模型思想在生物探究教学中的运用

【摘 要】以苏科版“探究家鸽适应空中飞行的特征”的教学实践为例，探讨在初中生物课堂中运用模型思想设计并开展探究活动。

【关键词】初中生物；科学探究；模型思想；学科核心素养

【中图分类号】G633.91 【文献标志码】A 【文章编号】1005-6009（2019）03-0050-04

【作者简介】姚国平，江苏省无锡市蠡园中学（江苏无锡，214072）教师，高级教师，江苏省特级教师，无锡市滨湖区兼职生物教研员。

科学模型是人们按照特定的科学研究目的，在一定的假设条件下，用物质形式或思维形式再现原型客体的结构、功能、关系、过程等本质特征的类似物。借助于模型来获取、拓展和深化对于客体的认识的方法，是科学研究中常用的模型方法。[1]课堂教学中通过开展建模这一探究活动，有利于学生体验运用模型和模型方法解决问题，领悟模型思维的特点，并掌握生物学重要概念，从而切实提升学生的学科核心素养。以苏科版生物教材七年级下册“探究家鸽适应空中飞行的特征”的教学实践为例，探讨在初中生物课堂中运用模型思想设计并开展探究活动。

一、形成心智模型，优化探究思路

“心智模型”最早由英国心理学家克雷克提出，他认为个体心智构建现实的“小型模型”，可用于预测事件、进行推理或者把它作为解释的基础。我国学者认为，心智模型既是个体对外在事物内在表征后形成的概念框架，又是一种动态的内在运作机制。[2]学生的心智模型通常是不完善的并且是不断发展的，影响着个体对外在事物进行描述、解释和预测的行为与方式。因此，教学中需要引导学生完善、优化心智模型，形成一定的探究思路或解决问题的整体策略，这样能使探究活动具有明确的目标指向性，有利于开放、灵活地实施探究活动，从而提高学生自主参与的积极性和实效性。

对于“飞行”这一现象，学生具备零散的认识，也能做出某些解释，但这都以经验为主，并不能有效指向问题的科学解决。不同于纸飞机的滑行，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，鸟类飞行时产生升力以托举其重量，产生推力以克服身体各部分阻力。[3]升力和推力是飞行的充分必要条件，而体重相对较轻、身体呈流线型是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、构建如图1所示的“家鸽适应空中飞行的特征”的心智模型——减小阻力、减轻体重、增强推力、增加升力。以形象化的方式表征模型，更符合初一学生的认知心理。

鸟类的飞行运动需要发达的动力器官和充足的能量供应。生物体通过呼吸作用产生能量这一生理过程，不仅和呼吸系统有关，还和消化系统、循环系统都有直接关系，这样，探究的视角必然会触及家鸽的生理结构特点。因此，教师应该引导学生回忆此前学过的人体对食物的消化和吸收、能量的释放和利用等内容，并适当补充血液循环的知识，以能量的产生为核心，运用概念图这一可视化的形式架构如图2所示的心智模型。

传统教学偏重“知识本位”，一般是要求学生综合利用图片、标本、视频等资源，从外部形态和内部结构等知识体系来观察、分析家鸽适于飞行的特征，这是一种“机械性”的探究，不利于学生自主探究意识的培养和探究能力的提升。而心智模型的建立，相当于在学生头脑中绘就了一张解决问题的路线图，然后再围绕核心问题从不同角度寻找证据去证实，这样的探究活动更为灵活和开放，而不必拘泥于学科知识的逻辑，体现了“素养立意”的教学观。

二、構建物理模型，开展探究活动

基于模型思想，充分开发和利用模型资源，是提高学生模型认知能力、培养模型思维方法的有效途径。在学生形成心智模型、具有明确探究指向性的基础上，教师可组织他们进行分组自主探究。依据初一学生的认知心理特点，主要借助直观性强的物理模型来开展探究活动。物理模型是指以实物或图画形式直观地表达认识对象特征的模型[4]，能较好实现知识表征的可视化，有效促进知识信息的传递，以及思维的创新发展。

1.探究增强推力的因素。

胸肌是鸟类的发动机，能产生巨大的推力，以克服身体各部分阻力。研究表明，飞行时所需的能量有80%来自胸肌。教学中教师可以利用模型方法，引导学生对其进行探究。

比较图片模型和数据模型，认识龙骨突和胸肌。鸟类胸骨的长度（L）、宽度（W）分别与龙骨突高度（H）的比值（L/H，W/H）可以有效判断不同鸟类的生态习性。教学中教师以图片的形式展示家鸡和家鸽的龙骨突模型（图3），同时呈现其他鸟类胸骨测量数据[5]（表1），学生经过观察、分析、比较，发现飞行能力强的鸟类L/H和W/H值都比较小，进而得出如下结论：胸骨越宽阔、龙骨突越高耸，胸肌的附着面就越大，胸部的肌肉也就越发达，这与鸟类扇动两翼执行飞行生活的特点是相适应的。

模拟制作气囊，理解双重呼吸。准备一只容量较大的注射器，将条形气球的气嘴紧紧箍住注射器的锥头孔，注射器筒身表示肺部，气球表示气囊（图4）。缓慢推、拉注射器活塞，气球鼓胀、收缩，表示气体经肺进入气囊后，再从气囊经肺排出，气体两次在肺部进行气体交换。在感性认识的基础上，辅以双重呼吸的概念模型（图5），让学生更加深刻理解家鸽呼吸系统发达，呼吸效率高，可以满足飞行时对氧气的大量需求。

2.探究增加升力的因素。

鸟类在滑翔飞行时，其两翼会产生很大的升力。通过观察可以发现，鸟类两翼的上表面呈上凸下凹的形式，并且剖面呈流线型（图6）。根据伯努利原理，当气流以一定的迎角吹过翼型时，会因为上下翼面产生的气流速度差而产生压力差（上翼面的空气流速快、压力小，下翼面的空气流速慢、压力大）从而将鸟翼向上托起，产生升力。家鸽体长一般约为33厘米，但翼展可达60多厘米，足以提供飞行时所需的升力。

在初一学生还没有系统学习过物理知识的前提下，教学中教师可以采用模拟演示的方法：准备一张长宽分别为15厘米和5厘米的纸片，将纸的一端贴在下嘴唇，使其下垂形成一个弧度（模拟鸟翼外形），然后沿纸条的上表面缓缓吹气，可以观察到纸片上扬（图7）。这样，形象地展示了升力产生的原理，易于学生理解。

3.探究减小阻力的因素。

现代机车设计者利用空气动力学原理，尽量将车身曲线设计得圆润而流畅，使迎面空气很容易地通过车身，从而达到减少空气阻力的目的。教师以图片形式展示“复兴号”动车模型和家鸽实物模型，同时呈现资料：“复兴号”动车组的外形设计采用全新低阻力流线型头型和车体平顺化设计，列车在运行过程中的阻力比现有的“和谐号”动车组降低11%，由此整个能耗节约了17%。通过问题诱导，学生很容易把家鸽的外形和列车的外形联系起来思考，得出相应的结论：家鸽流线形体型易于减小空气的阻力、减少能量消耗。

4.探究减轻体重的因素。

准备一张A4纸和一张同样大小的硬质包装纸，折成形状一样的飞机模型，用同样的力量和同样的角度使其飞行，观察飞行情况。多次模拟结果显示，质量轻的纸飞机更有利于飞行。那么，家鸽的哪些结构特点有利于减轻体重呢？在教师引导下，学生首先观察家鸽的骨骼，通过掂量家鸽的骨骼标本，体会到比预计的更为轻巧；用小手电照射头骨、胸骨、龙骨，发现其很容易透光；然后结合资料提示，发现家鸽口腔内没有牙齿，尾椎骨是愈合的。此外，家鸽的直肠很短，粪便可随时排出体外。这些特点，都起到了减轻体重的作用。

三、完善概念模型，提升认知水平

概念模型以图示、文字、符号等组成的流程图形式对事物的活动规律、机理进行描述、阐明，是对真实世界中某个领域内的事物进行描述。[6]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。在教学中，概念模型的建构不仅能促进学生形成系统化、整体化的理解，使其有机整合到原有认知结构中，而且有利于学生受到思维方法的培育和解决问题能力的训练，从而整体提升学生的认知水平。

在初中生物教材中主要以概念图、示意图的形式表达概念模型，系统、直观地揭示生物及其生命活动过程的主要特征或本质。本节课在师生合作探究过程中，一步步完善、形成如圖8所示的概念模型。

该概念模型以“家鸽适应空中飞行的特征”为主题，在动态的构建过程中，实现了“一明一暗”两条主线的有机融合，并内化在原有认知结构中。明线即知识线，学生通过自主探究掌握了家鸽的形态、结构、生理方面的知识，并形成了“结构与功能相适应”“生物与环境相适应”的进化适应观；暗线即内隐的方法线和思维线，在探究中着力培育了演绎与推理、模型与建模等科学思维方法，为学生创造性地解决不同领域的新问题提供了较为普适的范例。

【参考文献】

[1]周瑞平，易光明.模型方法——现代科学研究的重要手段[J].武汉交通科技大学学报：社会科学版，2000（3）：25-27.

[2]张丙香，毕华林.中学生科学概念心智模型的理论研究综述[J].化学教学，2017（10）：6-11.

[3]屈秋林，王晋军.鸟类飞行空气动力学对人类飞行的启示[J].物理，2016（10）：640-644.

[4]赵占良.人教版高中生物课标教材中的科学方法体系[J].中学生物教学，2007（3）：4-8.

[5]张玉光，李志恒，刘庆国.鹦形目鸟类胸骨的形态结构特征及其相关功能分析[J].野生动物，2010（1）：17-21.

[6]舒青飞.对高中生物“模型”的认识[J].中学教学参考，2011（8）：70-71.