基于模型與建模法發展學生科學思維

許云洲

摘 要：通過DNA分子結構及能量流動分析模型在高三生物復習課中的應用，發現模型和建模不僅能有效幫助學生突破學習難點，提高復習效率;同時還發展了學生的科學思維，有利于提高學生的生物學核心素養。

關鍵詞：模型;科學思維;核心素養

《普通高中生物學課程標準（2017版）》指出生物學課程的設計宗旨要發展學生的學科核心素養。生物學核心素養包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任四個方面，其中科學思維包括運用模型與建模等方法，探討、闡釋生命現象及規律，審視或論證生物學議題。可見，模型與建模在高中生物學教學中具有其獨特的應用價值。在高三生物復習課中，教師如果可以正確使用該方法，不僅可以幫助學生提高復習效率，還能發展其科學思維，提升其生物學核心素養。

模型，按照人教版生物必修1教材中的定義是人們為了某種特定目的而對認識對象所做的一種簡化描述，這種描述可以是定性的，也可以是定量的;有的借助于具體的實物或其他形象化手段，有的則通過抽象的形式來表達。而建模，則是根據研究的任務或目的，抽象出被研究對象的本質特征。模型建構過程其實是一個知行統一的過程，需要將已知的知識，通過一定的科學方法，建立新的模型并檢驗之。因此，模型建構對于提高學生的生物學核心素養是大有益處的。

然而，筆者在高三生物復習教學實踐中發現學生對于模型和建模這一方法雖有了解，但在上生物新課時由于多種原因而未能真正理解物理模型或概念模型。正因為如此，筆者在施教的兩個高三班級開展了這一方法的教學實踐與應用，取得了理想的課堂復習教學效果。

一、建構DNA分子雙螺旋結構模型，有效克服認知障礙，提升復習效率

首先，教師分發彩色硬性卡紙、剪刀和訂書釘給學生。然后，要求前后四個學生為一組分工合作，使用剪刀和訂書機在15分鐘內按各自大腦中已有的DNA相關知識完成一個DNA分子的平面結構模型拼接。最后，教師利用智能手機及實時投屏將小組的DNA結構模型投影到黑板的大屏幕上，并邀請學生代表解釋各自模型的含義。

通過小組合作構建DNA分子雙螺旋結構模型，學生能快速回憶起DNA分子的化學組成和結構特點，并通過相互交流及時糾正各自知識認知上的錯誤。例如，有些小組學生剪出了圓形代表磷酸，五邊形代表戊糖—脫氧核糖，長方形代表含氮堿基;而有的小組的學生則剪出了六邊形和雙環結構來分別代表嘧啶和嘌呤。有些小組的模型中兩條雙鏈清晰地展現了反向平行的特點，這些不同之處，在實時展示過程中，教師再進行適當的引導，從而可以使得學生加深對DNA分子化學組成和結構特點的理解，從而提高了復習效率。

學生通過分工合作拼接模型，不僅高效復習了課本知識，還培養了實踐能力、交流能力和合作能力。在反思交流中，學生能相互學習，潛移默化地養成了運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力，發展了學生的科學思維，提升了生物學核心素養。

二、建構能量流動分析模型，有效厘清能量流動方向，強化復習效果

首先，構建第一個營養級的能量來源和去路。學生知道第一營養級——生產者，常通過光合作用來固定太陽能。故教師要求每個學生在2min內利用A4紙和剪刀，剪出一個10cm×10cm見方的紙片，然后提問該部分和剩余部分分別代表什么。學生能根據面積大小說出見方紙片代表生產者固定的太陽能，另一部分代表未固定的能量。教師補充植物僅能利用1%～2%的太陽能，然后請學生討論、思考如何剪開10cm×10cm見方的紙片？此問可幫助學生厘清第一營養級的能量去路：用于自身呼吸消耗的能量（R）和用于自身生長、發育和繁殖的能量（NP）。即10cm×10cm見方紙張可以先剪成大小不等的兩部分，可標上“呼吸消耗量”和“凈初級生產量”。

有學生提出流向下一個營養級和流向分解者，師生共同分析：代表用于生長發育繁殖的那部分紙片才能再剪出三部分：流向下一個營養級、流向分解者和未利用。教師再進一步提問：未利用的這一小片紙最終會怎樣？學生思考后得出最終會流向分解者和下一個營養級。

其次，構建第二個營養級的能量來源和去路。有了第一個營養級的紙片模型，第二個營養級的分析學生便有跡可循。教師巡視并及時利用手機拍攝學生的裁剪情況。再利用投屏將學生成果進行展示并請學生相互評價。教師應該加以強調該營養級的攝入量和糞便量，以區別于生產者營養級。另外需要注意提醒學生次級生產量的辨析。

最后，構建最高營養級的能量來源和去路。該營養級的能量來源與第二個營養級相同，但能量去路卻少了流向下一個營養級。紙片大小根據十分之一法則，只有1cm×1cm，故處理要格外謹慎。

簡單易操作的紙片模型，能直觀地將能量流動的來源去路表現出來。學生也能清晰地掌握每個營養級能量的來龍去脈，同時通過實物紙片大小，學生真真切切感受到能量流動“逐級遞減”的特點，并深刻理解營養級之間能量傳遞效率為10%～20%的原因。

高三復習課，如果教師一味地利用講授法，教學效率和質量都會大打折扣。若能結合教學實際，利用自制模型或者和學生一起建構模型，不僅能提高學生課堂的參與度，促進學生由被動學習向主動學習轉變，從而提高復習效率;而且學生能在復習中主動建構知識，并能夠基于生物學事實運用模型和建模方法，發展科學思維，提升生物學核心素養。

參考文獻：

楚昕穎.構建模型深化教學[J].中學教學參考，2018（8）：83-84.

編輯 杜元元