高中生物學建模教學中如何發展學生科學思維

黃金秋

摘?要?根據模型的不同功能進行高中生物學建模課堂教學的研究，以高中生物學實踐教學的相關案例為載體，采用了“直觀化建模的引導與推進、探究化建模的實踐與使用、邏輯化建模的解釋與預測”三種生物學建模教學為基本策略，以期促進高中生物學教學中科學思維素養的有效達成。

關鍵詞?科學思維素養;高中生物學;建模教學;策略

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A 文章編號：1002-7661（2020）22-0075-02

《普通高中生物學課程標準》（2017年版）公布的科學思維這一學科核心素養，是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，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。學生應該在學習過程中逐步發展科學思維，如運用模型與建模等方法闡釋生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題。具備科學思維素養的學生不僅有能力獲取足夠的知識和技能，也有能力解決科學及生活中的問題。教師要在自己的建模教學課堂中，鉆研模型和建模教學策略，將其應用于課堂實踐教學，培養學生的科學思維，充分達成高中生物學課程的教育目標。筆者就高中生物學教學中如何發展學生的科學思維素養，嘗試基于模型的不同功能，采用建模教學策略進行相應的實踐研究。

一、直觀化建模的引導與推進

在科學研究中取得的科學結論，常常要通過建構模型、研究模型來解釋、預測現象，從而掌握研究對象的形態結構和本質特征。研究表明學生參與建模活動可以形成對知識內容的深入理解，增加解決實際問題的能力。建模活動還具有促進學生對科學本質理解的作用。基本模型介于理論知識和系統概念之間的層次，使基本模型在科學思維的養成中發揮著重要功能。研究表明關注模型的功能進行教學可以加深課堂上學生對知識及模型建構的理解。模型具有簡化的作用，可以用簡單的模型理解復雜的現象。構建簡單模型便于從復雜的系統中抽提重要的要素進行構建，在模型出現問題時，易于找出關鍵點進行修正。開展高中生物學建模教學很重要的一點是為了解決實際的構建模型問題，真正幫助學生深入理解知識。教學過程中，利用實際模型，可以根據學生的思維因勢利導，幫助學生理解和掌握概念和規律，從而更好地運用直觀化建模體驗各種錯綜復雜的生物學概念或生理過程，進行科學思維并應用于實踐。例如，人教版高中生物學必修1《分子與細胞》第3章“細胞的基本結構”一直是教學中的重點和難點，傳統的教學方式是利用教材插圖或者幻燈片展示，在顯微鏡下觀察到的也只是平面結構。學生對這些抽象微觀世界的細胞結構的認知囿于教學方式的限制，往往無法形成細胞結構與功能相適應的生命觀。學生在課堂活動中動手參與細胞三維結構模型的構建，在操作過程中把細胞核以及各種細胞器的形態結構表現出來，通過模型與建模方法質疑細胞結構如何與功能相適應。在自制模型的過程中，激發學生的認知興趣，提高學生的建模能力，推進學生的思維進程。學生在建模過程中得到認知體驗，通過直觀模型的展示，使抽象的問題具體化，有利于學生自己有意識地去獲取知識并進行更深層次的思考。通過高中生物學課程的學習活動，學生應該能運用模型與建模等方法探討生命現象、審視或論證生物學社會性議題;能夠將科學思維作為一種可以帶到每一節生物學課堂并可延伸到日常生活的習慣。

二、探究化建模的實踐與使用

高中生物學教學中，模型在探究一個個新的生命現象過程發揮重要的作用。建模能力是一種探究能力，也是引導學生走向科學思維的途徑之一。在課堂上，教師引導學生利用儲備的科學知識，通過分析討論構建出最具有說服力的模型。例如，在學習人教版高中生物學必修1《分子與細胞》第四章第一節“物質跨膜運輸的實例”時，雖然用肉眼無法直接觀察的微觀結構可以利用光學顯微鏡來觀察，但是教師引導學生在課堂上進行模型建構活動探究動植物細胞的吸水和失水，希望通過學生科學思維獲取更好的結論。在課堂上教師展示兩根相同的白蘿卜條分別置于等量的清水和濃鹽水燒杯中，出現鹽水燒杯中的白蘿卜條變軟，清水燒杯中的白蘿卜條硬挺的現象。通過觀察現象提出問題：植物細胞發生滲透作用吸水和失水？設計課題模型之前，筆者首先引導學生對細胞結構模型展開分析，討論出實驗現象產生的原因是什么，引入原生質層的概念和植物細胞發生滲透作用的條件。在此基礎上，學生的科學思維轉入如何驗證植物細胞的吸水和失水，如何建構“半透膜導致滲透作用”的模型。通過這樣的探究化教學激發起學生的建模興趣，再用構建的模型解釋蘿卜條的生命現象，學生充分體驗建模過程，基于蘿卜條吸水和失水的事實通過邏輯論證說明植物細胞的滲透作用。通過探究化建模過程，利用科學思維途徑使學生真正理解滲透作用原理，學會運用模型與建模等方法探討生命現象解決科學問題。探究化建模教學既有利于學生理解生物學概念，又能促進學生科學思維能力的發展，真正落實新課程理念。

三、邏輯化建模的解釋與預測

“只見知識本位，不見知識本質”是中學一線教學的典型瓶頸現象，教師在生物學教學的過程中更為重視知識表層的了解、識記與理解過程，而常常容易忽視知識背后的學科本質、邏輯方法與思維體系等。教師可以在教學中采用邏輯化建模的教學策略展示思維邏輯、架構知識體系，用模型解釋和預測現象，從而讓學生掌握高中生物學知識中更深層次的本質特征與內在聯系。筆者對人教版高中生物學必修3《穩態與環境》中第五章第二節“生態系統的能量流動”內容進行建模教學的嘗試。課前，教師給出生產者、初級消費者、次級消費者、分解者等模型構成組分。學生根據生態系統的結構知識，得出能量簡單模型（圖1），并明確各組分占據的生物類群。教師提出問題：能量是如何輸入食物鏈的？又是如何在食物鏈中傳遞、轉化、散失的？首先，教師引導學生辨析生產者固定能量的來源，解釋消費者在其中扮演的角色，說明分解者承擔的功能，進一步修正能量流經生產者的基本模型細節。接著，教師提出能量流入初級消費者，請學生討論能量攝入、傳遞以及轉化過程，完善能量流經第二營養級的能量轉化概念模型。經過課堂建模過程，學生不但能用模型解釋“能量流動過程”的現象，也能用模型預測總結（圖2）。邏輯化建模教學中，引導學生通過嚴密邏輯分析把握核心概念，學會如何邏輯思維清晰的使用知識解決問題。

在高中生物學教學中，重視模型和建模的理解，教師有目的地應用建模教學策略在課堂中開展建模活動，引導學生掌握模型和建模知識，能使抽象問題直觀化、探究生命現象解決復雜問題、展示思維邏輯解釋和預測現象、說明生物本質特征與內在聯系。學生在觀察實踐的基礎上，有效開展各種模型建構活動，養成科學思維，并最終利用建模思想探討生命現象、解決各種社會實際問題性。

基金項目：2018年度福建省基礎教育課程教學研究課題“應用建模教學策略?提升學生科學思維素養的研究”，課題編號：MJYKT2018-120;福建省教育科學“十三五”規劃2019年度常規課題“學科核心素養導向的高中課堂教學預設與生成策略的研究”，課題編號：2019XB1194。

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