學科關鍵能力視角下的初中生物學建模教學

邰玉韋

【摘 要】核心素養是綜合的、隱性的。開展不同的主題教學、發展學科關鍵能力是落實核心素養的有效途徑，生物學模型建構能力屬于生物學學科核心素養之“科學思維”中關鍵能力的一部分。其教學策略包括聚焦問題情境，啟發建模意識;重視科學引導，搭建建模腳手架;滲透建模思想，經歷建模實踐;回歸實際生活，實現能力進階。

【關鍵詞】初中生物學 核心素養 學科關鍵能力 模型建構能力 深度教學

江蘇省常州市北郊初級中學生物教師，江蘇省中學特級教師，中學正高級教師。常州市教科院生物兼職教研員，常州市教育學會中學生物學教學專業委員會副理事長，江蘇省義務教育質量監測專家組核心成員，江蘇省重大改革實驗研究項目指導專家。先后獲評江蘇省優秀教育工作者、江蘇省教科研先進個人、常州市教育領軍人才、常州市首屆“龍城十佳教師”等。在《生物學教學》《中學生物教學》《教學與管理》等期刊發表論文60余篇，出版個人專著《初中生物學科關鍵能力教學實踐》，參編論著《課型范式與實施策略·中學生物學》《義務教育學科核心素養·關鍵能力測評與教學（初中生物學）》《信息技術與初中生物學教學的融合與創新》等。提出“基于生物學科關鍵能力的深度教學”主張，其相關成果先后獲“2017年江蘇省教學成果獎（基礎教育類）”二等獎、2020年江蘇省“教育科學優秀成果獎”二等獎。

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》明確提出：“生物學學科核心素養是學生在生物學課程學習過程中逐漸發展起來的，在解決真實情境中的實際問題時所表現出來的價值觀念、必備品格與關鍵能力，是學生知識、能力、情感態度與價值觀的綜合體現。”[1]倡導把學生的“未來生活世界”與“現實生活世界”統一起來，用生活化的內容充實課堂教學。塑造生物特色的課堂，需要以系統的、結構化的生物學科內容為基礎，強調學科思想，以探究實踐等方法引導學生學習生產生活實踐中有用的知識，在此基礎上理解核心素養的整體性、綜合性、進階性、實踐性等建構導向。而核心素養是隱性的，只能在解決真實情境的實際問題中表現出來，并在活動中逐步生成，因此，突出學科關鍵能力的培養至關重要。生物學學科關鍵能力主要包括比較與分析能力、歸納與演繹能力、實驗探究能力、模型建構能力、創新思維能力等，開展不同的主題教學、發展學科關鍵能力是落實核心素養的有效途徑。

生物學模型建構能力屬于生物學學科核心素養之“科學思維”中關鍵能力的一部分，是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，是學生終身發展所必備的關鍵能力。在“基于生物學科關鍵能力的深度教學”這一教學主張的引導下，筆者從2016年開始研究生物學學科關鍵能力視角下的初中生物學建模教學，探索生物學建模教學的方法與策略，積極尋找生物學模型建構能力的內涵和水平表現標準，通過課程主題活動開發生物學模型建構能力培養與評價的工具。

一、建模思想在生物學教學中的內涵價值

模型是理論與實踐的橋梁，是實踐探究的重要成果之一。“模型”指具有原型相似特征的替代物，是系統或過程的簡化、抽象和類比表示。借助模型可以對事物進行描述、解釋與預測，利于交流和加深對事物的理解。微觀、宏觀不能直接做實驗或不利于直接觀察的結構、思維顯性化的概念等，常常用模型代替，包括一些模擬實驗。生物學教學中的模型類型主要包括數學模型、概念模型和物理模型。因此，生物學建模教學主要指對學生數學模型建構能力、概念模型建構能力和物理模型建構能力的培養與評價。

生物學建模是一種高度抽象的思維，建模主要指產生科學模型和培養模型建構能力的過程[2]。建立生物學模型的動態過程，包括對實際問題的提煉、歸納、簡化、建構、檢驗、解釋、應用和拓展等。學生的建模過程，需要有解決問題的意識，需要進行探究、論證、推理和解釋應用等，這既能培養學生的學習方法和能力，又能幫助學生將所學概念進行結構化、系統化和意義化，是一種科學思維方式。在建模的過程中，可以基于相應生物學科思想滲透，如分析、比較、判斷、想象和類比推理等，使學生掌握建模方法，從而激發學習興趣，幫助學生解決生活實際問題，培養生物學科關鍵能力，發展學生科學思維。

二、學生生物學模型建構能力的培養策略

1.聚焦問題情境，啟發建模意識

生物學概念的形成是一個主動的建構過程。課堂教學中，問題是學生思維的起點。教師需要整合課程內容，開發更接近建模的原始情境材料，從發現問題和解決問題開始。如蘇教版生物學七年級上冊“細胞的分裂與分化”這節課，可以創設真實的“從種子到植株的生長過程”情境，并提出本節課統領性的整體問題“生物體的生長與細胞的哪些生理活動有關”。基于學生的認知規律，遵循問題解決的“總—分—總”規律，再將整體問題分解為“細胞生長”“細胞分裂”和“細胞分化”的局部問題，當局部問題解決后，需要再回到整體問題上來，最后通過概念模型梳理三者之間的邏輯關系和因果關系：生物體由小長大的原因與細胞生長、細胞分裂和細胞分化都有關系，細胞生長的結果使細胞的體積增大;細胞分裂的結果使細胞的數目增加;細胞分化的結果使細胞的種類增加。在問題的呈現和解決的過程中，學生的建模意識已經逐步形成，即形成了一種整體系統化研究事物的思維方法和模型結構。

2.重視科學引導，創設建模的腳手架

生物學建模是一種抽象思維，對于初中生來說，掌握起來存在一定的難度。因此，學生建模能力的培養需要由易到難、循序漸進、逐步深入，需要教師進行方法上的引導，如示范模型制作的類型，或在任務單上提供基礎的構建框架，讓學生自主發現，再主動進行建模。如蘇教版生物學七年級上冊“植物光合作用和呼吸作用原理的應用”這節課，教師建模教學如下：①小組討論交流。學生每4人一組，結合教材和閱讀材料，討論提高草莓等農作物產量的原理和具體措施，并將討論結果填寫在表格中，在全班范圍內進行交流。②分析生活、生產情境資料。教師提供相關的情境材料包括曲線圖、簡單的生產生活情境和生產問題等，學生通過自主學習，初步解決生活或農業生產中的實際問題并進行表達。③在此基礎上，學生再次結合光合作用與呼吸作用原理，設計繪制農民科學種田的現代化場景圖，或用超輕黏土、透明大塑料盒等材料搭建一個現代溫室大棚的模型并展示，這種自主創作的物理模型已經具有一定的STEM工程設計和探究理念，增加了活動的趣味性。又如，日常生活用品中，各種工藝紙盒、飲料吸管、廢棄的電話線、一次性餐具、便利貼等，都可以模擬建構如血液循環、神經元結構等物理模型。

3.滲透建模思想，經歷建模實踐

生物學學科具有獨特的學習方法和思想，如生物體的結構與功能是相適應的;生物體具有多樣性和統一性;生物體具有遺傳性;生物通過自然選擇可以進化;生物的特征屬性之間具有類比推理性等。學生參與建模的過程是生物學思想、方法、經驗、能力積累的過程，如蘇教版八年級下冊第二十二章第二節“人的性狀和遺傳”內容，涉及“顯性基因”“隱性基因”“顯性性狀”“隱性性狀”等概念，比較抽象，學生對理解基因是如何控制生物性狀的這一遺傳規律感覺困難，可以借助類比推理開展模擬活動。

活動一：模擬遺傳過程，完成遺傳圖譜。每組準備2個分別標記“父”“母”的小桶，在每個桶中放入標有字母D或d的小球各10個;每次分別從兩個桶內隨機抓取一個小球，記下兩個小球的字母組合，引導學生利用桶內的小球創設不同的基因組合。再將抓取的小球放回桶中，搖勻，重復試驗，并完成一對基因的遺傳圖譜。

活動二：借用顏色直觀變化類比基因對性狀的控制。在“D”小球中放入黑色顏料，在“d”小球中放入乳白色的護手霜，分別表示小球中攜帶的使毛發呈現黑色和白色的物質。完成遺傳圖譜分析后，學生打開“D”“d”小球，用牙簽挑起部分染料在載玻片上均勻混合，觀察最終形成的顏色，并提出問題“為什么在D與d的基因組合中得到的結果是黑色”，這促使學生思考當顯性基因和隱性基因同時存在時，隱性基因所表現的性狀會被掩蓋，從而表現出顯性性狀。只有兩個隱性基因進行組合時，才表現出隱性性狀。小球模擬類比實驗直觀生動地解釋了基因對性狀的控制，加深了學生對概念的理解，可以有效突破難點。

4.回歸實際生活，實現能力進階

學生能夠學會解釋、應用模型解決問題才是建模教學的真正目的。學生的建模水平從低層次到高層次主要表現在3個方面：①能初步用文字或圖示的方式表達生物學概念;②能正確解讀模型內涵，準確提取關鍵信息，實現圖文轉換;③能在新的問題情境中，選用恰當的方式構建模型，并運用模型解決問題[3]。模型的描述屬于建模的低階能力，而模型的應用或拓展屬于高階建模能力。因此，為幫助學生實現建模能力的進階，就需要讓學生回到實際生活場景中，在新情境中應用和遷移這些復雜關系的概念知識。如學生在課堂上建立了“生物的進化”理論模型后，就應該在面對大自然界中相似物種進化現象的時候，能夠清晰地解釋其進化的發生、發展、過程和原因，真正做到學以致用。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年

版）[S].北京：人民教育出版社，2018：5.

[2] 史凡，王磊.論國際化學教育研究熱點：模型與建模[J].全球教育展望，2019，48（5）：105-116.

[3] 吳舉宏.基于核心素養的初中生物學測試框架建構——以江蘇省義務教育學業質量監測為例[J].生物學教學，2019，44（7）：49-53.

責任編輯：孫昕

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