在建模活动中提升模型认知能力

姚国平

文件编号：1003-7586（2018）11-0012-03

模型与建模是科学发展的重要元素，也是科学学习中不可或缺的认知与能力。模型认知即指基于模型的认知，包含两个基本层次：①基于科学模型的认知，即感受模型素材，識别组成要素及要素间的关系，通过模型理解事物及其变化的本质特征和规律，在使用模型过程中完成描述、解释现象，预测性质与变化等功能;②建构认知模型，在认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系的基础上，建立认知模型，为解决复杂问题提供思考框架，形成解决问题的思路与方法。在生物学教学中，教师应该帮助学生树立模型意识、体会模型价值，以建模活动为载体提高学生的模型认知能力，提升学生的学科核心素养。

1建构思维模型，填补认知空白

建构思维模型是指通过分析与综合、演绎与归纳、分类与比较等思维规则，把特定的研究对象或问题转化为普遍的本质规律，从而用以解决该类实际问题的科学思维方法。如果学生的学习经历了思维模型的建构过程，形成对一类问题的结构化认识并构建解决模型。那么，他就会像科学家一样用科学的方法去认识原型事物，有助于学生高级思维能力的形成。初中生物学学习内容比较庞杂，涉及多个领域，囿于知识和经验的匮乏以及抽象思维能力的不成熟，学生在某些学习领域会存在思维的盲区和认知的空白，找不到解决问题的切入点。因此，在某一特定的学习领域，尤其是陌生的领域，教师应当帮助学生提炼出符合认知规律的思维模型结构，逐步建立起解决复杂问题的思维框架，让教师的“教”真正引领学生的“学”，让学生从“学会”彻底转变为“会学”，以进一步促进学生学习力的发展。

例如，关于鸟类的飞行，教师首先引导学生从玩纸飞机的经验来交流飞机飞得高、飞得远的因素，如折纸飞机的纸张要薄、纸飞机的头部要尖、纸飞机的翼展要宽大、扔纸飞机要稍稍用力且要有一定的角度。然后，引导学生联想自然界中鸟类飞行是通过翅膀灵活运动和羽毛共同作用产生升力和推力。升力以托举鸟类重量，推力以克服身体各部分阻力，而体重相对较轻、身体呈流线型是鸟类有利飞行的充分条件，也就是说鸟类的高效飞行是诸多因素综合作用的结果。由此，提炼、构建“家鸽适应空中飞行特征”的思维模型：减小阻力、减轻体重、增强推力、增加升力。建立思维模型，相当于在头脑中绘就了一张思维的蓝图，学生会主动围绕核心问题从不同角度寻找证据证实，改变了以往被问题串牵着鼻子走的被动局面。

又如，关于生命起源的条件，对于初中学生来说完全是陌生的学习领域。为了填补学生的认知空白，教师可以预先呈现以下材料：动物和植物都是有生命的，其基本结构和功能单位都是细胞。科学家发现，所有细胞，不论是动物细胞，还是植物细胞，都是由2种重要的物质构成的，这就是蛋白质和核酸，并且这些物质的产生需要大量的能量。据此科学事实，学生的头脑中便形成了指向性非常明确的问题解决思路：生命的起源不是无中生有，而是类似于工厂制造产品的过程，需要物质、能量以及一定的场所。依据此思维模型，学生的自主学习便有章可循、层层推进。

2建构物理模型，跨越认知障碍

物理模型是指以实物或图画形式直观地表达对象特征的模型，如人体结构模型、条件反射动态模型等。教师在教学中使用物理模型，可以将微观现象宏观化、抽象事物具体化、内隐结构可视化，以简单、清晰的形象表达出直观、明确的含义，有利于学生跨越认知障碍，顺利找到事物最主要的特征和功能，进而认识生命世界中的本质。

教师根据实际教学的需要，可以利用现成模型，也可以利用自制模型。其中，自制模型更能发挥教学的最大价值，促进学生多维认知发展。例如，“呼吸运动”是学习的难点，如何扫除认知障碍，帮助学生准确理解呼吸运动这一生理过程？教师通常用玻璃钟罩模型来演示，为学生搭建认知的支架。但是，该模型在教学中存在一定的局限性：①是钟罩模型是玻璃材质，只能演示膈肌的变化，不能演示整个胸廓的变化;②该模型数量有限，只能用于教师演示，不适合分组探究。秉承低成本实验的理念，教师可以在课前布置学生用废弃材料制作胸廓模型（剪除底部的软塑料瓶代表胸廓，保鲜袋剪成的塑料薄膜代表膈，心形气球代表两个肺，在塑料瓶底部套上保鲜袋，将气球箍紧瓶口后倒扣入瓶内，这样就制成一个简易的胸廓模型），然后在课堂上分组模拟探究。上述案例中，学生自制模型的过程是深化知识理解的过程，也是实践能力和创新精神提高的过程;课堂上的模拟探究过程是自主建构概念的过程，也是科学方法、探究能力和合作能力提升的过程。由此，学生关键能力的培养落到了实处。

3建构数学模型，挑战认知高度

数学方法的运用是学科发展、成熟的重要标志。“一门科学只有成功地动用数学时，才算达到了完善的地步”。数学模型是指对现实原型作抽象、简化后，采用形式化的数学符号和语言所表述出来的数学结构，属于学科交叉的通用概念。在生物学中，用于表达生命活动规律的计算公式、函数式、曲线图，以及由实验数据绘制成的柱形图、饼状图等都属于数学模型。由于数学模型是对真实世界或实物抽象程度最高的模型，考虑到不同学段学生抽象思维水平的发展特点，在初中阶段对数学建模并没有明确的要求。但是，这并不影响教师在教学中相机而行、适当渗透，让学生在经历建立数学模型、运用数学模型的过程中，体会如何通过数学的“语言”来描述、分析和解决问题，在挑战认知高度的过程中促进学生认知能力进阶。

例如，关于“细胞为什么不能无限长大”的讨论，教师可以布置以下学习任务：假设细胞为正方体，以边长分别为1、2、3、4μm，计算细胞的表面积和体积比（表1），尝试发现其中的规律。

学生以计算公式的形式构造细胞表面积和体积比的数学模型，由该模型分析发现，随着细胞长大，表面积和体积比越来越小。教师进而启发：如果表面积和吸收营养物质有关，体积和消耗营养物质有关，那么随着细胞的不断长大会出现什么情况？这样把数学和生物学联系起来，能够将问题引入更深层的本质问题。在教师的引导下，学生茅塞顿开，作出如下解释：随着细胞长大，表面积与体积比减小，说明细胞吸收的营养物质不能满足细胞的消耗，就像一个人一样缺乏营养，自然就长不大了。最后，教师呈现科学解释：①细胞太大则表面积与体积比变小，细胞与外界物质交换速率降低，影响营养物质的供应和吸收，也影响代谢废物的排出;②细胞体积过大，细胞核控制生命活动的能力受到限制。这样，教师借助数学模型，引导学生从现象中揭示本质和规律，把看似复杂的生物学现象解释得清晰明了。学生在初中阶段进行这种较高要求思维能力的训练，为升入高中阶段学习数学模型奠定了良好的基础。

4建构概念模型，摒弃认知无序

概念模型是指以文字表述来抽象概括出事物本质特征的模型，在生物教材中主要以概念图、示意图的形式来呈现。学生的认知是一个从混沌到清晰，从无序到有序的螺旋上升过程。凌乱、繁杂的知识无法有效纳入知识结构、形成整体的认知。只有结构化的知识才有助于学生记忆、理解和迁移。而概念模型是对事物的抽象提炼，能让知识有序编码，以系统化和结构化的形式与学生原有的认知结构对接、整合，从而极大地提高学习效率。因此，概念模型是学生学习重要概念的工具。帮助学生构建概念模型是解决认知无序性的关键。在教学实践中，教师充分利用教材蕴含的丰富素材，发挥概念模型的作用，可有效提高学生的认知能力。

例如，“人体血液循环”涉及的名词概念多、易混淆，循环途径抽象复杂，是初中学生学习的难点。因此教学时，教师应遵循从“结构”到“功能”的认知规律，第一步是理清血液循环的途径，即解决结构的问题;第二步是理解血液循环的本质，即解决功能的问题。关于血液循环途径的学习，教师可以在学生观察小鱼尾鳍血液流动现象，获取初步感知的基础上，要求学生对照、研读教材“人体血液循环示意图”，以剪、贴的方式在A4纸上合作建构相应的概念模型，然后进行展示和交流。

该概念模型舍去了次要的、非本质的信息，用箭头、文字、图框等元素简约、清晰地揭示出血液循环这一生理过程的主要特征。学生在操作过程中能领悟出，体循环和肺循环的起止点都是心脏，在心脏处汇合组成一条完整的循环路线。此外，建模活动给学生提供了自主探究与交流的平台，为概念模型的深入扩展提供了契机。由于提供的即时贴箭头有红、蓝两种，在展示交流过程中，学生发现这代表不同类型的血液，是不能随意摆放的。那么，怎样才算科学、合理呢？随后，学生对原有概念模型进行反思、修正，同时在“肺部毛细血管”和“全身毛细血管”2个节点处添加“肺泡”“组织细胞”，表示在此进行物质交换。由此，学生对动脉血、静脉血以及血液循环有了本质的认识。这样，教师通过引导学生建构概念模型，学生的认知朝着有序化、条理化状态发展，有利于他们把先前学习的血管、心脏、血液等概念逐步连成线、织成网，从而夯实整个知识结构，提升认知水平。