中學生物學模型構建教學的應然分析與實踐意義

［摘要］ 首先對模型構建描述功能、解釋功能、預測功能進行概述，進一步分析中學生物學模型構建教學的動機，重點關注外部因素與內部因素的關聯(lián)，嘗試激發(fā)并維持學生的建模動機。通過一系列實踐探索，得出模型構建教學有利于學生表征個人知識、完善知識體系和實現(xiàn)學習遷移，同時還有助于學生觀察能力、思維能力的培養(yǎng)。

［關鍵詞］ 模型構建教學；教學功能；教學實踐；中學生物學

近年來，世界各地對模型構建的關注日趨增強，并且許多國家在教育計劃中多次提及建模能力（Modeling capability）。比如，20世紀80年代的美國，就將“建模”這一概念引入了“2061計劃”，并在教育綱領文件中詳細闡述了不同教育年齡層次應掌握的模型教育目標。生物學課程有自成體系的學科特征、思維方式和價值理念。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》提到，科學思維是指尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴謹和務實的求知態(tài)度，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。“模型與建模”是科學思維的重要方法之一，其中模型具有描述、解釋、預測科學現(xiàn)象的重要功能，它可以幫助學習者理解抽象、不可即時觀察的科學概念；建模則是通過模型構建輔助學習者建構知識的一種手段，其能幫助學習者對所學概念進行協(xié)商，最終達成學習目標。因此，以模型為基礎的建模式教學是教師在教學中可以廣泛運用的策略。

一、中學生物學模型構建的功能與應用概述

1.模型的描述功能與應用

模型主要是通過抓住原型的本質特征，并依據(jù)類比原則，經(jīng)過簡化、純化過程構建而成的。所以，借助模型可以有效地描述原型的本質特點，以及各組成成分和要素之間的關系，從而幫助人們更好地理解原型。比如，細胞膜的流動鑲嵌模型（圖略），很好地描述了細胞膜的組成成分，以及其具有一定流動性的結構特點、選擇透過性的功能特點等。

2.模型的解釋功能與應用

模型作為科學解釋的一種工具，可以將邏輯、證據(jù)和現(xiàn)有知識建立關聯(lián)，然后就認識對象的因果聯(lián)系、結構與功能屬性，以及這一對象的起源和發(fā)展給出合理的解釋。模型解釋的對象可以是一個過程、觀點、想法、定律和原理等，如孟德爾基因分離定律、基因自由組合定律的遺傳圖解、達爾文自然選擇學說的解釋模型等。現(xiàn)代生物進化理論的解釋模型如圖1所示。

3.模型的預測功能與應用

模型的預測功能是指通過研究模型可以推測有關原型的未知屬性等。模型的預測功能主要體現(xiàn)在科學知識的發(fā)展過程中。從認知規(guī)律角度來審視，模型是科學研究的核心工作，而基于模型的科學研究則是推動科學知識發(fā)展的動力，是人們不斷地構建模型、修改模型，甚至完全推翻原有的模型再重新構建新的模型的過程。當一個科學模型成為科學范式的時候，它會直接提高科學家的認知，并且使他們傾向于運用此模型來預測和發(fā)現(xiàn)新的事物。其實，模型的預測功能還表現(xiàn)在通過研究模型來揭示事物的發(fā)展趨勢和發(fā)展規(guī)律，從而預測事物將來的發(fā)展狀態(tài)或者預測新事物的產(chǎn)生。例如，根據(jù)測繪的種群S形曲線，為合理地控制種群數(shù)量、適時采伐、捕獲等提供理論指導，為害蟲的預測及防治提供科學依據(jù)，為保護珍稀、瀕危物種提供切實可行的方法等（見表1）。

二、中學生物學模型構建教學動機的應然分析

中學生物學模型構建教學的動機是激勵學生在建模活動中充分發(fā)揮手腦協(xié)作功能，是推動學生解決實際問題的動力源泉。中學生學模型構建教學同外部因素與內部因素有著密切的關聯(lián)。

1.外部因素與內部因素

教師在教學中重視生物學知識的應用和建模。學生在這樣的教學活動中經(jīng)歷了生物學知識應用與建模的過程，感受到生物學知識應用于實際生產(chǎn)生活的意義。教師為學生創(chuàng)設的生物學建模的環(huán)境與條件，以及在教學中教師對學生提出的各種要求，這些方面共同形成了學生對生物學知識進行應用與建模的外部動機。

中學生興趣愛好較為廣泛。在課余科普讀物中，學生可能閱讀到與生物學知識應用與建模有關的內容，并對其產(chǎn)生興趣，或者從本校的或外校的同學參加生物學知識應用與建模活動中受到啟發(fā)，獲得自己認知結構中所沒有的新信息。由此，學生會產(chǎn)生一種好奇心，產(chǎn)生想進一步了解它的愿望，并且會產(chǎn)生自己也想用所學過的生物學知識去解決實際問題的需求。所以，學生生物學建模內部動機的最大特征就是成就動機。有的學生出于對生物學的愛好，有一種把生物學這門學科學好的認知心理需求。有的學生由于參加過生物學知識應用與建模的活動并取得了一些成績，對生物學建模有了切身體驗，獲得了一些成功的經(jīng)驗。他們通過運用自己掌握的生物學知識解決實際問題，在克服重重困難后終于取得成功，由此在心理上獲得一種滿足感，并產(chǎn)生自我發(fā)展的需求。

2.外部因素與內部因素的關聯(lián)

外部動機與內部動機是相互聯(lián)系、相互補充的，并且是可以互相轉化的。學生在外部動機作用下，完成教師布置的生物學知識應用與建模作業(yè)，正確回答教師提出的問題，對實際情境中的數(shù)量關系作出合理的解釋，從中逐漸產(chǎn)生了對生物學建模的興趣，此時外部動機就轉化為內部動機。相對而言，外部動機是短暫的，其作用是有限的，而內部動機則是持久的、強烈的。事實證明，僅靠建模的外部動機，學生生物學知識應用建模活動難以長久地開展下去，也不太可能取得良好的效果。只有不斷激勵并保持學生建模的內部動機，建模活動才能良性地開展下去。

3.激發(fā)并維持學生的建模動機

為了激發(fā)并保持學生的建模動機，教師在教學活動中應做到以下幾點。第一，創(chuàng)設問題情境，激發(fā)求知欲，培養(yǎng)興趣。在生物學知識應用與建模教學活動中，教師要創(chuàng)設豐富、生動的問題情境，并用富有感染力的教學語言激發(fā)學生的求知欲，以便培養(yǎng)學生的建模興趣。第二，防止焦慮。學生參加生物學知識應用與建模活動，會遇到各種各樣難以預料的困難和挫折，這些緊張、擔心、害怕、懷疑都是焦慮心理的表現(xiàn)，一定的焦慮能促進學生建模的積極性，但是過度的焦慮卻會導致建模動機的動搖甚至喪失。為此，教師在建模活動中要密切關注學生建模工作的進展、心理活動的狀態(tài)，并設法就不同學生產(chǎn)生的問題，有針對性地鼓勵他們迎接困難和挑戰(zhàn)，給他們提供一些解決困難的具體幫助和建議。第三，及時評價，激勵成就動機。教師要認可學生好的想法和做法，肯定學生工作中取得的成果，同時用合情合理的方式指出學生在建模中存在的問題。這種及時、恰當?shù)脑u價，有助于激勵學生建模的成就動機。

三、中學生物學模型構建教學的實踐意義

模型構建教學的意義主要體現(xiàn)在學生可以借助模型對生命現(xiàn)象做出解釋，通過模型對科學探究做出猜測，憑借模型對科學本質做出判斷。越來越多的國家將模型引入課程，旨在借助模型促進學生加深對事物的理解，引導學生學會運用模型來解釋客觀事物發(fā)展和運轉方式。其實踐意義主要有以下兩點：

1.表征個人知識、完善知識體系和實現(xiàn)學習遷移

思維建模的方式有很多種，包括語義網(wǎng)絡、概念圖、知識圖譜、意象圖式等，當下最為流行的是思維導圖。知識體系的建構表現(xiàn)在，學生借助教師創(chuàng)設的情境與提供的建模工具，在解決問題的過程中，進一步調整自己的概念模型結構，并通過多種形式的認知呈現(xiàn)，豐富和拓展內部的認知概念模型的意義，從而實現(xiàn)知識的進一步系統(tǒng)化建構。各學科教學的一個重要目的是幫助學生形成終身受用的關鍵能力和必備品格，其中知識遷移是一種重要的學習能力，而指向問題解決的思維建模方式能幫助學生形成在其他情境下靈活地應用、轉變、改造相關知識的能力，從而實現(xiàn)學習的遷移。表征自己的知識，完善知識的建構，實現(xiàn)學習的遷移的過程，這些都是需要學生主動完成的。同時，隨著在不同情境下問題解決能力的提高，學生進一步感受到學科知識運用的意義，從而形成真正意義上的價值認同。

2.模型構建有助于觀察和思維能力的培養(yǎng)

觀察是人們認識世界、增長知識的重要手段。建模活動中問題的提出、變量的篩選、生物學模型的建立和識別、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)等，都依賴反復而認真的觀察。不僅如此，思維和想象、模型的計算也都以觀察為基礎。對于中學生物學模型構建教學中的觀察，首先是觀察全局，問題情境呈現(xiàn)了一些什么現(xiàn)象，這些現(xiàn)象中有哪些因素在相互作用、相互影響，哪些因素可以用數(shù)量來描述，其中哪些是常量、哪些是變量；其次是觀察哪些量彼此相關，是一種什么關系，在確定了研究對象之后，則要深入局部，側重觀察研究對象與哪幾個量有關，其中對研究對象影響較大的量有哪些；當學生通過調查掌握了一些數(shù)據(jù)之后，最后要觀察這些數(shù)據(jù)是怎樣變化的、有無規(guī)律可循、是什么樣的規(guī)律等。

這里的思維主要指生物學思維，它貫穿于生物學知識應用與建模活動的始終。學生生物學思維的發(fā)展大致分為兩個階段。第一階段，學生處于形象思維的初級階段。在這一階段，對觀察到的材料加工、整理，并將感知到的數(shù)量關系及結構或空間形式，轉換成生物學的語言，如符號語言、圖形語言、表格語言、算法語言等。第二階段，一般是邏輯思維階段和形象思維的高級階段。學生將所感知到的材料與自己已有的認知結構相比較，根據(jù)觀察感知到的材料的性質與特點，將問題歸類，確定建模的方向，創(chuàng)造性地建立生物學模型。如果說，學生已有的生物學知識和方法不足以研究解決所面臨的問題，則需要學習新的知識和方法，或者重新觀察、分析材料，通過抓住主要因素，舍去次要因素，進一步簡化問題，形成新的認知，在一個新的層面上重新建模并求解。

綜上所述，中學生物學中的模型構建教學是課程教學改革背景下的應然取向。開展模型構建教學，不僅有利于中學生物學課程改革的落地，還有利于學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

[本文系江蘇省教育科學“十三五”規(guī)劃課題“模型構建：聚焦中學生物學科探究式教學的研究”（項目編號：JS/2020/YZ-c/2020/13）研究成果]

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