在概念模型建構中發展學生學科核心素養

山東

模型方法作為一種現代科學認知手段和思維方法，在高中生物學教學中得到廣泛應用。在高考復習階段，不論是基礎知識教學還是習題講評，幫助學生建立生物模型，培養學生模型意識，是發展學生學科核心素養、提高學生能力的重要途徑和訓練學生掌握科學方法的有效學習活動。在常見的生物模型中，建構以文字表述來抽象概括出事物本質特征的概念模型尤其重要。以下是筆者在高三復習教學中與學生建構的幾種概念模型與教學反思。

1.理順關系的流程圖

流程圖原本是計算機語言中以特定的圖形符號加上說明表示算法的圖，是流經一個系統的信息流、觀點流或部件流的圖形代表。在習題講評時，以問題解決為目標，借鑒該種方法，將相關的原理建構為概念模型，可以幫助學生理解其規律與本質，厘清來龍去脈，增強綜合分析能力。

【例1】如圖1 所示為糖的常見種類及其轉化，下列相關敘述正確的是 （ ）

圖1

A.核糖和脫氧核糖是核酸的基本組成單位

B.單糖→二糖→淀粉，其中單糖指的是葡萄糖

C.圖1 中①可能是肌糖原，在人體內該糖原水解可以補充血糖

D.圖1 中②可能是纖維素，是植物細胞壁的主要成分之一，在葉綠體內合成

【答案】B

①一般地說，生命活動所需要的能量最終來自太陽光能。葡萄糖是光合作用的主要產物，在葉綠體中合成，并可進一步聚合成淀粉，還可轉化為其他糖類、氨基酸及脂質。

②葡萄糖是細胞呼吸最常用的底物，是細胞生命活動的主要能源物質，有有氧呼吸與無氧呼吸兩種氧化途徑；細胞呼吸所用的葡萄糖一般最終來自光合作用。

【建構模型尋根據】

圖2

③葡萄糖、果糖和半乳糖屬于單糖中的六碳糖，為還原糖，可與斐林試劑生成磚紅色沉淀，它們可以不同組合聚合形成麥芽糖、蔗糖和乳糖。其他單糖還有五碳糖：核糖和脫氧核糖，是組成核糖核苷酸和脫氧核苷酸（分別是RNA、DNA 的基本單位）的重要成分。

④糖原和淀粉分別是動、植物細胞中的重要儲能物質（主要儲能物質是脂肪）。人和動物體內合成糖原的葡萄糖主要來自對食物中淀粉的消化吸收，而食物中的淀粉和纖維素的合成原料葡萄糖均來自植物（葉綠體）光合作用。這些多糖的基本單位都是葡萄糖。

⑤纖維素在細胞膜上合成（因為細胞膜上有纖維素合成酶復合體），是植物細胞壁的主要成分，起支持和保護作用。在植物體細胞雜交過程中，可用纖維素酶和果膠酶去除細胞壁，以獲得原生質體。植物細胞由于有細胞壁的支持與保護及細胞核、細胞器等具膜結構，而不如哺乳動物成熟的紅細胞更適用于制備細胞膜。

⑥細胞壁是全透性的。成熟植物細胞質壁分離的原因是原生質層比細胞壁的伸縮性大，在高滲溶液中，由于液泡失水而使兩者分離。

⑦動物體內，胰島素可促進細胞將血糖氧化分解，或合成肝糖原與肌糖原、轉化為脂肪等非糖物質，以降低血糖水平；胰高血糖素、腎上腺素則可促進肝糖原水解為葡萄糖、非糖物質轉化為葡萄糖，以升高血糖水平。肌糖原可氧化分解為骨骼肌供能，而不能水解為葡萄糖。

⑧光合作用與細胞呼吸連通了無機環境與生物群落，在維持細胞的能量供應、生態系統能量流動與碳循環方面起著重要作用。

【依據模型作判斷】據圖2 模型可知：核酸的基本組成單位是核苷酸而非五碳糖；淀粉的基本組成單位是葡萄糖；人體內缺乏肌糖原水解酶，因而肌糖原不能水解成葡萄糖，其只用于為肌肉細胞供能，肝糖原可用于血糖補充；組成植物細胞壁的纖維素不在葉綠體內合成，其合成場所為細胞膜上。B 選項正確。

可見，該模型基于問題但不拘泥于問題，在幫助學生解決當前問題的同時，拓展知識聯系，有利于深化對相關知識的理解，有綱舉目張之功效。

2.追根溯源的魚骨圖

科學發現史中蘊含的思想、方法、原理等，是許多問題的來源。借鑒發現問題“根本原因”的魚骨分析法（又名因果分析法），繪制魚骨圖概念模型，可將概念形成的思路、方法、條件和結論清晰地呈現給學生，在幫助學生克服疑難的同時，讓學生學會學習，發展其科學思維與科學探究素養。

【例2】下列哪項事實能說明DNA 是主要的遺傳物質 （ ）

A.人們確認絕大多數生物的遺傳物質是DNA 之后，發現某些病毒的遺傳物質是RNA

B.噬菌體侵染細菌的實驗表明DNA 在親子代噬菌體之間起橋梁作用

C.艾弗里的體外轉化實驗表明，只有加入S 型細菌的DNA 才能使R 型細菌轉化為S 型細菌

D.人們得出染色體與生物的遺傳有關之后，發現染色體的主要成分是DNA 和蛋白質

【答案】A

【建構模型尋根據】

圖3

①“DNA 是主要的遺傳物質”這個結論的得出，伴隨著科學技術的進步，經過不同科學家前赴后繼的努力。

②格里菲思與艾弗里的肺炎雙球菌轉化實驗，共同組成了“提出問題—作出假設—實驗驗證—得出結論”的完整科學探究過程。

③格里菲思、艾弗里和赫爾希、蔡斯的探究實驗采用了對照實驗，艾弗里和赫爾希、蔡斯實驗思路均為“設法將DNA 與蛋白質等分開，單獨、直接地觀察它們各自的作用”，但兩者的方法技術不同：前者為成分分離提純技術，后者則運用了放射性同位素標記技術。他們的實驗結論均為DNA 是遺傳物質。

④病毒重組實驗證明RNA 是某些病毒的遺傳物質。

⑤所有細胞生物的遺傳物質都是DNA，非細胞結構的病毒的遺傳物質是DNA 或RNA。即“DNA 是主要的遺傳物質”是對大量相關實驗結論歸納概括得出的結論，不是某一個實驗的結論。

⑥染色體主要成分是DNA 和蛋白質，是遺傳物質的主要載體。

【依據模型作判斷】從圖3 模型中不難看出：人們確認絕大多數生物的遺傳物質是DNA 之后，發現某些病毒的遺傳物質是RNA，說明DNA 是主要的遺傳物質。赫爾希、蔡斯的噬菌體侵染細菌的實驗表明DNA 在親子代噬菌體之間起橋梁作用，只能說明DNA 是遺傳物質，但不能說明DNA 是主要的遺傳物質。同樣，艾弗里的體外轉化實驗表明，只有加入S 型細菌的DNA 才能使R 型細菌轉化為S 型細菌，這說明DNA 是遺傳物質，但不能說明DNA是主要的遺傳物質。人們得出染色體與生物的遺傳有關之后，發現染色體的主要成分是DNA 和蛋白質，這不能說明DNA 是主要的遺傳物質，只能說明染色體是遺傳物質的主要載體。A 選項正確。

一個魚骨圖，將概念形成的漫長而復雜的歷程、思路、方法，按時間順序清晰地呈現給學生，使學生間接體驗了概念形成的過程，同時又可幫助學生澄清認識，深化理解。

3.序化知識的結構圖

學科復習教學的目的之一，是讓學生形成科學、合理的知識體系（將厚書看薄），為學生遷移應用、分析判斷問題、解決生產生活中的實際問題（將薄書看厚）奠定基礎。例如，在復習完必修2《遺傳與進化》模塊后，從遺傳物質結構層次入手建構了如圖4 所示模型。

圖4

這個概念模型有以下特點：

（1）以元素→磷酸、堿基、脫氧核糖→脫氧核苷酸→脫氧核苷酸鏈→DNA→染色體由小到大的物質結構順序建構主鏈，從每一個節點展開形成“面”，利用不同節點間的關系形成“體”，符合學生的認知規律。

（2）在每個節點及不同節點的相近或相異的概念間，均可比較其異同，有利于厘清概念的內涵、外延以及概念間的關系。

（3）在每個節點，都可以聯系相關知識，進而與必修1、必修3 及選修教材中的知識點相關聯，最終將高中生物所涵蓋的知識形成一個總的知識體系。

4.教學反思

（1）在解決問題或基礎復習時建構概念模型，可以幫助學生從不同視角認識生命現象的本質、相互關系或特性和生命活動規律，形成理解或解釋生物學相關事件和現象的意識、觀念和思想方法，即形成科學的生物學概念和生命觀念素養。

（2）在建立概念模型的過程中，不僅需要理解每個概念或對象的內涵與外延及彼此間的相互關系，還需要通過對大量的概念或對象分類并揭示其共同本質，進而用彼此之間的關系來表述，用文字與符號突出表達概念或對象的主要特征和聯系。這需要歸納與概括、分析與綜合、演繹與推理、批判性思維、創造性思維等方法，有利于幫助學生養成尊重事實和證據，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。

（3）概念模型可以是概念等基礎知識型的，也可以是科學實驗、科學方法型的，還可以是兩者整合型的，既可反映出生命本質與活動規律，又可闡明科學探究的基本思路、常用方法，有利于學生在形成生命觀念的同時，增強實踐能力與探究精神，促進理論與實踐有機結合，增強學生應用相關原理解決現實生活與生產實踐問題的能力。

綜上所述，高中生物復習教學中建構概念模型以解決生物學問題，不僅能使學生形成學科知識與科學方法框架體系，更有利于提高學生的綜合能力與學科核心素養。