基于科學思維進階的高中生物建模教學實施與思考

陳穎芳 張鋒

摘要借助科學思維進階的統整作用將模型建構、模型分析和模型應用等各環節進行整合，構建逐級深化的思維方式，優化建模路徑，能促使學生由淺入深、由表及里地從多維角度進行探究，形成科學的認知結構，最終完成概念的自主建構。

關鍵詞 科學思維 思維進階 生物建模

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

模型方法是以研究模型來揭示原型的形態、特征和本質的方法，是邏輯方法的一種特有形式。建模是科學研究的核心實踐活動之一，建模過程涉及模型的構建、分析和應用，可幫助學生深入理解知識形成的過程。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》將科學建模列為科學思維的關鍵要素，讓學生經歷科學建模過程并實現模型進階到思維發展的升華成為當前課堂上促進學生生物學學科核心素養，尤其是科學思維能力提升的重要教學策略之一。

1基于科學思維進階的高中生物建模教學的流程

“興奮在神經纖維上的傳導”是人教版《選擇性必修1·穩態與調節》第二章第三節“神經沖動的產生和傳導”的教學難點之一，涉及靜息電位、動作電位、電流表的偏轉方向等高中生較難理解的內容，體現了物理學、化學、生物學交叉融合的特點。建模教學策略鼓勵學生在尊重生物學事實和證據的基礎上，運用科學思維方法，探討和闡釋有關生命現象及規律。建模教學要從建模的方法、能力的層級逐步轉移關注科學思維的層級。教師出示多種證據資料，逐步引導學生基于科學思維方法構建分析相關的數學模型、物理模型，深入理解“神經細胞膜內外在靜息狀態具有電位差，受到外界刺激后形成動作電位，并沿神經纖維傳導”這一重要概念，關注生物電所蘊含的生命活動本質，從而發展學生的科學思維。

科學思維是基于事實證據、運用科學概念、通過科學推理和論證對客觀事物的本質、規律及其相互關系作出判斷和解釋、對客觀事物的發展變化作出預測的認識方式。生物建模是一個復雜的心理和思維過程，教師可以借助科學思維進階理論的統整作用，將其各環節進行整合，形成有效的教學序列和學習路徑。整合科學思維進階理論、生物建模教學要素得到的科學思維進階式高中生物建模流程如圖1所示。其中，歸納與概括屬于低階思維，演繹與推理、模型與建模屬于中階思維，批判性思維和創造性思維屬于高階思維。

2基于科學思維進階的高中生物建模教學的實施

2.1設置問題，引發思考

教師展示蛙的坐骨神經—腓腸肌興奮實驗和蛙的坐骨神經表面電位差兩個經典實驗，創設情境。學生聯系實驗現象，回憶及科學表述初中生物學關于反射、反射弧和神經元相關的知識，同時根據實驗結果形成推論：興奮在神經纖維上以電信號的形式進行傳導。教師引導學生從神經元的結構這一微觀層面，提出關鍵問題：“反射發生的時候，神經細胞發生了怎樣的變化導致感受器接受的刺激以電信號的形式進行傳導？”

在這一階段，學生主要通過自我體驗、觀察實驗現象，聯想相關科學概念，以激活先驗知識。同時，學生通過發散性思維從多個視角針對實驗現象提出不同的問題，比較和區分所提問題的可行性，進一步明確自己的研究問題，明晰學習目標。

2.2歸納概括，建構模型

教師展示烏賊巨大神經纖維的膜電位測定實驗，學生建構膜電位變化的數學模型。

膜電位測定實驗：用微電極、靈敏電流計測量烏賊巨大神經纖維靜息狀態下膜內外電位，電表上顯示的數值為-60mV;緊接著給予神經纖維某個點一定強度的刺激，電表上顯示的數值由-60mV變為0，并出現+40mV的峰值，隨后又逐漸下降至0，最后恢復為靜息時的-60mV。

學生觀察實驗，用橫坐標表示時間，縱坐標表示膜電位，構建膜電位變化的數學模型（圖2）。

數學模型能真實、系統、完整、形象地反映客觀事物本質，使知識更具有外顯性。在該環節，教師結合基礎物理學的電學內容，為學生膜電位變化的數學模型建構提供了保障，并借鑒數學中的描點作圖，勾畫出電位差變化的大致趨勢，有效訓練學生比較、分析、綜合、抽象與概括能力，增強學生對刺激會轉化為電流的認同。

2.3演繹推理，分析模型

2.3.1提供事實，運用歸納推理，解釋靜息電位產生的機制

教師提供2個事實：

1槍烏賊巨大神經細胞內液和細胞外液中主要離子的濃度表（表1）。

2細胞處于靜息狀態時，細胞膜對K+通透性較大，對Na+等其他離子的通透性很小，而對A-幾乎沒有通透性。

學生結合物質跨膜運輸的方式、內環境的化學組成及理化性質等知識基礎，分析上述兩個事實，對靜息電位的產生作出合乎邏輯的解釋：靜息狀態時，膜內、外離子分布靜息時，由于膜對K+通透性大而對有機負離子A-無通透性，因此，K+可以順著濃度梯度經離子通道蛋白由膜內擴散至膜外，A-不能透過膜而滯留在膜內，使得膜外具有較多的正電荷、膜內具有較多的負電荷，而使膜電子分布呈現內負外正。

2.3.2運用類比推理，解釋動作電位產生的機制

教師繼續提供事實：3神經纖維受到刺激時，細胞膜上接受刺激的點的通透性發生變化，Na+通道打開。教師引導學生繼續運用事實1、事實3及靜息電位產生機制，類比推理出動作電位產生的機制：受到刺激時，由于膜上的Na+通道打開，使得大量的Na+內流，K+通道關閉，使得K+不能外流，而使膜電子分布由內負外正轉變成內正外負。學生培養了邏輯推理能力，并促進了概念的同化和順應。

2.3.3運用演繹推理，設計實驗證明膜電位產生的機制

上述膜電位產生的機制是基于邏輯推理得到的，其正確與否需要實驗證據的支持。教師引導學生進行演繹推理：若上述機制是正確的，則細胞外液中K+濃度會影響神經纖維靜息電位的大小，而細胞外液中Na+濃度幾乎不影響;但細胞外液中Na+濃度會影響受刺激神經膜電位的變化幅度。接著，提供以下材料和用具，請學生設計實驗證明。

材料和用具：測量電位變化的測量儀器、刺激器、生理狀態一致的槍烏賊離體神經纖維若干、正常海水、低K+海水、高K+海水、低Na+海水、高Na+海水等（注：不同海水的滲透壓相等但K+或Na+濃度不同）。

演繹推理對學生保持思維的嚴密性有重要的校正作用，可以幫助學生形成完整的知識體系。

2.4發展批判性思維，實現數學模型到物理模型的轉變

學生將數學模型轉變為物理模型，構建“興奮在神經纖維上傳導”的物理模型，并借助模型清晰描述膜內外電位情況、電流方向;同時，討論“在體神經纖維上興奮的傳導是雙向還是單向”。

學生實現從數學模型到物理模型的轉變，直觀呈現興奮在神經纖維上的雙向傳導、興奮傳導方式與膜內電流方向的關系，有助于真正地理解和運用知識。學生的討論則側重發展學生的批判性思維，幫助學生跳出“興奮在離體神經纖維上雙向傳導”的思維定勢。

3基于科學思維進階的高中生物建模教學的思考

3.1利用SOLO

評價理念衡量學生科學思維發展水平SOLO分類評價法可以用于形成性的學生學業評價。教學實施的“設置問題，引發思考”和“歸納概括，建構模型”環節屬于單點結構水平，學生可直接根據經典實驗，確定對應的數學模型。通過學生在這一環節的表現，可判斷其是否具備將信息歸納概括，簡單的模型與建模能力。教學實施的“提供事實，運用歸納推理，解釋靜息電位產生的機制”和“運用類比推理，解釋動作電位產生的機制”環節屬于多點結構水平，側重學生儲備與“物質跨膜運輸”相關的知識及對多個生物事實的分析能力，但互不關聯。教師可通過考查學生能否正確分析膜電位變化的數學模型，科學解釋膜電位變化的機制，進而評估學生是否具備一定的歸納與概括能力、類比推理能力。教學實施的“運用演繹推理，設計實驗證明膜電位產生的機制”環節屬于關聯結構水平，學生需要在掌握膜電位變化的機制的基礎上進一步演繹推理其正確性。教師可觀察學生能否在新情境下明晰探究目的，合理確定實驗設計的自變量、因變量并通過實驗設計，預測并論述實驗結果等，考查學生在較復雜情境中是否具有更高科學思維水平。教學實施的“發展批判性思維，實現數學模型到物理模型的轉變”環節屬于抽象拓展結構水平，要求學生將數學模型轉變為物理模型并辨析在體神經纖維上興奮的傳導的方向。該環節主要涉及程序性知識和反省性知識，需要學生在高度歸納概括生物學規律與原理基礎上充分運用高階思維解決未知情境中的問題，具備一定的開放性。

3.2通過科學建模實現模型進階到思維發展的升華

建模的目的是為了實現思維的發展。教學中，教師首先基于生物學經典實驗，通過歸納概括建構起某種生物模型;其次，通過分析綜合、演繹推理等科學思維方法，內化概念的本質屬性、內在規律及相互關系進而分析模型;最后，還要鼓勵學生基于事實證據對不同觀點和結論提出質疑、批判，進而應用模型。教學過程應遵循“以實驗為基礎、以思維為中心”，構建逐級深化的思維方式，優化建模路徑，促使學生由淺入深、由表及里地從多維角度進行探究，形成科學的認知結構，最終完成知識的自主建構。

參考文獻：

[1]趙萍萍，劉恩山.新課程標準理念下的高中生物學建模教學策略[J].生物學通報，2019，54（2）：10-14.

[2]趙占良.對生物學學科核心素養的理解（二）——科學思維及其教學[J].中學生物教學，2019，（19）：4-7.

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