基于深度學習的生物模型建構學習策略

金爽

新一輪課程改革以提高學生核心素養為目標，它是落實立德樹人根本任務的重要載體。模型方法是生物學常用的科學研究方法之一。實施“生物模型建構學習策略”，可以改變學生的學習方式，引領學生深度學習，提升學生生物核心素養。

一、生物模型建構學習策略

“生物模型建構學習策略”是指學生在生物學習過程中，利用模型方法建立生物模型，在主動親歷體驗模型建構的過程中，借助模型的特點加深對原型特點的認識和理解，體驗建立模型的思維過程和建立模型的科學方法，運用生物模型解決生物學問題的一種學習策略。

“生物模型建構學習策略”強調學生以小組合作探究的形式進行深度學習。深度學習是一種積極主動、高投入、理解記憶、涉及高階思維并且學習結果遷移性強的學習狀態和學習過程，是學生實現有意義學習的一種方式。

基于深度學習的“生物模型建構學習策略”以模型構建的學習過程為載體，使學生經歷的是知識的發現過程，進行的是深度學習，即把知識的學習與經驗的拓展、思維的發展、情感價值的構建、運用知識解決問題的能力等方面整合起來，培養學生高級思維能力。通過這樣的學習，學生在學習態度上，表現為充滿興趣、具有很高的學習積極性，在建模過程中感覺到快樂和成就感;在學習方式上，表現為變被動接受為主動探究;在學習方法上，表現為合作學習、積極思考、體驗感悟、交流評價;在學習結果上，表現為提升了知識遷移、聯系實際，利用模型解決具體問題的能力和創造等高階思維能力。

二、“生物模型建構學習策略”的實施途徑

（一）圍繞大概念實施“生物模型建構學習策略”

高中生物內容抽象，概念多、難度大，圍繞大概念充分挖掘模型資源，構建不同主題的模型系列，使模型建構主題化、系統化、整體化。通過構建模型的過程，使學生“在做中學，在學中做”，閱讀、觀察、思考、操作、交流，進行深度學習，深刻理解核心概念以及概念之間的內在聯系，形成知識網絡，培養學生的生命觀念。

例如： “蛋白質”一節，是高中生物第一個難點，高一學生缺少一定的有機化學知識，給教學帶來更大的難度。引導學生構建蛋白質這一主題的系列模型。在STEM理念的引領下，創造性地跨學科，利用化學學科常用的球棍模型構建氨基酸的結構模型、脫水縮合的過程模型（如圖1），更加科學準確。用不同顏色的穿孔塑料珠和幾根細鐵絲，構建蛋白質結構多樣性的物理模型。突破重難點，理解核心概念，形成生命觀念。

類似的主題式模型還有“細胞結構模型”系列、“細胞分裂模型”系列、“中心法則模型”系列、“動物和人體生命活動的調節模型”系列等。

（二）結合科學史實施“生物模型建構學習策略”

在“DNA分子的結構”一節的教學中，把教材中的科學史與學生構建模型兩部分內容進行整合，優化課程資源，將沃森、克里克建立DNA雙螺旋結構模型的研究過程轉化為學生邊分析資料邊構建模型的探究過程，把知識的傳授過程優化成一個科學的探究過程。

教師以問題串引領學生分析科學史資料，主動參與探究過程，在構建模型過程中發現問題，共同討論、及時糾正，在合作交流中解決問題。對模型進行評價、修正、完善。這樣不僅獲得了知識，更重要的是體驗著類似科學家科學發現過程中的各種情感，有利于學生養成科學態度和科學精神，培養了學生的社會責任。

構建的DNA分子結構模型還可以在后續的DNA復制、轉錄的學習中繼續利用來構建新的模型。

（三）立足知識整合實施“生物模型建構學習策略”

高中生物內容繁多，細小瑣碎，必須進行有效的梳理，整體把握知識，掌握知識之間的內在聯系，形成知識網絡。引入“思維導圖” “概念圖”等不同建模方式構建概念模型，讓學生成為學習的主體，親身體驗探索、思考、研究和反思、提高的過程，從而學會學習，提高概括能力，掌握終身學習所需的方法。

例如：在復習選修教材生物工程技術時，筆者設計了“生物工程培育哺乳動物”復習專題，在該專題中引導學生建構轉基因動物、克隆動物、試管動物和轉基因克隆動物等過程的模型，使學生在建構模型的過程中整合知識形成網絡，深入理解和掌握各種現代技術的相關重點知識，并主動建構知識網絡，收到了良好的效果。

（四）針對變式思維實施“生物模型建構學習策略”

對一些核心概念、生命現象或生命規律的描述或表示，可以構建幾種不同種類的模型。例如：分泌蛋白的合成與分泌過程，可以分別用物理模型、數學模型和概念模型來描述。

又如：細胞分裂過程中染色體和核DNA的數量變化，可以用坐標曲線表示，也可以用柱狀圖表示，二者屬于數學模型范疇內的不同表示形式。還可以將分裂過程的細胞圖像這種物理模型與數學模型相互轉換，進一步加深學生對核心概念的理解和運用，形成生命觀念，培養多角度思維和探究能力。

（五）基于實踐創新實施“生物模型建構學習策略”

學生在建構模型的動手過程中，自然會發現許多在設計時沒有想到的問題，也隨時都可能涌現出許多新的想法。此時，教師適時地鼓勵學生大膽嘗試創新，跨學科地綜合運用知識解決實際問題，培養學生的科學思維和科學探究能力。

1.建模材料的創新。

在細胞分裂過程模型構建的嘗試中，學生曾選用橡皮泥、白紙片來做染色體的模擬材料，取得了較好的效果，但是也發現兩種模擬材料均存在一些不足，因此教學中，我們鼓勵學生探索新的模擬材料大膽嘗試，最后經比較，評選出最優構建材料——毛根，這是一種操作簡單、造型多變的幼兒手工材料，它顏色鮮艷、可塑性強，能重復使用。選用毛根模擬染色體時，可以通過兩個相等大小的毛根扭動纏繞，很輕易就可以演示一條染色體經過復制變為含兩條姐妹染色單體的狀態，又很容易演示染色單體分離行為，還可以重復使用，體現了方便易得、可操作性強和節約的選材原則。另外，學生還創新采用在毛根某一處粘貼紙的辦法，來標記基因，體驗細胞分裂過程中基因與染色體行為變化的關系，從而更深入理解遺傳的基因分離定律與自由組合定律的實質。對經典模型再利用，延伸了建模活動（如圖2）。

2.建模方式的創新。

在構建“裸巖上的演替過程”的模型時，學生用圖片表示裸巖、土壤和各種植物，雖然直觀形象，但需要準備大量的圖片，且修正起來十分麻煩，效率低。這些困難成為了學生探究新的建模方式的動力，創造性地嘗試利用電子白板的交互功能，構建過程模型，大大減少了模型構建的前期準備時間和成本，又能體現建模的動態過程，而且速度快，便于修正，提高了模型構建的效率，使模型構建這種學習方法更加實用有效。

三、“生物模型構建學習策略”的成果評價

在每個模型系列構建結束后，進行交流評價，結合我校“融情教育”的辦學特色，開展“融情杯”生物模型制作比賽，參賽作品要求有簡要的模型制作說明及創新點，鍛煉學生的科學表達能力，使生生之間、師生之間在交流中實現思維的碰撞，取長補短，教學相長。對獲獎作品進行展覽，對獲獎學生頒發獎杯，并指導學生編輯獲獎作品成果集。

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。”實施“生物模型建構學習策略”引領學生在建模過程中深度學習，內化知識、提升能力、感悟精神，使生物核心素養落地生根。

（責任編輯 徐德明）