淺談基于模型與建模的高中生物學(xué)教學(xué)

摘要：本文旨在理清模型與建模的概念，梳理不同版本高中生物學(xué)教材中關(guān)于模型與建模的表述，針對(duì)生物學(xué)教學(xué)中模型與建模的教學(xué)提出建議，以期通過(guò)實(shí)施科學(xué)的建模教學(xué)幫助學(xué)生深入理解知識(shí)的形成過(guò)程，實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)的落地。

關(guān)鍵詞：模型與建模；高中生物學(xué)；教學(xué)策略

文章編號(hào)：1003-7586（2024）04-0090-03 中圖分類號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

科學(xué)建模是新一輪國(guó)際科學(xué)課程改革關(guān)注的熱點(diǎn)，在《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）被列為物理、化學(xué)、生物等多個(gè)學(xué)科核心素養(yǎng)中科學(xué)思維的關(guān)鍵要素?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》和教材中都非常重視模型與建模教學(xué)，在新課程理念的引領(lǐng)下，高中生物學(xué)教師也都意識(shí)到了建模教學(xué)的重要性，但在建模教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題。首先片面地認(rèn)為模型就是指物理模型，忽視了概念、數(shù)學(xué)等其他模型的建構(gòu)。其次不了解建模教學(xué)簡(jiǎn)化、抽象出本質(zhì)的要旨，而糾結(jié)于細(xì)節(jié)像與不像，材料好不好等問(wèn)題。最后弱化了建模活動(dòng)中學(xué)習(xí)、發(fā)現(xiàn)、修正等思維過(guò)程，以追求正確的模型成品為最終目的。本文旨在理清模型與建模的概念，梳理不同版本高中生物學(xué)教材中模型與建模教學(xué)素材，針對(duì)生物學(xué)教學(xué)中模型與建模教學(xué)策略提出一些建議，以期通過(guò)建模教學(xué)幫助學(xué)生深入理解知識(shí)的形成過(guò)程，實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)的落地。

1 “模型與建模”概念的界定

模型是人們?yōu)榱苏J(rèn)識(shí)某種對(duì)象所作的一種簡(jiǎn)單的概括性的描述。這種描述可以是定量的或者是定性的，有的模型借助具體的實(shí)物或者圖像等形象化的手段表達(dá)出來(lái)，有的則通過(guò)理論或者文字等抽象的形式表達(dá)出來(lái)。模型是一種現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)識(shí)手段和思維方法，是科學(xué)認(rèn)識(shí)過(guò)程中抽象化與具體化的辯證統(tǒng)一。

建模是模型產(chǎn)生的過(guò)程，也是思想和行為融為一體的過(guò)程，是為了理解事物而對(duì)事物做出的一種抽象的過(guò)程，也可以說(shuō)是解決問(wèn)題的過(guò)程?；谀Ｐ偷膶W(xué)習(xí)方式包括模型展示、模型制作、模型建構(gòu)等。模型展示主要是觀察、辨認(rèn)、理解現(xiàn)成已知的模型，以此獲得對(duì)生物學(xué)現(xiàn)象、概念和原理的理解；模型制作是通過(guò)模仿、轉(zhuǎn)換、制作已知但不現(xiàn)成的模型，以加深對(duì)生物學(xué)現(xiàn)象、概念和原理的理解，同時(shí)提升操作技能和動(dòng)手能力；模型建構(gòu)則是文中所述的“建?！保侵竿ㄟ^(guò)觀察、實(shí)驗(yàn)、想象、推理、論證，逐步建構(gòu)未知的模型，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)生物學(xué)概念，從而提升科學(xué)思維能力和創(chuàng)新能力。建模教學(xué)的宗旨是幫助學(xué)生通過(guò)模仿科學(xué)家利用模型認(rèn)識(shí)科學(xué)現(xiàn)象的過(guò)程與方法來(lái)學(xué)習(xí)新知識(shí)、構(gòu)建新概念，利用模型來(lái)解釋現(xiàn)象、解決問(wèn)題，進(jìn)而有效提高科學(xué)思維水平。

2 高中生物學(xué)教材中的“模型與建模”

高中階段不同版本的生物學(xué)教材中，模型主要呈現(xiàn)為物理模型、概念模型、數(shù)學(xué)模型等，此外，北師大版教材中提出了尺度模型，滬科版教材提出了計(jì)算機(jī)模型。梳理六個(gè)版本的《生物學(xué)·必修1·分子與細(xì)胞》（以下簡(jiǎn)稱《必修1》）教材中模型與建模的相關(guān)表述（見(jiàn)表1），可見(jiàn)每個(gè)版本的教材都注重模型與建模思維的滲透。

2.1 高中生物學(xué)教材中常見(jiàn)的三類模型

物理模型是指人們對(duì)原型進(jìn)行加工、抽象、簡(jiǎn)化，以實(shí)物的形式構(gòu)建的模型，主要反映原型的形態(tài)、結(jié)構(gòu)等，如制作生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型、真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型等。

數(shù)學(xué)模型是指對(duì)研究對(duì)象的生命本質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行具體地分析和綜合，運(yùn)用合適的數(shù)學(xué)表達(dá)式，如關(guān)系式、數(shù)學(xué)方程式、曲線圖或者表格等來(lái)表達(dá)。可以通過(guò)數(shù)學(xué)模型對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行后續(xù)的判斷和預(yù)測(cè)，如種群數(shù)量增長(zhǎng)的“J”型曲線和“S”型曲線、有絲分裂和減數(shù)分裂過(guò)程中染色體數(shù)目、DNA數(shù)目的變化曲線等。

概念模型是指通過(guò)分析大量的具體形象，分類并揭示其共同本質(zhì)，將其本質(zhì)凝結(jié)在概念中，把各類對(duì)象的關(guān)系用概念和概念之間的聯(lián)系來(lái)描述，用文字和符號(hào)突出表達(dá)對(duì)象的主要特征和聯(lián)系，如各種概念圖、光合作用和細(xì)胞呼吸的生理過(guò)程圖解、血糖調(diào)節(jié)過(guò)程圖解等。

2.2 不同版本高中生物學(xué)教材中的模型與建模

不同版本高中生物學(xué)教材都注重模型與建模的教學(xué)。以“制作真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型”為例，人教版教材作出了詳細(xì)的關(guān)于建模步驟的指導(dǎo)，包含了從簡(jiǎn)化客觀事實(shí)到完善修正模型的完整建模過(guò)程；蘇教版教材給出了許多具體的建議，如關(guān)注模型的大小和比例，給出了不同細(xì)胞器的平均直徑；北師大版教材在思考與討論中提出：如果要制作“胰腺腺泡細(xì)胞分泌消化酶”的結(jié)構(gòu)模型，需要重點(diǎn)呈現(xiàn)哪些細(xì)胞結(jié)構(gòu)？通過(guò)將靜態(tài)模型動(dòng)態(tài)化，啟發(fā)學(xué)生在模型中呈現(xiàn)生理過(guò)程，滲透生命觀念；滬科版教材有建模專欄，建模思維貫穿《必修1》教材始末。

多數(shù)版本高中生物學(xué)教材為模型與建模教學(xué)提供了一定的素材，但并不系統(tǒng)和深入。教材側(cè)重于介紹物理模型，而對(duì)數(shù)學(xué)模型和概念模型涉獵較少。教材是《課程標(biāo)準(zhǔn)》和核心素養(yǎng)的載體，其篇幅有限，不可能面面俱到，教師在教學(xué)過(guò)程中可以深入挖掘教材，選擇其中合適的素材或者適當(dāng)補(bǔ)充素材，有效開(kāi)展不同類型的模型與建模教學(xué)。

3 生物學(xué)教學(xué)中運(yùn)用模型與建模方法的策略

3.1 明晰高中生物學(xué)教學(xué)中模型與建模的目的

高中生物學(xué)教學(xué)中模型與建?；顒?dòng)的主要目的是讓學(xué)生通過(guò)嘗試建立模型，體驗(yàn)建立模型中的思維過(guò)程，領(lǐng)悟模型方法，以獲得、鞏固有關(guān)生物學(xué)概念。高中生物學(xué)教學(xué)中的模型建構(gòu)活動(dòng)與真實(shí)科學(xué)研究中建立模型有一定的區(qū)別。以“制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”為例，沃森和克里克在建構(gòu)模型時(shí)并不清楚DNA分子結(jié)構(gòu)，他們綜合各種研究數(shù)據(jù)逐步建構(gòu)模型、修正模型，最終揭示了DNA分子的結(jié)構(gòu)。但高中生物學(xué)教學(xué)中的“制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”并不是為了揭示DNA分子的結(jié)構(gòu)，而是通過(guò)制作物理模型來(lái)再現(xiàn)難以直接觀察到的DNA分子的結(jié)構(gòu)，以加深學(xué)生對(duì)DNA分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)和理解。

模型是用來(lái)幫助提高課堂效率的工具之一，建模教學(xué)并不以追求正確的模型成品為最終目的，因此不需要過(guò)分糾結(jié)于細(xì)節(jié)像與不像、材料好不好等問(wèn)題，而應(yīng)綜合考慮教學(xué)內(nèi)容的難易程度、主次層級(jí)、學(xué)生的實(shí)際情況、接受程度等來(lái)設(shè)計(jì)教學(xué)。只有依據(jù)教學(xué)目標(biāo)將建模、生物學(xué)概念和學(xué)生的學(xué)情適當(dāng)結(jié)合起來(lái)，更加關(guān)注學(xué)生建模的過(guò)程，重視素材的選擇和呈現(xiàn)資料的契機(jī)，幫助學(xué)生在建?；顒?dòng)中學(xué)習(xí)、發(fā)現(xiàn)、修正模型，通過(guò)重走建模之路來(lái)鍛煉學(xué)生的思維品質(zhì)，才能真正發(fā)揮建模教學(xué)的作用。

3.2 重視高中生物學(xué)教學(xué)中師生建模意識(shí)的培養(yǎng)

教師應(yīng)提高自身的建模意識(shí)。例如，區(qū)分模型與原型。在教學(xué)實(shí)踐中，教師可能會(huì)指著真核細(xì)胞模式圖講“這就是真核細(xì)胞”，指著黑板上自己畫(huà)的染色體模式圖說(shuō)“這就是細(xì)胞中的染色體”，這樣會(huì)導(dǎo)致學(xué)生誤把模型當(dāng)原型，看到真實(shí)圖像的時(shí)候不知所措。再如，凸顯教材中各類模型。高中生物學(xué)教材中涉及的模型主要包括物理模型、數(shù)學(xué)模型和概念模型，除了物理模型大家比較熟悉之外，數(shù)學(xué)模型和概念模型并不常被提起。

教師還需重視學(xué)生建模思維的培養(yǎng)。首先要充分利用好教材中的素材，特別是運(yùn)用生物科學(xué)史素材，展示科學(xué)家建構(gòu)生物模型的過(guò)程，讓學(xué)生體會(huì)模型建構(gòu)的思路和方法。其次，倡導(dǎo)探究式學(xué)習(xí)和發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)，讓學(xué)生體驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?gòu)的過(guò)程。以“生物膜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能”這節(jié)課為例，如果僅僅是根據(jù)教材，先介紹實(shí)驗(yàn)，再看圖總結(jié)生物膜系統(tǒng)的概念，就無(wú)法發(fā)生模型建構(gòu)行為。應(yīng)當(dāng)改變教學(xué)順序，從細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)和功能人手，先讓學(xué)生合理推測(cè)分泌蛋白合成、加工的過(guò)程進(jìn)而建構(gòu)模型，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、文字、圖片資料等發(fā)現(xiàn)不同生物膜在結(jié)構(gòu)和功能上的關(guān)聯(lián)，逐步修正模型。在模型建構(gòu)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)生物膜系統(tǒng)概念的建構(gòu)。課后還可以引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)建模，結(jié)合真核細(xì)胞模型建構(gòu)活動(dòng)將分泌蛋白的合成加工過(guò)程滲透其中，將靜態(tài)的模型動(dòng)態(tài)化，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手操作的熱情。

3.3 充分挖掘教材中的建模素材，使用模型進(jìn)行概念教學(xué)

不同版本高中生物學(xué)教材中有豐富的科學(xué)史、圖片、文字資料等素材，許多素材都可為建模教學(xué)充當(dāng)腳手架，這就需要教師自身首先具備一定的元建模知識(shí)，能在教學(xué)中將內(nèi)隱的元建模知識(shí)內(nèi)容挖掘出來(lái)，將它們置于顯性的地位。同時(shí)，可以參考其他版本的教材，選擇恰當(dāng)?shù)乃夭膩?lái)設(shè)計(jì)教學(xué)。概念教學(xué)是當(dāng)前新課標(biāo)背景下生物學(xué)教學(xué)的重中之重，生命觀念的建立以概念性知識(shí)的學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)。教師通過(guò)梳理、整合各版本教科書(shū)中所含的概念、圖像模型，充分使用模型與建模內(nèi)容進(jìn)行概念教學(xué)。使用模型，尤其是生物學(xué)教科書(shū)上的模型進(jìn)行教學(xué)，可以有效提高概念教學(xué)效率，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。

生物學(xué)是鉆研生命現(xiàn)象和生命活動(dòng)規(guī)律的一門(mén)科學(xué)，其研究領(lǐng)域廣泛，研究對(duì)象復(fù)雜多樣。生物建模實(shí)際是通過(guò)模型構(gòu)建將抽象復(fù)雜的生物知識(shí)直觀呈現(xiàn)的過(guò)程，它既是一種思維方式，也是處理生物學(xué)問(wèn)題的一種重要手段。對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，參與生物建模的過(guò)程，有利于學(xué)生拓展思維，將抽象的生物知識(shí)與直觀的模型聯(lián)系起來(lái)，從而養(yǎng)成理論聯(lián)系實(shí)際的嚴(yán)謹(jǐn)思維。

基金項(xiàng)目：南京市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2022年度課題“基于自身認(rèn)知理論的中學(xué)生物學(xué)主題學(xué)習(xí)實(shí)踐研究”（L/2022/026）。