基于深度學習的高中生物模型建構與應用研究

江蘇省泰州市泰興中學 蔣 進

在學科核心素養下，生物核心素養培養的重要目標之一是提高學生的思維與認知能力。其中模型建構能力是生物學科關鍵能力培養的重要目標之一，其主要是輔助學生理解與掌握所學的生物學科知識，增強他們學習生物知識的效果。然而，傳統的淺層學習理念只注重引導學生學習“做題”，不要求學生對相關問題進行批判性思考和分析，影響了他們解題能力的發展。因此，有效地貫徹深度學習理念，促進學生生物模型建構能力發展具有重要的現實意義。

一、深度學習理念在高中生物模型建構與應用中的價值

深度學習，主要是相對于以往的淺層學習而言的一種學習理念，具體就是立足于學生理解所學知識的基礎上，讓他們可以在看待問題的時候使用批判性思維，或者批判性地去學習全新的知識、思想等，之后促進學生知識結構體系的完善與發展。同理，在高中生物模型建構與運用的過程中，如果可以有效地運用深度學習理念，那么同樣可以為生物模型建構提供一個有效的思維方式，對增強高中的生物教學效果，促進學生生物模型建構能力發展，構建有效生物課堂有很大幫助。比如：基于深度學習理念的有效運用，可以在新授課、實驗課、試題講評課等多個教學環節中貫徹生物模型建構理念，這對提高學生自身的生物模型建構能力具有積極的意義。

二、深度學習理念在高中生物模型建構與應用中的策略

（一）建構物理模型，對抽象生物學概念直觀表達

物理模型是高中生物模型構建中最為常用的一類生物模型，主要是指顯示客觀的現實或與客觀事物相似的模型，相應的狀態變量同原有事物之間基本可以維持統一狀態。基于物理模型的構建，可以對相應事物功能與性質進行模擬，力求可以對相應對象進行解釋，可以采用一些特殊的色彩、圖形、符號等來對生命現象的發生與發展，以及生物的生理與結構相關性等形成深刻認知。由于所構建的模型中可以涵蓋眾多生物知識信息，所以可以利用所構建的形態結構模型來有效地表達生物知識。高中生物階段中最為常見的物理模型主要是形態結構模型，如關于生物體形態結構、器官、組織與細胞等的結構模型，尤其是DNA 雙螺旋結構、動植物細胞亞顯微結構等最為常見。因此，為了幫助學生更好地理解與掌握這些抽象、關鍵的高中生物概念性知識，可以采取構建物理模型的方式來開展教學。

例如：在為學生講解動物細胞部分生物知識期間，為了幫助學生對其對應的真核細胞及其構成情況形成深刻認知，可以采取物理模型建構的方式幫助他們學習其中的相關知識。針對這個模型的建構，可以為學生提前準備大頭針、卡片以及多種顏色的橡皮泥等教學器材，引導他們相應地構建真核細胞的三維立體結構模型。在具體的教學過程中，可以依據下述教學流程：首先，在課堂教學期間，教師可以結合生物教材內容為學生認真講解模型的概念、類別以及構建原則等相關理論知識。其次，可以采取小組合作的學習方式，指導學生靈活地運用所提供的教學器材，相互討論和溝通細胞器之間的連接方式以及不同細胞器的顏色，力求在動手制作相應模型的時候突出不同細胞器的結構特點，保證學生可以更加便于觀察。再次，可以讓學習小組的成員分別設定制作任務，使他們可以在有機組合各種細胞器的過程中將動物細胞的真核細胞三維模型完整展現出來。最后，可以采取查漏補缺的方式，引導各個學習小組將所構建的模型展示出來，通過組內自評、組間相互評價以及教師評價等多元評價方式完善物理模型的構建。通過有效地運用所構建的物理模型，可以顯著促進學生科學探究能力、思維能力的發展。

（二）建構數學模型，培養高中生的類比推理能力

數學語言豐富，涵蓋了函數、圖像、計算公式、符號等眾多語言形式。通過有效地運用函數、圖像、計算公式等抽象性數學語言元素，結合生命活動規律等方面生物知識，構建符合生物知識本質的數學模型，可以輔助高中生更好地認識所學的抽象性生物知識。在現階段高中生物教材中，涉及的數學模型眾多，如計算類模型（遺傳規律比例、基因頻率、遺傳病概率、蛋白質合成分子量、DNA 結構中堿基數量與比例等）、種群“J”型增長、能量流動模型等。

例如：在指導學生學習完“大腸桿菌數量變化規律”部分生物知識后，可以借助多媒體設備為學生展示“澳大利亞地區野兔呈現倍數的增長”變化情況，并引導班級學生深入思考“野兔數量快速增長的原因是什么？”“野兔數量增長的變化曲線是何種類型與形式？”等幾個問題。這種深入思考和討論的方式，可以使高中生意識到野兔增長規律和已經學習過的細菌數量增長曲線比較相似。假定在生存空間沒有限制且營養物質充足的條件下，大腸桿菌的種群數量增長的變化公式為N=2n，呈現為“J”型變化曲線。然后教師可以為學生設定“假定的數量為10 只，那么其數量增長的公式會變成什么類型？”這一思考題。隨后教師可以繼續引導高中生推導出Nt=No×λt這一數學模型。這種數學模型建構方式，可以在有效輔助學生理解所學生物知識的同時，促進他們類比推理能力和思維能力的發展，最終可以有效提升他們的問題分析和求解能力。

（三）建構概念模型，發展學生系統邏輯思維能力

所謂的概念模型，主要是采取文字表述的方式來對某一事物的本質特征進行概括，并且可以利用所構建的概念模型來抽象地描述生物學當中所涉及的核心概念、關鍵內涵以及重要外延知識。對概念模型而言，其一般以概念圖的方式進行呈現，可以對改變之間的相關性進行有效表達，同時也可以采取命題的方式來對概念之間的意義與聯系之間進行深刻體現。通過有效地構建這些概念模型，同樣可以幫助高中生更加深刻地理解與掌握所學生物概念的相關性，可以有效地完善學生所構建的生物知識架構，提高他們理解和運用生物概念知識的能力。特別是對那些抽象、繁雜的生物學概念知識，都可以選擇利用概念圖的方式來進行直觀性呈現，以此增強學生學習生物知識的效果。

例如：在高中生物教學中，針對內環境穩態的概念、酶和蛋白質的關系、光合作用中能量與物質的變化、自然選擇學說等都可以構建相應的概念模型。在指導高中生建構生物概念模型器具時，教師可以針對每個章節的生物知識，引導學生自主思考和相互討論，對概念模型建構中涉及的核心概念、次級概念等進行系統化梳理。然后依據概念模型的繪制方式進行自主模仿繪制和建構，借助這一個生物概念模型的構建過程幫助學生對相關的生物概念形成深刻認知，并且在他們深入思考過程中有效促進他們發散思維能力的發展。實際上，概念模型的構建同思維導圖的應用形式比較類似，教師可以在平時生物課堂教學過程中將思維導圖的繪制方式與注意事項傳授給學生，使學生可以結合自己所學的生物知識與重難點，多多構建和應用符合自己生物知識學習情況的思維導圖，最終充分發揮概念模型的作用來全面提高學生學習關鍵生物概念知識的能力。

總之，深度學習側重于學生主觀思維能動性的發揮，強調引導學生開展深入思考和辯證思考，力求借助有效思考方式來全面提高他們學習的效果。在高中生物教學中，可以結合教學內容和要求，引導學生靈活地構建和運用物理模型、數學模型和概念模型等，借助這些模型的構建來不斷提升高中生的生物知識學習效果。