培養學生“模型建構能力”的教學策略

邰玉韋 吳曉麗

《辭海》中的“模型”指與具有原型相似特征的替代物，是系統或過程的簡化、抽象和類比表示。根據代表原型的不同方式，可分為物質模型和思想模型兩大類。模型建構是以研究模型來體現原型的形態、特征和本質的方法，常用模型來描述系統的因果關系或相互關系的過程。而生物學教學中的模型類型一般包括三種：數學模型、概念模型和物理模型。因此，本研究中的“模型建構能力”主要指數學模型建構能力、概念模型建構能力和物理模型建構能力。

1 培養學生“數學模型建構能力”的教學策略

數學工具是數學模型中不可或缺的元素，能夠表現和描述真實世界某些現象、特征和規律的數學系統，常稱之為數學模型。在生物學教學中，教師常常引導學生將數據巧妙地轉化為柱形圖、折線圖、餅狀圖、表格、函數、幾何圖等，建構直觀的數學模型。因其模型形象具體，便于學生從中找到規律，得出正確的結論，也有利于培養學生建構新情境中數學模型的能力，發展思維。

案例1：在植物生長發育過程中，不同的植物對同種無機鹽需求量不同。為直觀求證這個觀點，常常把事實用數字表格形式來呈現，見表1。同一植物不同生長時期對某種無機鹽需要量不同，也可以基于數據用柱形圖表達，如圖1所示。

案例2：鑒于學生對于數字符號比較熟悉，教師可以引導學生在生物學教學中賦予其新的意義，使教學簡單化、容易化和具體化。例如，在學習“細胞分裂”一節時，細胞核中的染色體數目在分裂前后的變化是教學的重難點，某學生就用了數字的形式在黑板上很好地表達了細胞分裂過程中染色體變化規律（圖2）：細胞分裂過程中，染色體中的遺傳物質已經復制加倍，在細胞分裂開始后，分散在細胞中的染色體逐漸排列于細胞的中央，然后染色體平均分成兩等份，向細胞的兩端移動;細胞質也平均分成兩等份，一個細胞變成兩個細胞。親代和子代細胞中染色體在數目和形態上保持一致，對生物的遺傳具有重要的意義，保證物種的連續性。

數學模型的生物學意義是：可以使抽象的概念具體化、抽象的指標定量化、復雜的問題簡單化、難理的概念清晰化。教師利用模型教學，學生會很積極主動地參與到互動的教學環境中，可以在學習過程中進行定量化、可視化分析，利于學生開展更細致的研究。同時，數學模型比較條例清楚，邏輯關系明顯，可以幫助提高學生的系統性思維能力。學生的智能結構不同，興趣和愛好不同，建構知識模型的方式也不同。因此，教師讓學生選擇自己喜歡的方式建構模型，可最大可能發揮學生的主動性、積極性和創造性。

2 培養學生“概念模型建構能力”的教學策略

概念模型是由節點和連線組成的一系列概念的結構化表征。節點表示某一命題或領域內的各概念;連線則表示節點概念間的內在邏輯關系。其主要理論依據是意義學習理論、圖式理論、建構主義理論和最近發展區理論等。繪制概念圖、構建概念模型可以幫助學生更加直接、直觀地理解生物概念的內涵，幫助學生培養良好的學習習慣和思維方式。概念模型既是教師教學的工具，也是學生學習的工具，亦是師生反思的工具，還可以作為有效評價的工具。

案例3：新授課“神經系統的調節”教學中，認識神經系統的組成是學習神經調節的基礎。在蘇教版生物學教科書中，這部分內容摻雜著大量的概念，要讓學生掌握并理解如此之多的概念確實有一定的難度。如何讓學生在有限的時間內理清它們之間的聯系？基于以上思考，同時又能順應概念的認知規律，避免出現死板沉寂的課堂氣氛，可采用構建概念圖的方法，以填圖的方式完成概念圖，如圖3所示。這樣學生能將看起來零散繁多的概念整合起來，從整體框架中把握概念之間的區別和聯系。

復習課上，在學生自主回顧舊知識的基礎上，教師引導學生以概念圖的形式把整章的內容進行串聯并梳理清楚其內在的關聯，有利于學生的思維發展和核心概念的把握，能夠使學生在生物學習中起到事半功倍的效果。

生物學概念的形成并不是一個被動的接受過程，而是一個主動的建構過程。建構的過程需要學生對原有的知識去總結歸納、分析概括，把零散知識進行良好地整合，使知識梳理完整化、關聯化，促進學生的思維發展。教師通過分析、比較、歸納、判斷和推理等思維活動，促進了概念的正確建構與思維能力的培養。課堂上，教師可以多留時間讓學生進行知識概念的梳理。實踐還發現，自主繪畫“趣味概念圖”的形式，學生比較喜歡，效果也比較好，可以讓學生充分展示表達、發展和提升學生的模型建構能力。

3 培養學生“物理模型建構能力”的教學策略

3.1 結構化物理模型建構

生物學教學中，物理模型是指客觀實物或與客觀實物的相似模型，可以直觀地表達認識對象特征的模型。物理模型的類型有多種，根據內容和性質又分為結構型、功能型、動態型和開放型等。其中，靜態的結構物理模型，如蘇教版生物學教科書七年級上冊中的植物細胞和動物細胞結構模式圖、根尖的結構模式圖等。實際教學中，結構化物理模型常常用實物或模擬實物材料和文字組成的結構模型或圖畫形式等直觀地表達重要概念的特征。

案例4：蘇教版教科書中“植物莖的基本結構與功能”的內容較多，教師要精心安排課堂流程，并將重點放在培養學生模型建構能力上。下列教學設計共有三部分：①觀察實物植物的莖;②建構植物莖的結構和功能;③制作植物莖的結構模型。其設計層次清晰，符合學生的認知規律。放手讓學生在“做”中學，教師嘗試讓學生制作莖的結構模型，采用的方式先利用珊瑚樹作為學生觀察的實驗材料，在觀察實物模型的基礎上，注釋各個結構（圖4）;然后，再為學生提供多種模擬材料，讓學生自主選擇材料設計與制作模型。建構過程是對莖的結構與功能再次鞏固和應用的過程，符合學生的認知發展規律。

運用結構化物理模型教學可以幫助學生形成生物學的重要概念，有助于加深對概念的理解，突破教學重難點，促進學生思維能力和創新能力的培養。在結構化物理模型建構培養學生思維的教學中，常用的教學策略有實物展示交流、制作實物貼圖加文字標注、模型制作加文字標注、設計并繪制結構圖等。

3.2 功能化物理模型建構

生物學教學中，物理模型的類型除了有靜態的結構物理模型外，還可以建構功能物理模型。這種模型不僅能直觀表達一定的概念結構，而且在動態演示操作過程中能體現出與結構相適應的功能，如簡易透明呼吸運動模型，人體內的氣體交換和運輸模型、尿液的形成過程模型等。

案例5：蘇教版教科書七年級下冊第四單元第十章第三節“人體和外界環境的氣體交換”、濟南版七年級下冊第二章第一節“人體與外界的氣體交換”、魯教版七年級下冊第二章第一節“人體與外界的氣體交換”等章節中，呼吸運動中膈肌、胸廓及肺的變化關系都是教學的重難點。而且“呼吸運動”也是新課標中要求的一個重要概念，是整個初中生物教學中的重點和難點。由于學生沒有物理學知識作鋪墊，加上胸廓概念抽象不透明不可見，在學習這一部分內容時，學生看不到胸廓變化引起肺部變化的過程。

多數學生的經驗里總認為，是吸氣導致肺增大，進而引起胸廓擴大。教師利用簡易透明呼吸運動模型（圖5），可以突破這一教學難點，使學生能夠清楚地看到呼吸運動中胸廓、呼吸肌及肺的變化關系。該模型既可以用于教師演示，也可用于學生分組實驗。

教師利用功能化物理模型教學，教學效果明顯，可以使抽象概念具體化、直觀化，生動有趣，降低了學習的難度，有效突破了重難點，促進了學生對重要概念的深入理解。

3.3 動態物理模型建構

生物學教學中，物理模型的類型除了有靜態的結構物理模型外，還可以建構動態物理模型。這種模型能夠直觀地動態演示生命過程中所體現出的生物現象和規律，如“人體基因對性狀的控制”動態物理模型，“細胞分裂”動態物理模型等。

案例6：蘇教版教科書七年級上冊第三章第三節“細胞分裂和分化”。課標的具體內容：描述細胞分裂的基本過程。本節課的重難點聚焦在：理解細胞分裂過程中親子代細胞染色體數目的變化和復制。學生雖然對動植物細胞的基本結構和功能有所了解，但對染色體的知識了解還比較少，尤其對比較抽象的細胞的分裂過程感覺陌生和復雜。在實際教學中，筆者創設了如下模型教學情境：用動態物理模型擺一擺，分裂過程中親子細胞染色體的數量變化如圖6所示，展示并評價;用動態物理模型再擺一擺，探究細胞分裂過程中染色體的復制和染色體平均分配如圖7所示，展示并評價。建模是問題解決的基礎。學生在建構中學習，主動發現規律，理解親子細胞染色體的數量和形態應該是一樣，并理解染色體的發生和復制過程。這樣解決了本節課的兩個重難點。

在教學中，教師巧妙地創設與概念屬性相似的動態模型制作體驗活動。學生通過類比聯想的方法，將所得的體驗與將學習的新概念聯系起來，構建新的概念體系。教師就可以借助動態模型的直觀性，發展學生的科學思維。

3.4 開放物理模型建構

生物學教學中，物理模型的制作可以向學具方向發展，具有一定的STEM工程設計制作和探究理念。這種模型可保存和可拆卸，利于小組重復建構。模型材料的選擇具有一定的開放性，制作材料多來自生活，簡單方便，如日常生活用品、各種工藝紙盒、各種有色飲料吸管、廢棄的電話線、一次性餐具、便利貼等，能形象地模擬建構生物學上的重要概念。不同的學生會產生自己不同的研究路徑，其作品的設計和制作充滿學生的創意，如血液循環、神經元等物理模型。

案例7：“血液循環”模型制作課，教師提前一節課給學生做一定的指導，提出制作模型的要求和方法。學生可自己選擇制作材料，如吸管、電線等，根據血液循環的知識，個性化地設計和制作血液循環模型。模型制作要求：①立體模型;②可保存;③可拆卸（最好能夠）;④利用日常生活用品，如盒子、有色吸管、電線、便利貼，能形象地模擬（心臟、血管、血管名稱）;⑤有新創意、作品簡潔明了、美觀。學生興致很高，創意滿滿（圖8），既學會了科學的思維方法，又體驗概念構建過程。

制作開放物理模型的過程一般包括三個環節。①設計環節：首先，師生共同梳理相關概念知識，展示學生優秀作品;然后，布置自制模型的任務，提出制作模型作品的要求;最后，請學生先初步設計模型作品的簡易圖，展示并評價。②體驗環節。各小組利用自帶的各種模型材料，制作和完善各自特色的作品，展示作品和評價。③模型的拓展應用。