模型建構培養高中生物科學思維核心素養的研究

摘 要：在高中生物教學中展開模型建構教法，立足于生物3D模型，引導學生進行模型觀摩、自主制作、合作探究等，均有助于學生加強對相關生物知識的認識和理解，同時也有利于培養學生的科學思維。本文對此展開綜合分析，主要圍繞生物物理模型，進一步明確了模型建構對于高中生物教學的積極意義，探討生物模型教學強化學生自主學習能力的機理，分析了高中生物教學現狀，重點探討了模型建構培養高中生物科學思維核心素養的實施途徑，詳細說明了：教師展示實物模型引導學生深入學習、學生建構3D模型用來解決實際問題、利用合作探究方法促使學生進行建模事件等教法，列舉相關案例。

關鍵詞：模型構建；高中生物；科學思維；教學研究

隨著教育機制的發展，“模型”“模型建構”等詞逐漸成為教育熱詞，高中生物模型分為物理模型、概念模型、數學模型三大類，在科學認識中具有描述、解釋和預測等功能，本文則主要圍繞物理模型來展開。在實際教學中，教師引導學生觀察實物模型，或者指導學生自主創造3D模型或者學生合作探究設計3D模型，均有利于學生更好地掌握生物知識，促使學生科學思維養成。這就要求相關教師在組織生物課堂教學時，應對傳統教學中存在的不足之處進行改革創新，構建以生為本的教學課堂，基于模型建構，多方面改進生物課堂，提升教學的有效性。

一、模型建構在高中生物教學中產生的積極意義

模型建構指的是：在對研究對象進行實驗觀察和證據推理的基礎上，利用簡化、抽象和類比的方法，反映研究對象的本質屬性與特征，對生物現象的本質和規律進行概括性描述和認識的思路。高中生物模型分為物理模型、概念模型、數學模型三大類。本文主要針對物理模型展開說明。在高中生物教學中運用模型建構展開教學，有著以下作用：

（一）能夠激發學生的學習熱情

在高中生物課程中展開模型建構教學，將所要學習的生物模型用更加直觀、更加生動的方式呈現在學生面前，學生對生物模型的結構、組成以及特點等進行直觀觀察，能夠加強學生的學習體驗，這樣必然有利于激發學生的學習熱情。而興趣是學生最好的老師，學生在具有學習熱情的基礎上，他們的觀察力、抽象力、總結力等一系列學習力都會更加優秀，學習效率與質量也會因此上升。

（二）能夠提高學生的學習質量

在高中生物課程中展開模型建構教學，不管是教師向學生展示生物物理模型，還是讓學生自己去制作生物物理模型，學生都將對所學習的生物模型進行深入思考，對生物體或生物現象的本質與現象發起研究，通過觀察、思考、探討、實驗、抽象、總結等思維過程，獲得生物模型知識，有利于提高學生的學習質量。

（三）能夠培養學生的科學思維

《普通高中生物學課程標準》（2017年版2020年修訂）提出四大生物核心素養，“科學思維”就是其中之一，科學思維包含科學態度、科學認識、科學方法等幾個方面，需要學生能夠養成尊重事實和證據的嚴謹求知的態度；能夠養成對生物現象的科學認識；能夠運用科學的思維方法去解決實際問題等。高中生物課程展開模型建構教學，就是在引領學生經歷科學探究這一過程，就是在創新教學方法，以學生為中心，讓學生作為研究者對各類生物模型進行研究。這一教學方法有別于傳統教學方式，能夠更好地培養學生的科學

思維[1]。

二、開展生物模型建構教學可以強化學生的自主學習能力

隨著教育機制的不斷發展，愈發重視對學生自主學習能力的培養。自主學習能力指的是學生通過觀察、閱讀、分析、抽象、總結等一系列學習過程，運用已有的學習經驗，去獲得相關知識，或者解決實際問題。而開展生物模型建構教學，教師向學生發布生物模型建構任務，讓學生先思考分析所要建構的生物模型的構成組分、規模大小、細節特征、生物功能等，再讓學生一步步按照生物模型的特點去建構生物模型，掌握相關知識，提升模型建構技能。這一過程就是學生自發地、獨立地對生物模型相關知識進行二次精加工的過程，一些教學難點會迎刃而解，一些學習遺留問題也會得以解決。如此一來，不僅可以深化學生對生物模型的理解和認識，還可以強化學生的自主學習能力，培養學生自主學習的好習慣，實現“教是為了不教”的目的，實現了從“知識本位”的“被動學習”轉型為“素養本位”的“能動學習”的過程。學生自主學習能力的養成，將會讓他們在生物學習以及其他課程學習中倍加受益[2]。

三、新課程視域下高中生物課堂教學現狀

（一）教師的綜合素質有待提升

在新課程視域下，科學思維是教育重要導向，是為了促使學生在認識、思維、實踐、觀念等多方面得以綜合提升，而就教學現狀而言，一部分教師的綜合素質有待提升，既不能明確核心素養培養目標，在生物課堂教學中仍然僅重視對學生的知識教育，“唯分是舉”的問題還比較嚴重，也不能采用新穎的教學方法，沿用傳統教學方法導致高中生物課堂教學的教學氛圍僵化、教學形式老化、教學過程制式化，學生在生物課堂中沒有投入百分百精力，學習興趣得不到激發。于是就導致學生在高中生物課堂學習中的收效不足。教師綜合素質有待提升的核心原因，在于不能及時領會新課程標準的內涵，在教學方法選擇上因循守舊、得過且過，缺乏采用先進教學理念與方法的魄力。

（二）模型建構的精準度欠缺

生物模型建構是一種非常有效的教法，在課堂上或者講實物模型，或者讓學生自主建構實物模型，學生觀察或自主建構實物模型，必然會讓學生能夠認識生物體或生物現象的本質特征、構成要素等，進而提升高中生物教學質量，有益于培養學生的核心素養。但現存的問題就在于模型建構的精準度有所欠缺，實物模型不能完全表現出生物模型知識的細節特征，比如細胞膜的褶皺、細胞器的形狀等，建構的模型較為粗放化。如此一來，學生不能基于實物3D模型的觀察或創造的過程去完全領會生物模型的細節特征，學習就會有遺漏之處，同時這種粗放化的建模過程，也體現教師或學生隨意化的態度，這與嚴謹、求實的科學思維是相悖的。

（三）課堂教學真實情境創設應用意識不足

在高中生物教學中，存在教師對真實情境創設應用意識不足的問題，教師往往只是簡單地模擬一個情境，或者直接設置一些虛擬的情境，缺乏真實性和感染力。或者教師減少利用生物3D模型來展開教學，也缺少引導學生制作生物3D模型的教學活動任務。或者教師往往只是簡單地向學生說明生物模型的所有知識，卻沒有就其中的細節特征引導學生進行觀察模型、建模體驗，這樣的課堂情境創設是淺薄的，是不真實的[3]。

四、模型建構培養高中生物科學思維核心素養的具體運用

（一）建構實物模型，強化學生的空間想象素養

在高中生物教學中為進一步培養學生的科學思維素養，可借助實物模型，讓學生對實物模型進行直觀觀察，感受實物模型所反映的生物模型的組成、規模、大小等特征，學生經過一定量的直觀認識，在感性經驗的基礎上自然會形成理性認知。因此，在高中生物教學中，教師可以為學生提供豐富的生物模擬實物模型感知材料，并且讓學生自己去觀察事物或現象，進而獲得生物知識，得到模型認識與經驗，而不是被動地接受知識。這不僅有助于培養學生的生物建模意識，也能夠培養學生的空間想象素養、科學思維素養等，促使學生全面成長。

例如：在人教版高一生物必修1第三章《細胞的基本結構》與第四章《細胞的物質輸入與輸出》教學中，涉及“細胞膜”“細胞器”“細胞核”“生物膜的流動鑲嵌模型”等，而細胞層面的學習是非常抽象的，是從微觀層面去認識細胞的結構以及流動模型，而在實際教學中，教師建構相應的實物模型。其一方面能夠確切地展示出生物模型的組成，比如一個典型的植物細胞的基本結構包括細胞壁、細胞膜，細胞質、細胞核、內質網，高爾基體，葉綠體、線粒體等，教師等比例、用不同色彩的黏土捏成一個立體的植物細胞實物模型，引導學生進行觀察學習，有助于培養學生的空間想象與科學素養。另一方面，實物模型能夠體現出生物模型細節處的獨特結構與功能，如細胞膜的褶皺、細胞器的形狀、生物膜的流動鑲嵌特點等。以細胞膜的流動鑲嵌模型為例，這一模型有兩個結構特點：一是膜的流動性；二是膜蛋白分布的不對稱性，蛋白質有的鑲嵌在膜的內或外表面，有的嵌入或橫跨磷脂雙分子層。在構建時，教師可以用鏤空紙帶為材料設計細胞膜的流動鑲嵌模型，將綠色黏土制作的蛋白質、紅色黏土制作的脂類貫穿在其中，學生能夠一目了然地觀察到生物膜流動鑲嵌模型的特點，學習起來效率自然會更高。

（二）立足于3D模型建構，提高問題解決能力

除了教師以實物模型向學生展示之外，教師也可以引導學生去自主建構生物3D模型，要求學生將生物模型的本質屬性與特征表現出來，打造以學生為中心的生物課堂。其核心點在于兩點，一是要能夠激發學生的學習興趣，驅動學生提升自主學習的積極性和主動性；二是讓學生相對獨立、自主地去進行生物建模，體會生物知識的奧秘。立足于3D模型建構，學生構建3D模型的過程，就是對生物知識進行二次精加工的過程，也必然將培養學生解決問題的能力[4]。

例如：在人教版高一生物必修2第3章中的第2節《DNA的結構》中，有實踐探究活動：制作DNA雙螺旋結構模型。問題隨之產生，如何制作一個DNA雙螺旋結構模型，這就需要學生反復揣摩DNA雙螺旋結構的特點，其特點包括：DNA雙螺旋結構是由兩條反向平行的脫氧核苷酸長鏈組成；DNA雙螺旋結構中，脫氧核糖和磷酸通過磷酸二酯鍵交替連接；DNA雙螺旋結構鏈上的堿基按照補配對原則兩兩配對。學生在了解了DNA雙螺旋結構的特點后，選擇用藍色運行底板代表脫氧核糖，用深藍色圓形安裝柱代表磷酸二酯鍵，用綠色圓球代表磷酸分子，用紅色、黃綠色、灰色、綠色方形材料分別代表不同堿基：腺暖呤（A）、胞嘧啶（C）、鳥嘌呤（G）和胸腺嘧啶（T），將若干材料剪裁、折疊、拼湊在一起，注意把控細節，如DNA的兩條鏈之間的堿基是通過氯鍵相連的，而且只有A和T、C和G之間才能形成氫鍵。這一3D模型制作過程，必然將促使學生提升問題解決能力，加強對本課知識點的學習。

（三）開展合作探究，鍛煉學生自主建構生物模型的能力

在高中生物教學中，也倡導互動式、開放式課堂的構建，發揮合作學習的作用，讓學生在合作學習中加深對生物模型的認識。合作學習有兩種形式，一是合作探討，二是合作探究。在合作探討的過程中，有利于學生擦出思維火花，敲定探究方向，解決學習遺留問題。合作探究則是學生分組、分工去進行生物模型建構。在合作探究環境中，學生往往能爆發出更強的學習積極性以及學習力[5]。

例如：教師引導學生分組合作展開“制作病毒的三維結構模型”實踐項目，實踐型的模型建構過程，一般包含模型分析、模型準備、模型建構、模型檢驗與完善等五個步驟。對本項目，第一步進行模型分析，病毒的結構由一個或多個核酸分子（DNA 或 RNA）組成的基因組，其外面有一層蛋白或脂蛋白的保護性外殼，多數病毒呈球狀或近似球狀，少數為桿狀、絲狀或子彈狀，細菌病毒（噬菌體）大多數呈蝌蚪狀，有些病毒有囊膜和刺突。第二步學生進行模型準備，學生發揮主觀創造力，從生活中取材，比如學生選擇使用橡皮泥、紙板、針刺等材料來制作病毒模型，充分展現病毒囊膜和刺突的特點。這一過程，勢必會讓學生對病毒模型有更加深刻的認識，并有利于培養學生的科學思維素養。第三步進行模型建構，學生小組進行合理分工，共同完成病毒模型的建構。第四步、第五步進行模型檢驗與完善，教師在班級中對學生制作的模型進行評價，教師和同學可以指出其中不足之處，之后模型制作小組繼續完善。在合作探究的情境中，在同學互幫互助的氛圍中，必然有益于鍛煉學生自主建構生物模型的能力。

結束語

總而言之，生物“模型”在生物教學中十分重要，其指的是生物體或生物現象的本質屬性與特點。在教學時，注重生物“模型建構”，就是引領學生探究生物體或生物現象本質屬性與特點的過程，這必然有助于激發學生的生物學習興趣，促使學生對相關的生物知識有更加深刻、更加清晰的認識，同時也能夠促使學生科學思維素養提升。在生物教學中，教師需正確認識生物模型建構的重要性，以學生為中心，探索更多優質教學方式。在教學中，可以搭建真實學習情境，建構實物模型，在課堂上向學生展示，就細節處進行講解，強化學生的空間想象素養；也可以立足于3D模型建構，讓學生嘗試去自主創造生物3D模型，在創造模型的過程中將促進學生對生物知識的理解，同時提高學生的問題解決能力；也可以開展合作探究，以合作探究的方式鍛煉學生自主建構生物模型的能力等。通過這些舉措，強化學生對各類生物模型的認識，提升高中生物教學效率。

參考文獻

[1]曹鵬.核心素養下如何開展高中生物模型建構教學[J].高考，2023（13）：3-5.

[2]王曉萍.淺談模型構建在高中生物教學中的應用策略[J].天天愛科學（教育前沿），2022（12）：63-65.

[3]徐歡.高中生科學思維培養策略研究：以基于模型建構的高中生物教學為例[J].高考，2022（27）：134-136.

[4]高洪彬.“教學評一體化”視角下的高中生物模型建構能力培養探索：以“DNA的結構”為例[J].高考，2022（19）：113-115.

[5]蔡海山.模型建構培養高中生物科學思維核心素養的研究[J].學周刊，2022（16）：60-62.