基于科学思维进阶的高中生物建模教学实施与思考

陈颖芳 张锋

摘要借助科学思维进阶的统整作用将模型建构、模型分析和模型应用等各环节进行整合，构建逐级深化的思维方式，优化建模路径，能促使学生由浅入深、由表及里地从多维角度进行探究，形成科学的认知结构，最终完成概念的自主建构。

关键词 科学思维 思维进阶 生物建模

中图分类号 G633.91

文献标志码 B

模型方法是以研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法，是逻辑方法的一种特有形式。建模是科学研究的核心实践活动之一，建模过程涉及模型的构建、分析和应用，可帮助学生深入理解知识形成的过程。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》将科学建模列为科学思维的关键要素，让学生经历科学建模过程并实现模型进阶到思维发展的升华成为当前课堂上促进学生生物学学科核心素养，尤其是科学思维能力提升的重要教学策略之一。

1基于科学思维进阶的高中生物建模教学的流程

“兴奋在神经纤维上的传导”是人教版《选择性必修1·稳态与调节》第二章第三节“神经冲动的产生和传导”的教学难点之一，涉及静息电位、动作电位、电流表的偏转方向等高中生较难理解的内容，体现了物理学、化学、生物学交叉融合的特点。建模教学策略鼓励学生在尊重生物学事实和证据的基础上，运用科学思维方法，探讨和阐释有关生命现象及规律。建模教学要从建模的方法、能力的层级逐步转移关注科学思维的层级。教师出示多种证据资料，逐步引导学生基于科学思维方法构建分析相关的数学模型、物理模型，深入理解“神经细胞膜内外在静息状态具有电位差，受到外界刺激后形成动作电位，并沿神经纤维传导”这一重要概念，关注生物电所蕴含的生命活动本质，从而发展学生的科学思维。

科学思维是基于事实证据、运用科学概念、通过科学推理和论证对客观事物的本质、规律及其相互关系作出判断和解释、对客观事物的发展变化作出预测的认识方式。生物建模是一个复杂的心理和思维过程，教師可以借助科学思维进阶理论的统整作用，将其各环节进行整合，形成有效的教学序列和学习路径。整合科学思维进阶理论、生物建模教学要素得到的科学思维进阶式高中生物建模流程如图1所示。其中，归纳与概括属于低阶思维，演绎与推理、模型与建模属于中阶思维，批判性思维和创造性思维属于高阶思维。

2基于科学思维进阶的高中生物建模教学的实施

2.1设置问题，引发思考

教师展示蛙的坐骨神经—腓肠肌兴奋实验和蛙的坐骨神经表面电位差两个经典实验，创设情境。学生联系实验现象，回忆及科学表述初中生物学关于反射、反射弧和神经元相关的知识，同时根据实验结果形成推论：兴奋在神经纤维上以电信号的形式进行传导。教师引导学生从神经元的结构这一微观层面，提出关键问题：“反射发生的时候，神经细胞发生了怎样的变化导致感受器接受的刺激以电信号的形式进行传导？”

在这一阶段，学生主要通过自我体验、观察实验现象，联想相关科学概念，以激活先验知识。同时，学生通过发散性思维从多个视角针对实验现象提出不同的问题，比较和区分所提问题的可行性，进一步明确自己的研究问题，明晰学习目标。

2.2归纳概括，建构模型

教师展示乌贼巨大神经纤维的膜电位测定实验，学生建构膜电位变化的数学模型。

膜电位测定实验：用微电极、灵敏电流计测量乌贼巨大神经纤维静息状态下膜内外电位，电表上显示的数值为-60mV;紧接着给予神经纤维某个点一定强度的刺激，电表上显示的数值由-60mV变为0，并出现+40mV的峰值，随后又逐渐下降至0，最后恢复为静息时的-60mV。

学生观察实验，用横坐标表示时间，纵坐标表示膜电位，构建膜电位变化的数学模型（图2）。

数学模型能真实、系统、完整、形象地反映客观事物本质，使知识更具有外显性。在该环节，教师结合基础物理学的电学内容，为学生膜电位变化的数学模型建构提供了保障，并借鉴数学中的描点作图，勾画出电位差变化的大致趋势，有效训练学生比较、分析、综合、抽象与概括能力，增强学生对刺激会转化为电流的认同。

2.3演绎推理，分析模型

2.3.1提供事实，运用归纳推理，解释静息电位产生的机制

教师提供2个事实：

1枪乌贼巨大神经细胞内液和细胞外液中主要离子的浓度表（表1）。

2细胞处于静息状态时，细胞膜对K+通透性较大，对Na+等其他离子的通透性很小，而对A-几乎没有通透性。

学生结合物质跨膜运输的方式、内环境的化学组成及理化性质等知识基础，分析上述两个事实，对静息电位的产生作出合乎逻辑的解释：静息状态时，膜内、外离子分布静息时，由于膜对K+通透性大而对有机负离子A-无通透性，因此，K+可以顺着浓度梯度经离子通道蛋白由膜内扩散至膜外，A-不能透过膜而滞留在膜内，使得膜外具有较多的正电荷、膜内具有较多的负电荷，而使膜电子分布呈现内负外正。

2.3.2运用类比推理，解释动作电位产生的机制

教师继续提供事实：3神经纤维受到刺激时，细胞膜上接受刺激的点的通透性发生变化，Na+通道打开。教师引导学生继续运用事实1、事实3及静息电位产生机制，类比推理出动作电位产生的机制：受到刺激时，由于膜上的Na+通道打开，使得大量的Na+内流，K+通道关闭，使得K+不能外流，而使膜电子分布由内负外正转变成内正外负。学生培养了逻辑推理能力，并促进了概念的同化和顺应。

2.3.3运用演绎推理，设计实验证明膜电位产生的机制

上述膜电位产生的机制是基于逻辑推理得到的，其正确与否需要实验证据的支持。教师引导学生进行演绎推理：若上述机制是正确的，则细胞外液中K+浓度会影响神经纤维静息电位的大小，而细胞外液中Na+浓度几乎不影响;但细胞外液中Na+浓度会影响受刺激神经膜电位的变化幅度。接着，提供以下材料和用具，请学生设计实验证明。

材料和用具：测量电位变化的测量仪器、刺激器、生理状态一致的枪乌贼离体神经纤维若干、正常海水、低K+海水、高K+海水、低Na+海水、高Na+海水等（注：不同海水的渗透压相等但K+或Na+浓度不同）。

演绎推理对学生保持思维的严密性有重要的校正作用，可以帮助学生形成完整的知识体系。

2.4发展批判性思维，实现数学模型到物理模型的转变

学生将数学模型转变为物理模型，构建“兴奋在神经纤维上传导”的物理模型，并借助模型清晰描述膜内外电位情况、电流方向;同时，讨论“在体神经纤维上兴奋的传导是双向还是单向”。

学生实现从数学模型到物理模型的转变，直观呈现兴奋在神经纤维上的双向传导、兴奋传导方式与膜内电流方向的关系，有助于真正地理解和运用知识。学生的讨论则侧重发展学生的批判性思维，帮助学生跳出“兴奋在离体神经纤维上双向传导”的思维定势。

3基于科学思维进阶的高中生物建模教学的思考

3.1利用SOLO

评价理念衡量学生科学思维发展水平SOLO分类评价法可以用于形成性的學生学业评价。教学实施的“设置问题，引发思考”和“归纳概括，建构模型”环节属于单点结构水平，学生可直接根据经典实验，确定对应的数学模型。通过学生在这一环节的表现，可判断其是否具备将信息归纳概括，简单的模型与建模能力。教学实施的“提供事实，运用归纳推理，解释静息电位产生的机制”和“运用类比推理，解释动作电位产生的机制”环节属于多点结构水平，侧重学生储备与“物质跨膜运输”相关的知识及对多个生物事实的分析能力，但互不关联。教师可通过考查学生能否正确分析膜电位变化的数学模型，科学解释膜电位变化的机制，进而评估学生是否具备一定的归纳与概括能力、类比推理能力。教学实施的“运用演绎推理，设计实验证明膜电位产生的机制”环节属于关联结构水平，学生需要在掌握膜电位变化的机制的基础上进一步演绎推理其正确性。教师可观察学生能否在新情境下明晰探究目的，合理确定实验设计的自变量、因变量并通过实验设计，预测并论述实验结果等，考查学生在较复杂情境中是否具有更高科学思维水平。教学实施的“发展批判性思维，实现数学模型到物理模型的转变”环节属于抽象拓展结构水平，要求学生将数学模型转变为物理模型并辨析在体神经纤维上兴奋的传导的方向。该环节主要涉及程序性知识和反省性知识，需要学生在高度归纳概括生物学规律与原理基础上充分运用高阶思维解决未知情境中的问题，具备一定的开放性。

3.2通过科学建模实现模型进阶到思维发展的升华

建模的目的是为了实现思维的发展。教学中，教师首先基于生物学经典实验，通过归纳概括建构起某种生物模型;其次，通过分析综合、演绎推理等科学思维方法，内化概念的本质属性、内在规律及相互关系进而分析模型;最后，还要鼓励学生基于事实证据对不同观点和结论提出质疑、批判，进而应用模型。教学过程应遵循“以实验为基础、以思维为中心”，构建逐级深化的思维方式，优化建模路径，促使学生由浅入深、由表及里地从多维角度进行探究，形成科学的认知结构，最终完成知识的自主建构。

参考文献：

[1]赵萍萍，刘恩山.新课程标准理念下的高中生物学建模教学策略[J].生物学通报，2019，54（2）：10-14.

[2]赵占良.对生物学学科核心素养的理解（二）——科学思维及其教学[J].中学生物教学，2019，（19）：4-7.

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