基于深度学习的高中生物模型建构与应用研究

江苏省泰州市泰兴中学 蒋 进

在学科核心素养下，生物核心素养培养的重要目标之一是提高学生的思维与认知能力。其中模型建构能力是生物学科关键能力培养的重要目标之一，其主要是辅助学生理解与掌握所学的生物学科知识，增强他们学习生物知识的效果。然而，传统的浅层学习理念只注重引导学生学习“做题”，不要求学生对相关问题进行批判性思考和分析，影响了他们解题能力的发展。因此，有效地贯彻深度学习理念，促进学生生物模型建构能力发展具有重要的现实意义。

一、深度学习理念在高中生物模型建构与应用中的价值

深度学习，主要是相对于以往的浅层学习而言的一种学习理念，具体就是立足于学生理解所学知识的基础上，让他们可以在看待问题的时候使用批判性思维，或者批判性地去学习全新的知识、思想等，之后促进学生知识结构体系的完善与发展。同理，在高中生物模型建构与运用的过程中，如果可以有效地运用深度学习理念，那么同样可以为生物模型建构提供一个有效的思维方式，对增强高中的生物教学效果，促进学生生物模型建构能力发展，构建有效生物课堂有很大帮助。比如：基于深度学习理念的有效运用，可以在新授课、实验课、试题讲评课等多个教学环节中贯彻生物模型建构理念，这对提高学生自身的生物模型建构能力具有积极的意义。

二、深度学习理念在高中生物模型建构与应用中的策略

（一）建构物理模型，对抽象生物学概念直观表达

物理模型是高中生物模型构建中最为常用的一类生物模型，主要是指显示客观的现实或与客观事物相似的模型，相应的状态变量同原有事物之间基本可以维持统一状态。基于物理模型的构建，可以对相应事物功能与性质进行模拟，力求可以对相应对象进行解释，可以采用一些特殊的色彩、图形、符号等来对生命现象的发生与发展，以及生物的生理与结构相关性等形成深刻认知。由于所构建的模型中可以涵盖众多生物知识信息，所以可以利用所构建的形态结构模型来有效地表达生物知识。高中生物阶段中最为常见的物理模型主要是形态结构模型，如关于生物体形态结构、器官、组织与细胞等的结构模型，尤其是DNA 双螺旋结构、动植物细胞亚显微结构等最为常见。因此，为了帮助学生更好地理解与掌握这些抽象、关键的高中生物概念性知识，可以采取构建物理模型的方式来开展教学。

例如：在为学生讲解动物细胞部分生物知识期间，为了帮助学生对其对应的真核细胞及其构成情况形成深刻认知，可以采取物理模型建构的方式帮助他们学习其中的相关知识。针对这个模型的建构，可以为学生提前准备大头针、卡片以及多种颜色的橡皮泥等教学器材，引导他们相应地构建真核细胞的三维立体结构模型。在具体的教学过程中，可以依据下述教学流程：首先，在课堂教学期间，教师可以结合生物教材内容为学生认真讲解模型的概念、类别以及构建原则等相关理论知识。其次，可以采取小组合作的学习方式，指导学生灵活地运用所提供的教学器材，相互讨论和沟通细胞器之间的连接方式以及不同细胞器的颜色，力求在动手制作相应模型的时候突出不同细胞器的结构特点，保证学生可以更加便于观察。再次，可以让学习小组的成员分别设定制作任务，使他们可以在有机组合各种细胞器的过程中将动物细胞的真核细胞三维模型完整展现出来。最后，可以采取查漏补缺的方式，引导各个学习小组将所构建的模型展示出来，通过组内自评、组间相互评价以及教师评价等多元评价方式完善物理模型的构建。通过有效地运用所构建的物理模型，可以显著促进学生科学探究能力、思维能力的发展。

（二）建构数学模型，培养高中生的类比推理能力

数学语言丰富，涵盖了函数、图像、计算公式、符号等众多语言形式。通过有效地运用函数、图像、计算公式等抽象性数学语言元素，结合生命活动规律等方面生物知识，构建符合生物知识本质的数学模型，可以辅助高中生更好地认识所学的抽象性生物知识。在现阶段高中生物教材中，涉及的数学模型众多，如计算类模型（遗传规律比例、基因频率、遗传病概率、蛋白质合成分子量、DNA 结构中碱基数量与比例等）、种群“J”型增长、能量流动模型等。

例如：在指导学生学习完“大肠杆菌数量变化规律”部分生物知识后，可以借助多媒体设备为学生展示“澳大利亚地区野兔呈现倍数的增长”变化情况，并引导班级学生深入思考“野兔数量快速增长的原因是什么？”“野兔数量增长的变化曲线是何种类型与形式？”等几个问题。这种深入思考和讨论的方式，可以使高中生意识到野兔增长规律和已经学习过的细菌数量增长曲线比较相似。假定在生存空间没有限制且营养物质充足的条件下，大肠杆菌的种群数量增长的变化公式为N=2n，呈现为“J”型变化曲线。然后教师可以为学生设定“假定的数量为10 只，那么其数量增长的公式会变成什么类型？”这一思考题。随后教师可以继续引导高中生推导出Nt=No×λt这一数学模型。这种数学模型建构方式，可以在有效辅助学生理解所学生物知识的同时，促进他们类比推理能力和思维能力的发展，最终可以有效提升他们的问题分析和求解能力。

（三）建构概念模型，发展学生系统逻辑思维能力

所谓的概念模型，主要是采取文字表述的方式来对某一事物的本质特征进行概括，并且可以利用所构建的概念模型来抽象地描述生物学当中所涉及的核心概念、关键内涵以及重要外延知识。对概念模型而言，其一般以概念图的方式进行呈现，可以对改变之间的相关性进行有效表达，同时也可以采取命题的方式来对概念之间的意义与联系之间进行深刻体现。通过有效地构建这些概念模型，同样可以帮助高中生更加深刻地理解与掌握所学生物概念的相关性，可以有效地完善学生所构建的生物知识架构，提高他们理解和运用生物概念知识的能力。特别是对那些抽象、繁杂的生物学概念知识，都可以选择利用概念图的方式来进行直观性呈现，以此增强学生学习生物知识的效果。

例如：在高中生物教学中，针对内环境稳态的概念、酶和蛋白质的关系、光合作用中能量与物质的变化、自然选择学说等都可以构建相应的概念模型。在指导高中生建构生物概念模型器具时，教师可以针对每个章节的生物知识，引导学生自主思考和相互讨论，对概念模型建构中涉及的核心概念、次级概念等进行系统化梳理。然后依据概念模型的绘制方式进行自主模仿绘制和建构，借助这一个生物概念模型的构建过程帮助学生对相关的生物概念形成深刻认知，并且在他们深入思考过程中有效促进他们发散思维能力的发展。实际上，概念模型的构建同思维导图的应用形式比较类似，教师可以在平时生物课堂教学过程中将思维导图的绘制方式与注意事项传授给学生，使学生可以结合自己所学的生物知识与重难点，多多构建和应用符合自己生物知识学习情况的思维导图，最终充分发挥概念模型的作用来全面提高学生学习关键生物概念知识的能力。

总之，深度学习侧重于学生主观思维能动性的发挥，强调引导学生开展深入思考和辩证思考，力求借助有效思考方式来全面提高他们学习的效果。在高中生物教学中，可以结合教学内容和要求，引导学生灵活地构建和运用物理模型、数学模型和概念模型等，借助这些模型的构建来不断提升高中生的生物知识学习效果。