模型能力框架及其對高中生物學模型與建模教學的啟示
——以“生殖細胞形成過程”中的模型與建?；顒訛槔?/h1>
2021-04-08 03:09:22閆孟宸鐘能政魯亞平
中學生物學 2021年1期
閆孟宸 鐘能政 魯亞平
（1.安徽師范大學生物教育研究中心 安徽蕪湖 241000）
（2.安徽省教育科學研究院 安徽合肥 230001）
模型與建模是教授科學素養的有效教學工具，也是公民在日常生活中參與科學討論與決策的關鍵要素。模型能力框架作為分析學生對模型的理解及其在科學中應用的理論框架，在科學教育中占有重要地位，只有在深度分析學生模型能力框架的基礎上開展模型與建模教學活動，才能促進學生對模型的理解和建模能力的提升。生物學是科學教育的重要分支，高中生物學教學中包含豐富的建?；顒?，模型能力框架作為理解模型與建模知識的理論框架，如何將其應用于高中生物學模型與建模教學實踐中？下面以生殖細胞形成過程中的模型與建?；顒訛槔?，從模型能力框架的5個維度分析。
1 模型能力框架的基本含義
2010年，德國學者Upmeier zu Belzen和Krüger通過整合關于模型的理論文獻和相關的實證研究，提出了模型能力框架，又稱為模型能力的理論結構，或學生理解模型及其在科學中應用的理論框架，用于描述學生對模型和建模的理解。Upmeier zu Belzen和Krüger定義了學生理解模型和建模的5個維度：模型的本質、同一事物（現象/過程）的多元模型、模型的目的、檢驗模型和修改模型，每個維度又細分為3個水平，具體見表1。這三種水平代表了一種不斷增長的對模型與建模進行反思的能力。每一個維度的第三水平都與模型作為理論重構和科學研究的工具有關，通常，這被視為科學教育的目標之一。因此，這三個水平描述了關于學生應該了解的生物學或科學中的模型和建模知識，能夠理解第三等級中所描述的各個方面觀點的學生對模型與建模的理解更為科學。
表1 模型能力框架
Upmeier zu Belzen和Krüger的實證研究表明，只有極少數學生能夠達到第三級理解水平，多數學生處于第一級和第二級；學生對模型與建模的理解具有學科特異性，在物理和化學學科中常涉及到較抽象的模型，并且更多是運用模型的解釋和預測功能；而在生物學科中常涉及到較具體的模型，更多的是運用模型的描述功能。
2 學生模型能力框架對高中生物學模型與建模教學的幾點啟示
2.1 高中生物學模型與建模教學應發展學生對模型本質的理解
模型能力框架中對模型本質的理解水平由低到高分別是原事物的復制、原事物的理想化表示和原事物的理論重構。原事物的復制包括對原事物的精確復制和與原事物有極大的相似性。原事物的理想化表示是指根據特定的目的用模型表示原事物本質的、核心的特征或聚焦于原事物的某一方面。原事物的理論重構是對模型本質最高水平的理解，將模型的本質從具體水平上升到抽象水平，注重學生通過模型與建模強化思維過程，發現知識之間的聯系，實現知識的整合與重組。以減數分裂的物理模型為例，學生僅理解為為了重現減數分裂的過程而制作的減數分裂各個時期放大的模型，類似于嚴格按比例放大的真核細胞細胞器的模型，屬于第一水平的理解。學生認識到模型重點展示了減數分裂本質的、核心的特征如同源染色體的聯會和分離，非同源染色體的自由組合等，屬于第二水平的理解。學生能夠通過模型將減數分裂與有絲分裂相聯系，認識到兩者的異同；能夠將減數分裂與孟德爾遺傳定律相聯系，強化對染色體與基因關系的理解，提升解決遺傳問題的能力，屬于第三水平的理解。
學生對模型本質的理解是一個由形象到抽象，由刻板印象到形成復雜理解的進階過程，發展對模型本質的高水平理解是有效建模的基礎。在高中生物學模型與建模教學中，教師應引導學生從對模型本質簡單形象的理解逐步過渡到復雜多層次的理解，發展學生對模型本質的理解水平，增長對建模理論知識的認識。
2.2 高中生物學模型與建模教學應引導學生建立同一事物的多元模型
同一事物的多元模型是指同一事物可被多個模型表示，即模型不具有唯一性。模型能力框架中同一事物的多元模型包括原事物不同屬性的模型、聚焦于原事物的不同方面和關于原事物的不同假設三個水平。生物學教學中，學生通常從染色體水平建構模型學習生殖細胞的形成過程，即建構減數分裂的模型——首先建構直觀、形象的物理模型，然后根據物理模型總結相關特點，建立概念模型，最后歸納染色體和DNA的變化規律，建立相對抽象的數學模型。由此可見，不同模型之間是相互聯系且可以相互轉換的，對同一現象可以建立不同類別的模型，屬于第一水平的理解。對于生殖細胞的形成這一過程，也可以從器官、激素的作用水平建立模型。例如，教師引導學生建立精子和卵細胞形成過程中激素作用的概念模型，促使學生明確相關器官和激素的作用，促進學生理解精子和卵細胞形成過程的激素調節機制，使學生掌握生殖細胞形成過程中除了染色體的變化還有激素水平的變化，豐富學生的知識，這屬于第二水平的理解。此外，教師還可以引導學生針對原事物不同的假設進行建模。例如，在學習減數分裂時，教師提出問題：配子中是否存在同源染色體？學生可以建立兩種不同的假設：①配子中存在同源染色體；②配子中不存在同源染色體。學生基于假設建構起點和終點細胞中的染色體模型，以驗證哪種假設正確。在學習精子形成過程中激素的調節作用時，教師提出問題：若使用某種抑制物抑制下丘腦釋放促性腺激素釋放激素，精子的產生會發生什么變化？學生針對這一問題，提出假設，并通過建立模型驗證哪種假設正確，這屬于第三水平的理解。
在高中生物學模型與建模教學中，教師應引導學生思考：同一事物或現象是否可以有多個模型？怎樣對同一事物或現象建立多個模型？同一事物的多個模型之間有什么聯系與區別？對同一事物或現象建立多個模型有什么意義？通過思考以上問題，學生豐富對同一事物多元模型的認識，促進對原事物細節的關注。教師引導學生在建?；顒又薪⑼皇挛锏亩嘣Ｐ?，以促進對相關知識的理解；并且在建立不同類別的模型基礎上，引導學生建立聚焦于原事物不同方面和關于原事物不同假設的模型，發展學生的發散思維，提高學生提出假設進行論證的能力。
2.3 高中生物學模型與建模教學應豐富學生對建模目的的認識
模型能力框架中模型的目的包括對原事物的描述、對原事物中某些關系的解釋、對原事物中某些關系或變量的預測三個水平。這三個水平并不是相互排斥的，同一模型可能兼有三種目的。例如，根據減數分裂的物理模型，說明何為同源染色體、姐妹染色單體、四分體；描述減數分裂的過程，染色體、DNA的變化；解釋染色體變化與DNA變化的關系，減數分裂Ⅰ與減數分裂II的關系，產生精子和卵細胞過程的異同；預測減數分裂Ⅰ同源染色體未正常分離會導致什么結果？減數分裂Ⅱ姐妹染色單體未正常分離會導致什么結果？在減數分裂前，向原始生殖細胞注射某種抑制DNA復制的藥物會導致什么結果？以上結果是否會導致某種遺傳病的發生？
學生對建模目的的認識可能具有局限性。在高中生物學模型與建模教學中，教師常運用模型進行描述和解釋而較少進行預測，因此應豐富學生對建模目的的認識，使學生明確模型對原事物的描述和解釋是預測的基礎，教師應引導學生建構模型描述和解釋原事物，在掌握原事物的特征和物質變化關系的基礎上對某些現象進行預測。
2.4 高中生物學模型與建模教學應培養學生檢驗和修正模型的能力
建模是一個動態的、復雜的、非線性的過程，檢驗和修改模型貫穿于整個建?；顒?。檢驗和修改模型是緊密聯系在一起的，體現了模型的暫時性和發展性。檢驗模型水平1為檢驗模型本身，如檢驗材料是否體現姐妹染色單體及同源染色體的特點。水平2是比較模型與原事物，將減數分裂的模型與觀察減數分裂的顯微照片進行比較，并對模型作出必要的調整。修改模型水平1為修正模型中的錯誤或改進模型。例如，當發現用毛根玩具建構減數分裂模型比紙片、鐵絲更簡便、更科學時，對原模型的材料進行改進。水平2是由于對原事物的新發現而修改模型，當發現蜜蜂產生生殖細胞的方式與其他動物的不同時，修改模型以展示蜜蜂產生生殖細胞的方式。檢驗和修改模型的水平3與第二維度的水平3有關，它們組合成一個完整的“提出假設—建立模型—檢驗假設—修改模型”程序。例如，教師引導學生對21三體產生的原因提出假設：
①同源染色體（21號）在減數分裂Ⅰ未能分離；
②姐妹染色單體（21號）在減數分裂Ⅱ未能分離；
③……
學生在原模型的基礎上，建立新模型檢驗假設，最后修改被證偽的假設對應的模型。
檢驗和修正模型是學生建模活動中所需的重要能力。隨著檢驗和修正模型能力的提高，學生逐漸從關注模型本身轉向模型背后的假設，在檢驗和修正模型中進行反思，不斷調整認知結構，強化建?；顒又械乃季S過程，促進學生發展、批判和修改模型。在高中生物學模型與建模教學中教師應培養學生檢驗和修正模型的能力，以有效促進學生通過模型獲取知識的過程。
3 小結
本研究沒有對每個維度下的每個水平進行全面論述，僅以生殖細胞形成過程中模型與建?；顒拥哪骋稽c進行舉例說明，以期促進教師對模型能力框架的理解，有利于將模型能力框架與其他內容建立聯系。另外，學生對模型與建模高水平的理解能夠有效提升建模用模的能力，整合知識和理論，促進思維的發展和問題的解決。因此，教師應該注重在學生的基礎水平上培養學生對模型與建模的高階認知。
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1 模型能力框架的基本含義
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學生對模型本質的理解是一個由形象到抽象，由刻板印象到形成復雜理解的進階過程，發展對模型本質的高水平理解是有效建模的基礎。在高中生物學模型與建模教學中，教師應引導學生從對模型本質簡單形象的理解逐步過渡到復雜多層次的理解，發展學生對模型本質的理解水平，增長對建模理論知識的認識。
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在高中生物學模型與建模教學中，教師應引導學生思考：同一事物或現象是否可以有多個模型？怎樣對同一事物或現象建立多個模型？同一事物的多個模型之間有什么聯系與區別？對同一事物或現象建立多個模型有什么意義？通過思考以上問題，學生豐富對同一事物多元模型的認識，促進對原事物細節的關注。教師引導學生在建?；顒又薪⑼皇挛锏亩嘣Ｐ?，以促進對相關知識的理解；并且在建立不同類別的模型基礎上，引導學生建立聚焦于原事物不同方面和關于原事物不同假設的模型，發展學生的發散思維，提高學生提出假設進行論證的能力。
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模型能力框架中模型的目的包括對原事物的描述、對原事物中某些關系的解釋、對原事物中某些關系或變量的預測三個水平。這三個水平并不是相互排斥的，同一模型可能兼有三種目的。例如，根據減數分裂的物理模型，說明何為同源染色體、姐妹染色單體、四分體；描述減數分裂的過程，染色體、DNA的變化；解釋染色體變化與DNA變化的關系，減數分裂Ⅰ與減數分裂II的關系，產生精子和卵細胞過程的異同；預測減數分裂Ⅰ同源染色體未正常分離會導致什么結果？減數分裂Ⅱ姐妹染色單體未正常分離會導致什么結果？在減數分裂前，向原始生殖細胞注射某種抑制DNA復制的藥物會導致什么結果？以上結果是否會導致某種遺傳病的發生？
學生對建模目的的認識可能具有局限性。在高中生物學模型與建模教學中，教師常運用模型進行描述和解釋而較少進行預測，因此應豐富學生對建模目的的認識，使學生明確模型對原事物的描述和解釋是預測的基礎，教師應引導學生建構模型描述和解釋原事物，在掌握原事物的特征和物質變化關系的基礎上對某些現象進行預測。
2.4 高中生物學模型與建模教學應培養學生檢驗和修正模型的能力
建模是一個動態的、復雜的、非線性的過程，檢驗和修改模型貫穿于整個建?；顒?。檢驗和修改模型是緊密聯系在一起的，體現了模型的暫時性和發展性。檢驗模型水平1為檢驗模型本身，如檢驗材料是否體現姐妹染色單體及同源染色體的特點。水平2是比較模型與原事物，將減數分裂的模型與觀察減數分裂的顯微照片進行比較，并對模型作出必要的調整。修改模型水平1為修正模型中的錯誤或改進模型。例如，當發現用毛根玩具建構減數分裂模型比紙片、鐵絲更簡便、更科學時，對原模型的材料進行改進。水平2是由于對原事物的新發現而修改模型，當發現蜜蜂產生生殖細胞的方式與其他動物的不同時，修改模型以展示蜜蜂產生生殖細胞的方式。檢驗和修改模型的水平3與第二維度的水平3有關，它們組合成一個完整的“提出假設—建立模型—檢驗假設—修改模型”程序。例如，教師引導學生對21三體產生的原因提出假設：
①同源染色體（21號）在減數分裂Ⅰ未能分離；
②姐妹染色單體（21號）在減數分裂Ⅱ未能分離；
③……
學生在原模型的基礎上，建立新模型檢驗假設，最后修改被證偽的假設對應的模型。
檢驗和修正模型是學生建模活動中所需的重要能力。隨著檢驗和修正模型能力的提高，學生逐漸從關注模型本身轉向模型背后的假設，在檢驗和修正模型中進行反思，不斷調整認知結構，強化建?；顒又械乃季S過程，促進學生發展、批判和修改模型。在高中生物學模型與建模教學中教師應培養學生檢驗和修正模型的能力，以有效促進學生通過模型獲取知識的過程。
3 小結
本研究沒有對每個維度下的每個水平進行全面論述，僅以生殖細胞形成過程中模型與建?；顒拥哪骋稽c進行舉例說明，以期促進教師對模型能力框架的理解，有利于將模型能力框架與其他內容建立聯系。另外，學生對模型與建模高水平的理解能夠有效提升建模用模的能力，整合知識和理論，促進思維的發展和問題的解決。因此，教師應該注重在學生的基礎水平上培養學生對模型與建模的高階認知。
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