物理模型与建模在细胞结构与代谢教学中的应用

齐晓庆

摘 要：模型是高中生物学课程内容的重要组成部分，模型与建模是《高中生物学课程标准》中提到的学科核心素养中理性思维的重要组成部分，建模能力是学生解决实际问题需要具备的重要能力。将物理模型构建运用于比较抽象的细胞结构与代谢模块的教学，能将生物学中抽象难懂的知识变得形象具体，激发学生学习兴趣，提高学生在教学过程中的参与度。学生在合作交流与评价中学习，发挥学生的主观能动性，让学生置身于探索科学现象，发现科学规律的探究式学习活动中，可培养学生科学探究能力，形成良好的科学思维和正确的生命观念，符合生物学核心素养的要求。

关键词：物理模型;高中生物;细胞结构与代谢;建模

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》指出：“学生应该在学习过程中逐步发展理性思维，如能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维等方法，探讨、阐释生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题。”“能够从不同的生命现象中，基于事实和证据，运用归纳的方法概括出生物学规律，并在某一给定情境中，运用生物学规律和原理，对可能的结果或发展趋势做出预测或解释，并能够选择文字、图示或模型等方式进行表达并阐明其内涵。”了解建模等科学方法及其在科学研究中的应用，培养学生的建模思维和能力符合新标准的要求。中学生物学的教学应努力将模型构建应用在教学之中，而物理模型构建是模型构建中较常用的方式，特别是在细胞结构与代谢教学中对提高学生的科学探究能力和学科素养尤为重要。

一、物理模型构建与应用的重要性

戴尔经验之塔表明，模型构建贴合中学生的认知规律，通过动手操作，可以得到真切的经验，还可以总结运用上升到内化的抽象经验，并迁移运用。物理模型是指以实物或图画形式直观地表达认识对象的特征，可使研究对象直观化、简约化，便于研究;又可简略地描述研究成果，便于理解和传播;还可用于推导，延伸观察和實验结论等。因此，应合理利用物理模型，使抽象的内容具体化，引导学生进行探究，在教学上会让真实对象更容易理解。戴尔经验之塔也可以看出，塔最底层的经验最具体，越往上升越抽象。教学就应从具体经验下手，逐步上升到抽象，有效的学习途径就要有足够的具体经验。目前，在细胞结构与代谢模块教学中最常用的做法就是让学生强记各种细胞结构的特点与功能，没有具体经验作支撑，学生对这些文字、图片概念的理解只能是抽象的，不具体的。因此，要充分理解细胞结构特点及其与功能相适应，要从做的经验开始。物理模型构建是做的经验，通过物理模型的构建，再去理解概念、理解代谢场所与过程。

二、构建物理模型在细胞结构与代谢教学中的应用

（一）细胞膜结构教学中物理模型的构建与应用

细胞膜的结构是人教版高中生物学教材必修一第三章《细胞的基本结构》中的内容。此内容是学生认知细胞膜结构与功能的重要组成部分。学生在真正掌握细胞膜流动镶嵌模型的具体内容才能深入理解细胞膜结构与功能相适应的生命观念，为以后学习细胞的物质输入和输出打下基础。

在本内容的学习中，在各小组自主探究学习的基础上，让组内学生合作模拟探究流动镶嵌模型的科学探究史，并强调在构建模型过程中要注意理解结构与功能功能相适应的生命观念。

通过观察课本插图，以及学生构建相应的物理模型，使抽象问题具体化，将微观的细胞膜结构形象化，让学生更容易理解生物膜的基本结构。

（二）动物细胞和植物细胞的亚显微结构模型构建

翟中和院士曾说：“我确信哪怕是一个最简单的细胞，也比迄今为止设计出的任何智能电脑更精巧！”笔者所执教的学校是体艺特色学校，学生文化科基础较薄弱，但他们在绘画等方面比较投入。所以在细胞结构与代谢模块的学习中，在完成理论知识学习后，马上开展了细胞结构模型的建模比赛。构建模型时，科学性和准确性应是第一要素，所以在模型构建活动之前再次引导学生关注细胞的基本结构及其功能相关知识。激发学生绘制动植物细胞亚显微结构模式图的兴趣。

细胞的亚显微结构复杂，学生在识图、对比、记忆方面都比较困难，教学中就以激发学生的兴趣和绘画潜能为情境，创设突破口，有序开展教学，让学生把死记硬背的生物学知识活化起来。引导学生讨论以下问题：

动植物细胞在结构上有什么主要区别？动植物细胞共有的细胞器，特有的细胞器。每种细胞器的形态与分布特点。

离开课本原图，描绘或制作出动植物细胞亚显微结构模式图或模型。

经过学生脱离课本描绘或制作动植物细胞亚显微结构模式图、模型，以及学生的合作、交流、讨论，培养了学生动手、思维、协作和表达能力，科学探究能力，形成科学思维与正确的生命观念。

（三）构建物理模型在细胞代谢教学中的应用

各具结构和功能特点的叶绿体和线粒体是真核细胞中十分重要的两种细胞器，并与对生命活动起关键性作用的两大生理反应——光合作用和细胞呼吸有着紧密的联系，这些都是高考考查的重点难点内容。两者在结构与功能上存在着异同和联系，充分、准确地把握上述两种细胞器的结构与功能，才能更好地理解光合作用与细胞呼吸两大代谢活动的具体过程。

1. 引导学生构建叶绿体和线粒体的物理模型

首先，引导学生通过对比，总结归纳等方式把叶绿体和线粒体的结构做详细比较，如表1所示。

然后，让学生根据比较内容，再去绘画叶绿体、线粒体的亚显微结构模式图。学生通过对比、画图等过程，可以容易把叶绿体和线粒体的结构差异理清，透彻理解。为接下来学习的光合作用和细胞呼吸打下良好基础。

2. 构建光合作用与细胞呼吸关系物理模型

光合作用与呼吸作用作为地球上生命物质最重要的两大作用，其在自然界的重要意义和本身复杂的生理过程，很大程度上会引起学生的求知欲。但同时由于内容非常抽象，学生在学习过程中也会因遇到困难而产生厌烦、畏惧。传统的教学模式中，比较偏重于知识的传授而忽略知识的过程性生成和联系，习惯教师讲，学生听，较少考虑学生的主动参与，调动学生主动构建、积极思维、自主生成。由于之前学生已经有了细胞膜、叶绿体与线粒体等细胞结构物理模型构建的经验，所以在这两大代谢的教学中，同样可以用引导学生自主探究与合作建模的方式来主动学习。经过自主探究—合作建模—归纳总结—迁移活用等学习活动，直观地把抽象内容形象化，最终加以内化。

要求学生比较分析光合作用和细胞呼吸过程中原料和产物中各物质的变化，并将其变化过程绘制在一张图上，研究两个生理过程之间的变化关系，结果如下。

光合作用总反应式：6CO2+12H2O→C6H12O6+6O2+6H2O

有氧呼吸总反应式：C6H12O6+6H2O+6O2→6CO2+12H2O+能量

通过两个生理过程的结合建模，学生更加容易理解教学、考试的重难点问题“净光合作用=总光合作用-呼吸作用”。

三、结束语

学生通过物理模型与建模等学习活动，对细胞结构与功能的生命现象以及生命活动的规律从感性认识，通过抽象、概括等理性思维，进行提炼和升华，形成生物学概念。最终，将多个概念进一步加工，构建物理模型形成自己的知识体系，建立对细胞结构与代谢的整体认识，即为生命观念中的“结构与功能观”。在后续新的生物学学习中，学生可以根据已掌握的科学方法进行观察、解释、抽象和建模，从而不断发展生物学核心素养。

参考文献

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（广东省广州市增城区教师发展中心，广州510000）