和教學改革，教學思想方式的改變，教育模式、內容的轉型和重塑。由此，如何實施基于學科核心素養的課堂教學引發了社會各界的普遍關注。“模型與建模”是課標中規定的高中生必須掌握的科學方法之一，在高中生物教學中舉足輕重。在正確地建構模型的過程中，學生能較好地理解核心概念，學會尊重事實和證據，形成嚴謹、務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題，形成生命觀念，逐步發展理性思維，提高探究能力和社會責任意識，從而提高生物學核心素養。

一、基于核心素養的“細胞大小與物質運輸的關系”教學設計

（一）教學思想

“細胞大小與物質運輸的關系”是通過運用物理模型模擬細胞的物質運輸來探究細胞大小與物質運輸效率的關系，從而理解細胞不能無限長大的原因以及細胞通過分裂增殖的必然性。因為細胞肉眼不可見，所以，物質的運輸相對來說較難觀察，并且細胞的物質跨膜運輸有三種方式：自由擴散、協助擴散和主動運輸，后兩者相對比較復雜。教材選取最簡單、最直觀的方式，運用NaOH擴散進入含酚酞的瓊脂塊這一物理模型來模擬物質自由擴散進入細胞，可幫助學生更加直觀地認識細胞的物質運輸，培養了學生的模型建構能力，對學生后續學習細胞增殖內容中“染色體的行為變化”、建構物理模型有很重要的鋪墊和啟發作用。與此同時，學生在進行實驗結果的處理和分析時，需要用到相關數學方法，這不僅體現了學科之間的融合，還讓學生初步建立了數學模型，對后續學習細胞增殖過程中“染色體”“DNA”數目變化的數學模型建構起了很好的鋪墊作用，更為重要的是啟發學生在生物學習中學會利用數學思維和方法，表現、解釋、提煉出生命規律和生命現象的本質。因此，本課時的內容學習對后續生物學知識學習很有幫助，特別是在實驗教學過程中對學生理性思維的培養、生物科學素養的養成具有重要作用。

（二）教學目標

知識目標：

1.理解細胞表面積與體積的關系以及細胞大小與物質進出的關系；

2.概述細胞不能無限長大的原因。

能力目標：

1.用瓊脂塊模擬細胞，NaOH模擬運輸物質，學生建構物理模型；

2.用表格記錄實驗數據并轉化成圖形，分析結果，得出結論，學生初步構建數學模型并理解概念；

3.通過小組合作，學生提高協作能力、動手能力、表達能力。

情感態度與價值觀目標：

1.學生體驗探究過程，提高批判性思維，養成實事求是的科學態度、嚴謹認真的治學精神。

2.學生培養合作精神。

（三）教學重點

對實驗結果的處理和分析。

（四）教學難點

物質運輸效率和運輸速率的區別；如何分析數據得到結論。

（五）教學準備

以小組為單位準備如下材料：邊長分別為1cm、2cm、3cm的含酚酞的瓊脂塊各1塊，0.1%的NaOH溶液，燒杯、濾紙、小刀、尺子、托盤筆。

（六）教學過程

學生活動 設計意圖課前預學 分析學生預學問題，精選習題讓學生完成，利用信息技術收集結果。 課前預習實驗，了解實驗原理和過程并完成學程上自學內容。 預學反饋教學流程 教師活動新課導入了解學情導入新課，引導學生對實驗原理和操作中注意的事項進行分析。師：大家都知道，多細胞生物體的長大靠的是細胞體積的長大和數目的增多。那為什么細胞不能無限長大呢？有一種說法認為，細胞體積越大，需要的營養物質就越多，細胞膜的負擔就越重，從而限制了細胞的生長。但是有的同學認為：細胞越大，細胞膜的表面積也越大，物質運輸應更多。到底誰對誰錯，空口無憑，我們今天就通過實驗來判定，拿數據說話。由于分子不可見，物質進出細胞不可見，所以我們今天利用物理模型來探究細胞大小與物質運輸的關系。課前大家通過自主學習完成了探究實驗中提出問題到實驗設計這幾個環節，同學們都做得很棒！部分同學對物質運輸效率這一概念還不理解，運輸效率指的是相同時間內NaOH擴散總體積和瓊脂塊體積之比，是百分比。對思考題3：操作應注意哪些事項？請同學們各抒己見，到底是大的細胞運輸效率高，還是小的高？在實驗中還需注意什么？下面我們就動手親身體驗。預學反饋學生發表自己的看法。1.布置合作學習任務和要求。2.巡查各小組合作學習狀態和實驗進程，并做及時的指導。3.引導學生分析實驗過程中遇到的問題。師過渡：下面請同學們按照你們的分工開始實驗，請大家注意時間和任務。時間：10分鐘。該環節任務：（1）瓊脂塊的浸泡（10分鐘）；（2）同時完成表格第1、2、3列和圖（1）的繪制（并上臺展示）小組合作及分工：6人一個大組，其中3人一個實驗組。實驗組員分工：1人負責實驗操作，1人負責實驗數據記錄，1人負責結果展示。師：時間到，請大家取出瓊脂塊，開始進行實驗數據的采集和處理。該環節任務：（1）擴散深度的測量；（2）數據的記錄和處理，表格、圖像的完善。實驗組員分工：1人負責實驗操作，1人負責實驗數據記錄，1人負責結果展示。合作探究表圖轉換建構模型合作探究進行實驗學生動手進行實驗操作，完成學程并記錄實驗結果。1.瓊脂塊的浸泡。2.擴散深度的測量和數據的處理。3.實驗部分結果的展示。實驗結果展示和分析組織學生展示各小組實驗結果，分析實驗結果的差異（以教師提問、學生回答、互相補充、教師點評的形式進行）。選取幾個小組將實驗記錄表格中數據、相對表面積與瓊脂塊邊長關系坐標圖、運輸效率與瓊脂塊邊長關系坐標圖在黑板上進行展示。師過渡：幾個小組的展示已經完成，請大家看看跟你們的有無差異？下面請一個小組講解他們如何完成表格和圖像的。師：實驗中有同學發現，瓊脂塊每個面擴散的深度一樣，這是為什么？老師又發現，有的同學同一塊瓊脂塊，各面的深度有差異，這是為什么？請你們小組內部討論下。不同小組的擴散深度好像也不一樣，請大家分析原因。學生對教師的問題進行思考。1.小組派代表介紹展示本組的實驗結果（圖和表），并分析數據處理結果。2.分析影響實驗結果的原因。其他小組認真聆聽并分析數據和結果，準備評價。生1回答：指的是擴散速率，同一組內擴散速率是相同的。生2回答：瓊脂塊可能有破損，所以不同面深度不一。生3回答：可能是各組放入的時間不同，也有可能有的攪拌快，有的攪拌慢。成果分享分析數據的處理得出結論組織學生評價展示小組的內容，并分析數據的規律，引導學生得出結論。師：其他小組覺得這幾個小組表現如何？從表格和圖分析，你們能得出什么結論？師再次強調結論：細胞體積越大，其相對表面積越小，細胞的物質運輸效率就越低。細胞表面積與體積的關系限制了細胞的長大。師：除了細胞表面積與體積會限制細胞的生長，還有哪些因素也會影響？小組派代表評價展示小組的內容，并分析規律，得出結論。生回答：細胞體積越大，其相對表面積越小，細胞的物質運輸效率就越低。細胞表面積與體積的關系限制了細胞的長大。生：核質比。分析數據規律

續表

二、基于核心素養的模型教學策略

模型方法是研究模型來揭示原型的形態、特征和本質的方法，是邏輯方法的一種特有形式。中學生物中模型一般分為概念模型、物理模型和數學模型三類。

生物模型建構符合從感性到理性的認知規律，能促進學生認知水平的發展；有利于對學生進行科學方法的訓練，對知識的理解和記憶，使復雜的實際問題簡單化，形成完整的知識體系，提高學生的學習效率；能訓練學生的想象力，激發興趣，培養創造力和批判性思維能力，提高學生的生物學核心素養；還可以提高教師的教研能力，更新教師的教學理念，增加師生互動的機會，使師生的關系更加和諧。

生物教學模型的恰當使用可以提高學生學習效率，提高學生的生物學核心素養，但是這需要教師強大的組織能力和掌控能力。基于以上的分析，我認為模型教學應該從以下幾個方面來實現生物學核心素養目標的達成。

（一）教師充分解讀教材，挖掘核心素養

教師在進行教學設計之前，需要充分挖掘模型教學內容所涉及的生物學核心素養。生物學核心素養主要包括生命觀念、理性思維、科學探究和社會責任等。概念模型通常以概念圖的形式出現，表達概念之間的相互關系，體現知識的網絡構架。通過畫概念圖等方式建構概念模型，有利于對概念知識的理解和聯系，可以幫助學生在了解生物學概念的基礎上形成生命觀念，如結構和功能觀、進化與適應觀、穩態與平衡觀、物質與能量觀等。物理模型可以將抽象的東西具體化，利于學生理解知識，同時制作模型的過程能激發學生興趣，培養學生的創造力和合作力。數學模型使學生學會用數學建模的方法去認識事物、解決實際問題，學會觀察分析和設計實施方案，并交流和表達，尊重事實和證據，養成嚴謹和務實的求知態度。因此教師要善于挖掘教材內容，選擇合理的模型去突破核心知識，提高學生的核心素養。

（二）教師精心設計教學，體現核心素養

模型類型的恰當選擇和不同模型的恰當安排與組織對教學有著很大的影響，因此，教師在教學之前要充分分析學情，了解學生的特點和興趣所在，依據學生的需求來合理選擇模型。不同類型的模型能為學生提供多角度、多方面的知識，不同類型的模型會涉及不同類型的活動，能激發學生的學習興趣和求知欲，能充分發揮學生的主觀能動性，有利于學生多方面能力的培養，提高學生的生物科學素養，提高學生的學習效率。在模型建構前，教師要對教學資源進行有效整合，可利用課前導學案、課上自主閱讀、討論、微視頻觀看等方式對知識適時鋪墊，更好地利于學生對模型的認識和理解。對模型的建構過程，教師要設計適當的探究問題，讓學生體驗科學的探究過程，在建立模型的過程中學會觀察和統計的方法、實驗的方法、歸納與演繹的方法、假設的方法等，在探索與發現中發現其中的要素與關鍵之所在。

總之，模型可使生物課程的學習成為一個有思維過程的自主的、合作的、探究的學習過程，模型的建構不僅有助于學生對知識的梳理和知識體系的建立，而且可有效地發展學生自主探究、合作與批判、反思與創新等能力，提高生物學核心素養。