摭談模型在初中生物學試題和教學中的運用

吳向陽

摘要：列舉和分析近三年福建省中考試題中模型的使用。提出示意圖顯化自我認知，促進元認知發展;思維導圖串聯主題詞，促進學生知識系統觀的建立;多種模型組合應用，達成對概念深度理解等建模教學措施。

關鍵詞：模型 命題設計 建模教學

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：B

“注重考查思維過程，注重分析和解決問題能力的考查”成為中考命題的方向。在此背景下，初中教學須倡導學科思維的培養與評價。模型與建模是解釋生物現象、表征生理規律和解決生產實踐問題的重要思維方法，在列入高中課標的同時，也應當是初中學段追求的教學目標和教學手段。近三年來，福建省中考統考試題涉及多種模型的考查提醒教師要關注教學中模型的運用。

1紙筆測試中常用模型的摘取及分析

1.1模式圖替代尺度模型，復現實物原型

生物教學中的尺度模型來自對生物體結構放大或縮小的模擬。在紙筆練習中尺度模型變形為生物體結構的“模式圖”，承擔了平面化簡約描述生物外部或內部結構的功能。例如，福建省初中學生畢業和高中階段學校招生考試（簡稱省卷，下同）2017年11題的關節模式圖（圖1）。該題要求學生識別關節結構名稱，完成事實性知識的回憶。

模式圖用作題干背景幫助學生識別結構，考查學生的識記能力。作為對結構的概括性描述，試卷所呈現的模式圖應當是學生理解的結構，而不是學生機械記憶的結構。因此，有些初中試題出現了葉綠體和線粒體的亞顯微結構，或出現了脊髓的灰質和白質等要求學生辨別，就會導致學生對模式圖的“死記硬背”。

1.2圖像和符號示意生理結構，突出生物特征

“結構或生理示意圖”屬于圖像和符號模型中的一類，由圖形、符號構成，承擔了對生物的特征高度提煉和放大的作用。由于它具有“示意”的屬性，通常所呈現的生物結構比例可能失調，但結構特點必須凸顯，如省卷2019年29題（圖2）。該題分別突出了“肺泡增大肺表面積”“腎小球、腎小囊和腎小管的位置關系”“小腸絨毛內具有毛細血管”等特征。

由于示意圖是對原型的一種凝煉而非“仿真”的描述，它的使用依賴于設計者的主觀解釋，因此在試題中使用它的前提是學生熟悉并認同這種“意會”的概括。像圖2這樣，為了試題的科學性及公平性考慮，應對示意圖關鍵部分進行標注提示。

1.3生理曲線圖描述規律，解釋和預期現象

數學模型中的曲線坐標圖用于表達自變量與因變量的關系，生命科學常借助其描述外界因素如何影響生命活動，并對生理現象進行預期和推理。由于生理活動曲線圖的數值來源于取樣測定而非函數式的計算結果，因此其考查要點是對曲線趨勢的解釋，檢驗的是學生能否將相關核心知識的理解，轉化為對曲線中“名、標、點、線”的識別。例如，省卷2019年25題（圖3），學生除了讀懂圖中a、b點表示Y值為零，同時還要解釋它的含義為“當光照達到某值，植物光合作用對二氧化碳的吸收量與呼吸作用對二氧化碳的釋放量相當”;除了讀懂d點甲的二氧化碳吸收量高于乙，還要說明“此時甲的光合作用強度大于乙”……

生理曲線圖運用于試題設計時，命題者確保要將考查的核心概念、識圖關鍵點及試題的設問三者一一對應，才能落實該曲線考查圖文轉化和概念達成的功能。

1.4流程圖將路徑視化，利于整體視角形成

以文字、圖片和符號表達的流程圖屬于系統模型中的一種，用來表征系統的反應路徑，使宏觀過程可視化，如省卷2017年27題（圖4）。該題借助植物體部分器官的模式圖和示意圖的組合，呈現了植物生長發育全過程，讓學生站在“植物體一生的發育”角度重新回顧七、八年級相關內容。將碎片知識放在完整事件中進行思考，可以促進和考查學生整體視角的建立。

除了描述生物的生長發育周期，試題中的流程圖還可描述某項操作的系列動作、某實驗的序列化結果、生態系統中物質變化的路徑等。

1.5概念圖表征概念關系，檢驗概念模型的建立

概念圖以關鍵詞：、箭頭和連接詞將多個概念連接，用以表述它們之間的關系。例如，省卷2018年21題（圖5），要求學生找出能正確表達“染色體、蛋白質、DNA、基因”四者關系的選項。學生沿著箭頭方向閱讀關鍵詞：和連接詞，判斷各結構之間的包含和并列關系，并與自己頭腦中先前建立的概念模型進行比對。最終所選答案暴露了學生對上述概念關系的理解。

用于表達概念關系的方式常見的還有韋恩圖、大括號圖及其他各種形式的思維導圖等。以這些形式命題，同樣可以檢驗學生概念模型的構成。除了上述所列模型外，試卷中還有“不表示數學關系的圖表和表格”模型，如比較表能把復雜內容簡約化，將文字或數據提煉，羅列于表格中一目了然，考查學生閱讀比較、信息轉化的能力。

綜上，近三年省統考試卷的模型使用一覽見表1，呈現以下特點：①模型數量多。試卷中與模型有關的圖形近三年分別達10、13和15個，有的試題同時有兩個或以上模型。模型占比試卷的版面較大，體現了模型在表征知識方面有重要分量。②模型多元化。近三年試卷試題涉及物理模型、數學模型和概念模型等多類型模型，如示意圖、曲線圖、概念關系圖等，有的試題涉及多種模型組合。③思維量增加。比起早年試卷中模型以簡單描述的功能為主，近年省卷加大了概念模型和數學模型的比例，發揮了模型所具有的解釋和預測復雜問題的功能，彰顯運用模型對考查學科思維的價值。上述特點提示教師在教學中重視模型與建模的運用。

2模型運用于教學的幾點反思

2.1示意圖顯化自我認知，促進元認知發展

初中學段的生物學知識大多建立在對個體水平的認知上，因此，生物體結構模式圖的掌握是初中生物學習的重要內容和方法，它來自對結構特點的提煉而成。學生只有經歷體驗和沖突、同化和順應的學習過程，才能對結構模式圖達到深度的理解。教師若直接呈現模式圖，并不能讓學生經歷上述過程。在教學中，可采用讓學生“畫示意圖”的策略，以暴露學生對于某生理構造的前認知。教師將其做為教學的起點和突破點，幫助學生逐步構建科學的模式圖。圖6是某學生在學習心臟的結構這一小節前繪制的心臟結構想象圖。

該示意圖表示了學生學前對心臟的已有概念是“有肌肉”“能收縮”“有血管”……，錯誤認知是“具有收縮功能的不是肌肉而是某一特別結構”“心臟只有一個腔”……籍此，教師可引導學生回憶肌肉組織的作用，觀察心臟模型，設計“心臟注水”的體驗活動等，引發學生產生認知沖突。學生再通過分析、概括，分步建立關于心臟結構的各個概念，將自己的想象圖最終完善為心臟模式圖。上述策略使學生的認知被顯化、反省和修正，幫助學生觀察和評價自我認知，在發展學生元認知的同時，促進其建構知識。

2.2思維導圖串聯主題詞，促進知識系統觀建立

當“無序”的生物學概念進一步結構化和系統化，學生獲得的認知才能趨近自然的原本面目。系統模型能以俯瞰知識的視角，向學生展現知識之間的內在關系，促成其整體認知觀的形成，是教學追求的目標。教師可采用思維導圖策略，引導學生參與系統模型的構建，經歷從知識碎片到整體的建構過程。

思維導圖類型多樣，有圓圈圖、氣泡圖等，具有發散性和層次性的特點。以“人體各系統協調合作”系統模型的建立過程為例，教師首先引導學生繪制關于主題詞“消化”的“圓圈圖”，讓學生以頭腦風暴的形式暴露其內心與“消化”主題有關的關鍵節點詞;再以“氣泡圖”的形式對其中某節點詞如“營養物質”進行擴展——“小分子營養物質最終通過血液循環到達組織細胞”;接著，幫助學生建立“雙氣泡圖”，表達“消化”和“呼吸”這兩個主題詞之間有關概念的對比或關聯，如“消化和呼吸獲得的物質最終都到達組織細胞、都依賴循環系統的協助”等。這些思維導圖的訓練可以幫助學生構建出各個概念間的關系網，形成系統模型，同時讓學生理解科學概念不是孤立的而是有間接和多面的聯系，從而樹立認識自然的系統觀。

2.3多種模型組合應用，達成概念的深度理解

學生對知識達成理解，其表現之一是能夠以多種方式表征知識。模型是對各種材料原型進行加工和改造的結果，不同類型的模型在思維的簡化、結構化和概括化各具不同作用，對模型多元化應用和靈活轉化能促進和檢驗學生的深度理解。例如，圖7可被運用在植物“光合、呼吸和蒸騰”等生理作用的單元整合式學習中，組圖由“植物主要生理作用示意圖、葉表皮和氣孔模式圖、光照與光合強度曲線圖”等模型構成，以單元主題的角度展示相關結構、生理、現象和原理等。教學中，教師經常訓練學生使用宏觀現象和微觀結構模型的轉換，或者概念模型與數學模型的融合，幫助學生對生命活動既有質性描述也有量化分析，對生命現象的認識從表象走向本質。