立足發(fā)展科學(xué)思維 實施概念建模活動

黃珍

【摘要】科學(xué)思維素養(yǎng)是高中生物學(xué)科的四大核心素養(yǎng)之一，科學(xué)思維素養(yǎng)的提升是在運用思維方法的過程中實現(xiàn)。以概念建模活動為平臺，通過情境激趣、問題驅(qū)動讓學(xué)生親身參與概念模型構(gòu)建，在建模過程中滲透科學(xué)思維方法的運用，有效促進學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】概念模型；科學(xué)思維；學(xué)生發(fā)展

科學(xué)思維、社會責(zé)任、生命觀念和科學(xué)探究是《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中提出的四大核心素養(yǎng)。科學(xué)思維是四者中的主要內(nèi)容，是形成生命觀念的重要途徑，也是科學(xué)探究的重要組成部分，因此有效發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)是教學(xué)的目標(biāo)之一。科學(xué)思維素養(yǎng)的提升是在運用思維方法的過程中實現(xiàn)，而建模就是一種思維方法。教師圍繞教學(xué)內(nèi)容開展建模活動，調(diào)動學(xué)生積極動手、動腦和表達，引導(dǎo)他們運用正確的科學(xué)思維方法去認識事物和解決問題，在建模活動中發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維品質(zhì)。

一、概念模型與科學(xué)思維

第一，概念模型。模型是對研究的原型客體在保留其本質(zhì)屬性的基礎(chǔ)上進行一定的抽象、概括并且簡化，包括物理、概念、數(shù)學(xué)三種模型。概念模型指是以文字、符號來抽象概括出事物本身特征的模型。

第二，科學(xué)思維。科學(xué)思維素養(yǎng)是在事實和證據(jù)的基礎(chǔ)上，學(xué)生運用科學(xué)的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習(xí)慣和能力。科學(xué)思維方法的類型有：比較與分類、分析與綜合、歸納與演繹、抽象與概括、建立模型、批判性思維等。新課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生達到科學(xué)思維素養(yǎng)水平是：能認識、形成及表達生物學(xué)概念；概括、揭示生物學(xué)規(guī)律并能表達其內(nèi)涵；在特定的情境能解釋生命現(xiàn)象和預(yù)測未來發(fā)展趨勢或結(jié)果。

第三，概念模型的作用。概念模型的建立就是一種思維活動，可以形成思維的產(chǎn)物——概念。簡化的模型能外化腦中隱形的知識，直觀體現(xiàn)事物間的內(nèi)在聯(lián)系和概念之間的邏輯關(guān)系，能將零碎知識網(wǎng)絡(luò)化，是理解理論和應(yīng)用的橋梁，應(yīng)用概念模型幫助人們認識更抽象更深層次的問題。概念模型建立與應(yīng)用有助于發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維水平。

二、基于科學(xué)思維發(fā)展的概念模型構(gòu)建活動

第一，合理分組，分工明確。哈佛大學(xué)提出小組討論可達到知識吸收效率50%以上。建模活動采用小組合作形式，4-6人一組。分組時充分考慮組員現(xiàn)有思維水平和成績，小組間差異小。活動時統(tǒng)籌工作、記錄、管理紀(jì)律、工具的準(zhǔn)備以及發(fā)言和展示等任務(wù)需分配到個人。小組分工明確，相互監(jiān)督，利于活動有序高效進行。

第二，建模活動的步驟。科學(xué)思維特征的結(jié)構(gòu)是崇尚真知的認知動機—尊重事實和證據(jù)的認知行為—正確邏輯的認知方式—質(zhì)疑和批判的認知品質(zhì)，因此筆者將基于發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的模型構(gòu)建活動創(chuàng)設(shè)成5個環(huán)節(jié)。教師：情境引入激發(fā)認知動機—提供事實和證據(jù)—布置任務(wù)或問題驅(qū)動學(xué)生參與—組織學(xué)生展示并適當(dāng)評價—布置新任務(wù)。學(xué)生：產(chǎn)生興趣—以事實和證據(jù)作為科學(xué)思維的起點—合作和討論，運用科學(xué)的思維方法進行建模—展示成果并表述，質(zhì)疑批判修正—應(yīng)用建立的模型完成新任務(wù)。

三、基于科學(xué)思維發(fā)展的概念建模活動的教學(xué)策略

下面筆者就“生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)”（人教版必修三第5章第4節(jié)）談?wù)劯拍罱；顒拥慕虒W(xué)策略。

1.情境激趣，生成知識

教師設(shè)計有趣的情境，通過巧設(shè)問題引發(fā)學(xué)生分析和綜合來構(gòu)建概念的模型，并通過評估、自我調(diào)整等認知技能對模型進行評價和修正，最終形成概念。例如，在“物質(zhì)循環(huán)的概念”教學(xué)中，筆者創(chuàng)設(shè)情境：“生物圈中物質(zhì)經(jīng)過幾億年利用都沒有減少，說明物質(zhì)可反復(fù)利用，簡單說說你身體中有機物中碳如何成為奧巴馬身體中有機物中的碳。”這個有趣的問題一提出立刻引起同學(xué)們的興趣，并討論了起來。接著，筆者以模型展示學(xué)生的討論結(jié)果：自己（生物）→無機環(huán)境（漂洋過海）→生產(chǎn)者（生物）→奧巴馬（生物）。然后，筆者通過設(shè)計問題讓學(xué)生歷經(jīng)“局部分析→整體綜合→演繹修正”三個過程建立概念“物質(zhì)循環(huán)”的模型。問題如下：①上述過程碳的存在形式有無發(fā)生變化？物質(zhì)循環(huán)的物質(zhì)是元素、化合物還是單質(zhì)？②物質(zhì)在哪里與哪里之間循環(huán)？ ③請你嘗試用簡單的概念圖表示物質(zhì)循環(huán)或提出物質(zhì)循環(huán)的概念……通過活動可以讓學(xué)生積極參與討論，提高分析、綜合、推理的思維能力，促進發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)水平二——能夠以特定的生物學(xué)事實為基礎(chǔ)形成簡單的生物學(xué)概念，并能用文字或圖示的方式正確表達。

2.步驟有序，模型清晰

利用雜亂無章的信息建立成一個清晰顯現(xiàn)概念之間關(guān)系的模型并不容易，構(gòu)建模型時有序的步驟顯得尤為重要。例如，筆者在“碳循環(huán)”教學(xué)中，首先師生根據(jù)碳元素在群落和生物群落無機環(huán)境之間循環(huán)來確立模型中的對象（圖1），讓學(xué)生基于已知的生物事實按步驟構(gòu)建“碳循環(huán)”的模型（圖2）。

活動任務(wù)一：根據(jù)下列步驟，構(gòu)建“碳循環(huán)”的模型。（1）用箭頭表示碳從無機環(huán)境進入群落（寫出生命活動、說出碳的形式） ；（2）箭頭表示碳在群落內(nèi)部中轉(zhuǎn)移途徑（寫出生命活動、說出碳的形式） ；（3）箭頭表示碳進入無機環(huán)境的途徑（寫出生命活動、說出碳的形式） 。

活動任務(wù)二：根據(jù)完善后的模型概括出：（1）碳循環(huán)的主要形式；（2）碳進入群落的途徑；（3）碳返回到無機環(huán)境的途徑。

活動任務(wù)三：根據(jù)模型請分析空氣中二氧化碳的含量增加的原因，由此帶來什么危機？談?wù)勛约旱牡吞忌畈⒄f明理由。

任務(wù)一讓學(xué)生有序地把客觀事物聯(lián)系起來；任務(wù)二讓學(xué)生基于模型進行概括；任務(wù)三需要學(xué)生運用模型解決實際問題。這三個任務(wù)驅(qū)使學(xué)生利用抽象、歸納、概括、批判性思維等思維方法，促進發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)水平三和四——基于事實和證據(jù)，運用歸納的方法概括出生物學(xué)規(guī)律，對可能的發(fā)展趨勢作出預(yù)測，解決實際問題。

3.應(yīng)用模型，啟思助解

知識和技能只有通過學(xué)生的二次歸納和應(yīng)用才能內(nèi)化。運用剛建立的概念模型既可鞏固剛學(xué)的知識，又可理解更深層次的抽象知識。例如，學(xué)生難以理解“能量流動和物質(zhì)循環(huán)是同一過程”。因此，筆者在“能量流動和物質(zhì)循環(huán)的關(guān)系”教學(xué)中布置模型修改活動：請將構(gòu)建的碳循環(huán)的模型修改為能量流動的模型圖（圖3、4）。并分析二者的異同，概括出二者的關(guān)系。此活動通過觀察、比較、分析的思維方法完成，有利于發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)水平四——利用多個相關(guān)的生物學(xué)大概念，通過邏輯推理闡明個人立場。

以概念建模活動為平臺，通過情境激趣，問題驅(qū)動讓學(xué)生親身參與模型構(gòu)建，在建模過程中將科學(xué)思維方法的訓(xùn)練滲透進去，達到知識生成的同時又提高了學(xué)生的思維能力。小組內(nèi)的互助和監(jiān)督提高了構(gòu)建模型成功的可能性，模型的完善過程增強了學(xué)生思維的嚴(yán)密性，應(yīng)用新構(gòu)建的模型提高了學(xué)生理解和解決問題的能力。綜合所述，教師精心設(shè)計模型構(gòu)建活動促進了學(xué)生的科學(xué)思維的發(fā)展。

參考文獻：

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