建構模型發展思維

摘 要：文章深入研究“細胞器之間的分工合作第二課時”這節內容，通過分析教材和學情，整合與補充此教材內容與素材等，運用多種模型來探討高中生物使用建模教法發展學生思維之策略。

關鍵詞：建構模型;科學思維

《普通高中生物學課程標準》（2017年版）認為“建模思維和建模能力是學生必備的科學素質，進行模擬實驗和模型構建在科學發展中發揮著重要作用”[1]，共17處出現“模型”一詞，因而建模在中學生物教學有著特殊意義。思維建模是教師創設建構主義課堂的重要思想方法，教師通過設計合適的建模活動，學生自主建構模型，并基于模型進行推理，既發展學生的邏輯推理能力，亦能鍛煉他們科學思維與創新能力。本文以“細胞器之間的分工合作第二課時”為例，理解建模教學在生物課堂中的應用價值。

一、分析教材，確定建模內容

本節課為高中必修1《分子與細胞》（人教版）第3章第2節，課程標準要求：闡明細胞內具有多個相互獨立的結構，擔負著物質運輸、合成與分解、能量轉換和信息傳遞等生命活動[1]。本節包括“細胞器之間的協調配合”“細胞的生物膜系統”，為學生認識細胞整體結構之內容，在本章中占有重要地位。本節課是第二課時，主要內容是分泌蛋白的合成和運輸，可理解細胞之生物膜系統其結構與功能是互相聯系。經研究，可確定與建模有關教學目標為：

（一）形成生命觀念：通過學習本節內容理解細胞器之間既有分工又協調配合，進而認識到生物膜是一個整體，理解生物體的結構與功能是相適應的，從而落實“結構與功能觀”這一生命觀念。

（二）發展科學思維和科學探究：經學習同位素標記法與放射自顯影技術實施于分泌蛋白合成，學會構建思維模型并且能夠推理得出分泌蛋白合成所需要的細胞器結構，培養科學實驗探究能力;通過團結協作學習，構建分泌蛋白合成與分泌過程的物理模型、概念模型、各種膜面積變化的數學模型，發展科學思維。

（三）培養社會責任：通過本節課的學習認識到細胞器之間是協調配合才能高效運作，理解同學之間也是需要合作才能更好地解決問題;通過分析人工生物膜在醫學、生產和生活中的應用，分析其原理和研究意義，培養社會責任感。

通過多種模型建構，突破兩大教學重難點，基本達成教學目標。

二、分析學情，培養建模意識

建構主義理論認為，學習是接受新信息，并使之與已有的原信息相融合，建構新的知識、形成新的概念的活動。進行教學設計時，分析學生已有的生活經驗、知識儲備與能力水平等，課前充分了解學生的真正需求、能力水平和認知傾向，做到因學定教，開展課堂教學活動，才能有效達成教學目標。

學生在初中階段已對葉綠體和線粒體等部分細胞器有了初步的認識，但是初二完成小中考后學生遺忘率較高，且對細胞器的種類和名稱認識不全。本節的第一課時主要是借助希沃課件直觀認識各種細胞器的形態、結構和功能。由于課堂時間有限，應引導學生利用課外與假期，小組討論選擇合適的材料按照一定比例構建各種細胞器的物理模型。學生構建的是一個一個獨立的細胞器，因此可能會認為各個細胞器是相互獨立，無任何聯系的。我們應要求學生帶著自制物理模型進入第二課時進行學習，經第二課時學習分泌蛋白之合成與運輸進一步理解各個細胞器之間存在協調配合，進而理解細胞的生物膜系統。課后模型的建構既讓學生及時小結本節知識，又為第二課時的課堂教學提供模型，提高教學效率。

三、實施教學，構建模型

高中生物的學習中，學生對生物學知識的總體感覺就是零散、雜亂，學了新知識，忘了舊知識，在新授課和復習課中都非常頭疼，尤其是復習課教師和學生四目相對，一問三不知，常常無語。模型方法不僅可以調動學生積極性，還能及時解決和掌握各重難點的知識，指導他們在階段復習時構建模型形成體系，有效地開發學生的創造潛能。

（一）創設情境，構建思維模型

關于利用豚鼠胰腺腺泡細胞，用3H標記的亮氨酸進行實驗研究的有關內容教材介紹比較少，而且整個實驗過程非常抽象，學生很難理解。如果能把整個實驗過程完整呈現，那么更易學生理解吸收，從而促進他們發展科學思維與探究能力。教師可向學生展示資料：現代細胞學之父帕拉德及其同事曾利用豚鼠胰腺腺泡細胞，用3H標記的亮氨酸進行實驗研究，證實了分泌蛋白的合成、運輸及分泌途徑，由此獲得諾貝爾獎[2]。然后分組討論：1.科學家為什么選擇豚鼠胰腺腺泡細胞作實驗材料？2.科學家主要采用的研究方法是什么？3.該探究實驗的大致流程如何進行？要解決第2題，教師可在學案中補充放射自顯影技術的資料。學生閱讀一段專業術語較多的資料，常常感覺這么復雜而表現出不耐煩。這時教師利用課件展示同位素標記法的具體流程圖（圖1），此圖一目了然，順勢引導他們用模型來理清知識重難點。

討論題3的難度比較大，在學生思考交流的基礎上，教師引導，師生共同構建出該實驗探究流程的思維模型：

①選擇同位素3H標記的。

②將實驗細胞放入培養液中培養。

③隨后將細胞轉入不含3H-亮氨酸的培養液中繼續培養。

④不同的時間、多次取樣，制備組織切片利用技術追蹤。

（二）角色扮演，構建物理模型

在構建實驗探究的思維模型后，教師拋出以下問題串： 1.分泌蛋白是在哪里合成？2.分泌蛋白從合成至分泌到細胞外，經過了哪些細胞器或細胞結構？各起什么作用？3.分泌蛋白合成和分泌的過程中需要能量嗎？能量由哪里提供？學生通過閱讀教材內容和分析實驗結果曲線圖，雖比較容易得出答案，但對學生而言還是抽象難懂，并未真正理解。因此，我們可讓其代表上臺將上節課后制作之細胞器模型進行展示，可分小組對此模型開展扮演活動，模擬分泌蛋白的合成和運輸過程。通過角色扮演活動，把枯燥無味又抽象的圖文內容直觀具體化、形象化，使他們在愉快輕松課堂之中獲取知識，亦鍛煉他們創新與團隊協作能力。

（三）合作交流，建構概念模型

每屆學生學完本節內容后，在不久的測試中經常把細胞器漏填或答錯，而且都是隨意填寫，沒有按照合成和分泌的過程來回答。歸根結底在于新課教學后大部分學生只記得一段一段零散模糊的碎片、一個一個游離的知識點，沒有教師的適時引導，我們學生基本不會整理周小結和階段小結，所以對生物學知識無法形成長久記憶。我們可引導他們完成概念模型之構建，學生就會發現原來的知識變得富有條理、系統全面，記憶更加深刻，慢慢地學生就會對構建概念模型產生興趣，養成主動建模的意識和學習習慣。本節授課中，教師先借助希沃白板展示圖片、演示動畫，刺激學生感官，增強直觀性，再布置任務：各小組協作構建“分泌蛋白的合成和分泌過程”的概念模型，圖中要含有細胞器的名稱、作用和產物。學生分組構建模型，教師巡視選出典型作品通過手機希沃白板拍照技術上傳現場展示，學生代表匯報模型，生生互評，相互學習和借鑒，教師用紅色批注補充完善概念模型（圖2）。

（四）拓展提升，構建數學模型

新課標指導中指出要將客觀生物學現象和概念翻譯成用數學符號以及方程式來建構數學模型，并能領悟數學模型建立的科學方法。在現今高中的生物學教學中，選擇合適的教材內容，引導學生構建數學模型，促進他們對知識吸收，以及應用數學模型進行邏輯推理和運算，很大程度上提高他們解決真實情境中遇到生物學問題之水平。

此節在學生完成構建物理與概念模型層層遞進之上，進行拓展提升，通過構建膜面積變化的多種數學模型，進一步發散思維，呈現“一點多變”。例題：圖3是研究分泌蛋白合成與運輸過程的數學模型，據圖分析寫出a、b、c、d、e、f、g、h、i分別屬于哪一種類型的膜。

通過分析曲線圖和柱形圖等數學模型，有助于學生理解內質網膜、高爾基體膜和細胞膜在結構上具有間接聯系，即膜之間通過囊泡進行相互轉化。然后借助希沃白板拖動圖片直觀觀察生物膜系統之間的直接聯系和間接聯系，最后引出生物膜系統的概念，并完善概念模型（圖4）。

四、思維建模教學實踐的思考

經新教材必修1和必修2有關內容之課堂建模學習嘗試，筆者發現，建模有著廣闊的實踐摸索空間。還需關注如下幾個關鍵點：

（一）教學前端的學情分析。學生剛進入高一，初步接觸建模內容，因此教師應注意把握由易到難的構建原則。例如：第一次介紹概念模型時，先讓學生填空補充概念模型，幾次訓練后，學生逐漸有了建模意識后再增大難度，讓學生小組討論建模，相互交流不斷改正。當大部分學生都掌握時方可設計自主建模，有些學生能構建一個相對復雜系統的概念模型，甚至比參考書更完整。

（二）合理選擇建模內容。新教材必修1和必修2適合建模的內容比較多，也不是所有知識點皆應建模，有些亦不適合建模，只有對教材進行深度學習研討，最好發揮生物組全體教師的力量，梳理出一套建模內容。模型能夠推廣應用，除了能解決類似問題，亦讓他們深刻體會到生物與實際生活之關聯性和學科知識價值之所在。

（三）教學過程中提供支架。為了降低學生在構建模型中的難度，我們應運用問題驅動之思路或利用導學案、圖片和動畫直接提供素材等方式幫助學生完成學習任務，特別是設計學生自主建構模型的環節，將一些隱性的重要信息提問外顯化，亦能促進他們科學思維的發展。

（四）課后及時批閱學生構建的模型。由于課堂時間的限制，教師可安排部分模型課后自主完成。但教師一定要及時批閱學生的模型并反饋給學生。由此不僅能找出自己在教學期間之疏忽，還能發現學生沒有掌握和易錯易混的知識點，及時幫助學生進行補缺補漏和加以修正，并給予肯定或鼓勵性評價，促進學生自信心提升，推動教與學發展。

總而言之，高中生物建模實施期間，要求教師重視課堂教學，精心準備、耐心打磨，堅持培養學生的建模意識，合理設計模型構建，從學生興趣的引發、學習方法的積累、動手建模的訓練等，以及到培養邏輯推理與處理問題能力，將模型構建與生物教學有機結合，從各個方面落實提升生物學科核心素養。

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：實驗[S].北京：人民教育出版社，2017.

[2]王江麗.細胞器：系統內的分工合作[J].生物學教學，2020（6）.

作者簡介：孫玉惠（1981—），女，漢族，福建福安人，大學本科，福建省寧德市民族中學高級生物教師。研究方向：中學生物教學與研究。