指向科學(xué)思維的生物學(xué)模型建構(gòu)教學(xué)初探

王景花

科學(xué)思維指尊重并基于事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物、解決實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力。學(xué)生在生物學(xué)的學(xué)習(xí)中要通過基于事實(shí)的歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等方法逐步發(fā)展科學(xué)思維，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律、審視或論證生物學(xué)社會議題。

模型建構(gòu)是針對特定問題，對研究的原型問題進(jìn)行客觀的抽象概括，保留原型的本質(zhì)屬性（結(jié)構(gòu)、功能、過程），以物質(zhì)或思維的形式模擬原型的新客體，它能將原型進(jìn)行簡化和理想化。生物學(xué)是一門研究生命活動現(xiàn)象和活動規(guī)律的科學(xué)，在科學(xué)活動中常會借助三種模型：物理模型（借助實(shí)物或圖片直觀展示原型）、概念模型（借助圖示、文字、符號的形式描述、闡明生命活動的規(guī)律和原理，將隱形知識顯性化）、數(shù)學(xué)模型（運(yùn)用數(shù)字公式、比例關(guān)系、曲線、表格、幾何圖等數(shù)學(xué)形式反映原型）建構(gòu)來認(rèn)識研究對象。模型建構(gòu)是《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》對學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)培養(yǎng)的要求。高中生物學(xué)教學(xué)中的模型建構(gòu)活動，可以讓學(xué)生了解模型建構(gòu)的思想，體驗?zāi)Ｐ徒?gòu)的過程，領(lǐng)悟模型建構(gòu)的方法以培養(yǎng)科學(xué)思維能力。

1 概念模型的建構(gòu)能夠?qū)⑾到y(tǒng)知識聯(lián)系交叉亮點(diǎn)突出

概念模型指以文字表述來抽象概括出事物本質(zhì)特征的模型。模型的建構(gòu)方式有很多種，若只從高中生物所涉及的概念模型來講，它和知識概念樹型流程圖有些相似，學(xué)生通過對所學(xué)知識核心內(nèi)容進(jìn)行一定的分類描述，在初步分類的基礎(chǔ)上再分類，這樣一直不斷的分類，直到將所學(xué)內(nèi)容變得明確完整，這些分類所形成的體系就是一個知識的系統(tǒng)了。學(xué)生們只要熟識這樣的一套知識體系，就能明確相關(guān)知識的全貌了。

例如，人教版高中生物學(xué)《必修2.遺傳與變異》的“染色體變異”一節(jié)教學(xué)涉及的概念有：染色體結(jié)構(gòu)變異、染色體數(shù)目變異、染色體組、二倍體、單倍體、多倍體、單倍體育種、多倍體育種等。如此多的概念在一節(jié)課中密集地出現(xiàn)，如果教師處理不當(dāng)，會導(dǎo)致課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)零亂、教學(xué)環(huán)節(jié)過渡生硬、板書設(shè)計不合理、教學(xué)重點(diǎn)不突出、學(xué)生對概念內(nèi)涵的理解膚淺、解題錯誤率高等問題，影響教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。教師可以染色體為核心概念，引導(dǎo)學(xué)生畫出樹型分類圖;以染色體組為核心概念，通過顯微鏡觀察減數(shù)分裂過程的變化，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)染色體的大小的形態(tài)差異對染色體進(jìn)行分組和編號，從而進(jìn)行染色體的識別和研究;以受精卵中有兩個染色體組的個體引出二倍體的概念，再以雄蜂、香蕉、小麥為例，讓學(xué)生模仿二倍體的定義，嘗試對單倍體和多倍體下定義;或以植物中常見多倍體，引導(dǎo)學(xué)生思考原因，從而建構(gòu)概念模型。

學(xué)生通過構(gòu)建概念圖及核心概念知識網(wǎng)，能理解客觀事物共同特點(diǎn)與本質(zhì)屬性。所有的知識內(nèi)容都圍繞核心內(nèi)容交叉輻射拓展延伸，那么無論之后碰到有關(guān)染色體的任何概念，學(xué)生都可以找準(zhǔn)知識點(diǎn)詳細(xì)準(zhǔn)確地解釋。概念模型的建構(gòu)是學(xué)生形成科學(xué)思維的基礎(chǔ)。

2 物理模型的建構(gòu)能夠?qū)⑾到y(tǒng)知識表述呈現(xiàn)形象直觀

物理模型指以實(shí)物或圖片形式直觀表達(dá)認(rèn)識對象的特征。在學(xué)習(xí)高中生物學(xué)這門學(xué)科時，常常有很多學(xué)生感到困惑：生物學(xué)要學(xué)什么呀？雖然生物學(xué)就是對生命從微觀到宏觀進(jìn)行的研究，研究生命存在的條件、生命的過程、繁殖的方法和規(guī)律、死亡的調(diào)控、死亡的條件、生命中物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)化等過程，但是高中生物學(xué)所呈現(xiàn)出來的知識和初中生物學(xué)有著很大的不同。在初中階段，教師給學(xué)生展示的都是活生生的生物，學(xué)生通過一系列的觀察實(shí)驗很容易就了解到它們從出生到死亡的全過程。而在高中階段，無論是細(xì)胞還是DNA，學(xué)生都無法用肉眼直觀感受到，只能通過教科書上的圖表概念進(jìn)行生命過程的學(xué)習(xí)。這樣的學(xué)習(xí)方式會讓學(xué)生產(chǎn)生困惑乏味。因此，物理模型的建構(gòu)是必然的，它能夠?qū)⑾到y(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能動態(tài)聯(lián)系起來進(jìn)行生動的學(xué)習(xí)。

例如，在人教版高中生物《必修1.分子與細(xì)胞》的“細(xì)胞結(jié)構(gòu)”教學(xué)中，學(xué)生在構(gòu)建不同類型細(xì)胞的物理模型時，很容易發(fā)現(xiàn)原來細(xì)胞這個生命體和普通的生物差不多，它有生存條件、生存方式、繁殖方式，也有相應(yīng)的死亡方式?？v觀一個細(xì)胞的生存狀態(tài)，它不是一個孤零零的狀態(tài)，是生物體結(jié)構(gòu)的基本單位，也有細(xì)胞是能獨(dú)立生存的最小生命，無法用肉眼觀察到。此時，教師就可以把看不到的細(xì)胞轉(zhuǎn)化為可以看到的模型，如制作展示分子在不同濃度的溶液中跨細(xì)胞膜移動的模型觀察，以解釋水分子的跨膜運(yùn)動;制作細(xì)胞分裂過程的物理模型，用于觀察細(xì)胞核內(nèi)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)和細(xì)胞分裂時核內(nèi)染色體的形態(tài)變化;制作不同動植物高度分化的細(xì)胞，用于觀察細(xì)胞質(zhì)中各種細(xì)胞器的形態(tài)結(jié)構(gòu)。這些物理模型都可以給學(xué)生以更感性直觀的視覺呈現(xiàn)，仿佛活生生的細(xì)胞就在眼前展現(xiàn)它的生命過程之美，引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)生命的內(nèi)部結(jié)構(gòu)規(guī)律，培養(yǎng)物質(zhì)與能量觀、結(jié)構(gòu)與功能觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀等生命觀念。

當(dāng)對細(xì)胞的生命過程有了最直觀本質(zhì)的了解時，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)其實(shí)高中生物學(xué)科根本不像想象中那么枯燥難學(xué)。高中生物學(xué)不過是拓寬了學(xué)習(xí)的領(lǐng)域，其內(nèi)涵和本質(zhì)都是一樣的。在學(xué)習(xí)時，學(xué)生需要化抽象為形象，化微觀為直觀，化繁為簡，多思考生命內(nèi)部活動的規(guī)律。物理模型的建構(gòu)有利于學(xué)生形成科學(xué)思維的方法。

3 數(shù)學(xué)模型的建構(gòu)能夠?qū)⑾到y(tǒng)知識本質(zhì)特性抽提把握

數(shù)學(xué)模型是用來描述一個系統(tǒng)或它的性質(zhì)的數(shù)學(xué)形式。高中生物學(xué)知識點(diǎn)多而雜亂，內(nèi)部關(guān)系紛繁復(fù)雜，物質(zhì)形態(tài)變化多端。要分清楚實(shí)屬不易，學(xué)生如果不通過一定的形式來描述系統(tǒng)的性質(zhì)而是按部就班地學(xué)習(xí)，效率肯定是很低的。而用數(shù)學(xué)公式、圖表的模型建構(gòu)能夠很準(zhǔn)確地把事物之間最本質(zhì)的變化和性質(zhì)呈現(xiàn)出來，既直觀又精確還具體。數(shù)學(xué)模型能夠用轉(zhuǎn)化的方式將兩個概念之間的關(guān)系理順，將事物變化的可能方向呈現(xiàn)。通過不斷地對模型進(jìn)行檢驗和修正，就可以對事物的性質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確地表述。

例如，人教版高中生物《必修3.穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》中“酵母菌種群數(shù)量的變化”的教學(xué)目標(biāo)是：完成系列探究實(shí)驗基礎(chǔ)上，統(tǒng)計數(shù)據(jù)，尋找酵母菌數(shù)量變化規(guī)律，建構(gòu)數(shù)學(xué)模型繪制變化曲線。本節(jié)課開始，教師提出的問題：培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量怎樣隨時間變化？培養(yǎng)條件是變量，只有控制好這個變量才能進(jìn)行合理的假設(shè)（如加糖與否，量的多少，通氧或CO2等）。教師可以鼓勵學(xué)生提出問題;在實(shí)驗探究時，引導(dǎo)學(xué)生探究實(shí)驗操作技能與方法（如移液槍的使用、微生物培養(yǎng)法、血細(xì)胞計數(shù)板對酵母細(xì)胞的計數(shù)，推導(dǎo)酵母細(xì)胞總數(shù)的公式、數(shù)碼顯微鏡的使用等）。學(xué)生通過親自研究一個真實(shí)的種群數(shù)量變化，收集、分析并整理數(shù)據(jù)，自主建構(gòu)數(shù)學(xué)模型。教師引導(dǎo)學(xué)生對所建模型進(jìn)行討論與分析，從而使學(xué)生修正和完善模型，使學(xué)生完成對知識的自主構(gòu)建和深化，并根據(jù)構(gòu)建的模型解決生活實(shí)際問題。數(shù)學(xué)形式能將種群數(shù)量的變化規(guī)律和本質(zhì)抽提出來，同時還能預(yù)測和控制生命變化的現(xiàn)象和過程。數(shù)學(xué)模型的建構(gòu)有利于提高科學(xué)思維的品質(zhì)。

一個成功的數(shù)學(xué)模型實(shí)際是對實(shí)驗與觀察的一種歸納，它將對理論的發(fā)展起到路標(biāo)和檢驗的作用。馬克思曾說，一門科學(xué)只有成功地運(yùn)用數(shù)學(xué)時，才算達(dá)到了完善的地步，生命科學(xué)一旦找到了反映它的數(shù)學(xué)模型就可以進(jìn)入系統(tǒng)的嚴(yán)密研究階段了。

總之，模型建構(gòu)的方法是人們認(rèn)識世界的一種重要方法，也是理論思維發(fā)展過程中的重要方式。在進(jìn)行一些具體的教學(xué)課題研究的時候，模型方法能夠幫助研究者更好地發(fā)現(xiàn)事物的聯(lián)系，理解事物的本質(zhì)，探索未知的規(guī)律。高中生物學(xué)的模型建構(gòu)活動不僅能夠讓學(xué)生認(rèn)識到模型方法的重要的作用，促使學(xué)生在日后的學(xué)習(xí)生活中靈活地運(yùn)用模型方法，而且能讓學(xué)生通過探究規(guī)律，訓(xùn)練思維，培養(yǎng)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭勇，高中生物模型建構(gòu)教學(xué)的初探[J].文理導(dǎo)航（中旬），2013，（11）：75.

[2]羅媛，胡萍.高中生物模型建構(gòu)教學(xué)探析[J].西藏教育，2013， （7）：20-21.