基于生物学模型构建的变式教学研究

文∣左开俊

教育部《关于进一步减轻义务教育阶段学生作业负担和校外培训负担的意见》(以下简称“‘双减’政策”)中明确要求：要充分发挥学校主阵地的作用，坚持应教尽教，着力提升教学质量，竭力提升学生的课堂学习效率。在“双减”政策的指导下，“如何发扬创新精神，摆脱题海战术的禁锢，走出应试教育的怪圈”是当下每个教育工作者都应直面的重大课题。在此教育背景的感召下，笔者尝试依托“模型构建异质性的开展变式教学”来拓展学生的思维，提高教学的质量，以期解放属于学生锻炼、休息和娱乐的时间。变式教学是一种利用变异维度帮助学生实现认知的教学手段，而模型构建作为生物学科核心素养中“科学思维”的重要方式，能简化、抽象或是有形地表达世界中某些关系或过程。借助模型构建实施生物学变式教学旨在教学中用不同形式的模型(如物理模型、数学模型等)多元化地表征非本质属性的层次、多角度地审辨本质属性的外延，目的是以模型为工具，物态化、显性化地构建新旧知识的关联，并以一种有意义的探究方式培养学生获得解决问题的能力。本文以《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称“新课标”)中的“教学建议”为纲，从形态、内容、方法三个维度探究基于生物学模型构建的变式教学模式。

一、形式变式：从表象之变析理念革新

当前的教育改革要求教师在教学方式上作重大改变，要将学生培养成能够基于生物学事实和证据，科学合理地运用归纳与概括、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法。为此，在教学过程中，教师要采用多维化的表达形式，培养学生在扩展性研究中提升学科核心素养的能力。而形式变式作为一种多维化的表征形式，特指由同一原型出发，抽象出不同层级的多元表征，彰显事物本质特征表现的多样性。在形式变式教学中，以同一知识为载体，构建不同形式的模型，形成可逆联想，引导学生主动探索、概括规律，能培养学生对生物学的兴趣和创造性思想等。

例如，在种群数量的“J”形生长变式教学中，首先，绘制示意图。课前制定好代表细菌的圆形磁性卡片，模拟在实验室(资源充足，没有敌害)条件下，细菌每20 min增殖一次的情境，请学生到黑板上绘制如图1所示的示意图。

图1 细菌分裂示意图

其次，构建“J”形增长的数学模型。以细菌数目为纵坐标，分裂时间为横坐标，构建如图2(a)所示的数学模型。再次，“J”形模型变式一。以细菌的增长率为纵坐标，分裂时间为横坐标，构建如图2(b)所示的数学模型。最后，“J”形模型变式二，即以细菌的增长速率为纵坐标，分裂时间为横坐标，构建如图2(c)所示的数学模型。

图2 种群增长的“J”形数学模型及其变式

模型表达中，即使是同一个表征对象，基于不同的目的也可以表征出不同的模型。这种借助模型对知识的本质属性进行多维度变换的形式，是一种引导有效学习的方法。这种方法能对知识进行深入剖析，能聚焦学生的统整思维，有利于激发学生对知识本质的深层思考与反思。生物学教学中应用形式变式教学，一方面能丰富学生多元化表征知识的能力，培养其多角度思考；另一方面将模型与变式有机整合，形成多样化的内容呈现形式，帮助学生增加多元解决问题的灵活性。

二、内容变式：从演进之变达深度剖析

模型不仅可以描述那些抽象的结构、运动的行为，还可以解释原理、预测趋势，甚至表达个人观点、参考依据及原因陈述等。新课标要求：对课程内容进行有机组织、巧妙呈现，可尝试结合模型、图文资料等各种资源或途径，引导学生积极思维，主动探究，培养他们从不同的角度和高度认识生命世界，养成综合、开放、创造性思维的习惯。为此，教学过程中，运用模型构建，沿着人类认知事物的规律，可视化地、循序渐进地展现内容梯度，将学习内容由浅层引入深层、由表象伸入本质，沿着事物演进的历程，引领学生获得深度学习的高峰体验。

例如，在“神经冲动的产生和传导”的教学中，首先，引导学生观察神经元的结构模型[如图3(a)所示]，回答组成神经元各结构的名称。其次,以神经纤维上的一小段为学习对象，引导学生构建如图3(b)所示的神经纤维结构模型，并注明离子的种类及分布状况(注：A-代表不能透过膜的有机阴离子，如一些氨基酸等)。再次，以神经纤维的一段膜为学习对象，引导学生构建如图3(c)所示的神经纤维膜的流动镶嵌模型，并注明神经冲动时，K+、Na+的跨膜运输方式。最后，在以上内容的铺垫下，通过构建“一个神经冲动产生过程”的物理模型(如图4所示)，动态化的说明：(a)在静息状态时，钠钾通道关闭，此时膜电位为外正内负；(b)在去极化时，钠离子通道打开，导致膜电位为外负内正；(c)在反极化时，钠离子通道逐渐关闭，钾离子通道逐渐打开，此时膜电位为外正内负；(d)在复极化时，钠钾通道关闭，钠钾泵打开，使膜两侧恢复至静息状态时，膜外高钠、膜内高钾呈初始状态。这种直观地借助模型的演进过程，有条理、按次序地分析归纳神经冲动实质的变式教学，能帮助学生达到深度学习的效果。

图3 神经元结构及相关成分的模型构建

图4 “一个神经冲动产生过程”的模型

模型并非是对表征对象1：1的还原。基于不同的表征目的，对对象的表征描述的重点是不相同的。在表征内容的目的时，不需要完全还原表征对象，否则会使模型复杂化。这种借助模型对学习内容进行梯度式展现的方式，是一种支架式的高效学习方法。这种方法从内容的呈现角度审视，能深入浅出、自下而上诠释各个知识点，并逐步联系和完善内容的整体性理解，最终帮助学生构建一个完整的知识体系。在生物学教学中应用内容变式教学，一方面能帮助学生形成深刻的理解和长久的记忆；另一方面也能让学生在模型构建和体验的实践过程中，学会知识和技能的运用，达到学以致用的目的。

三、方法变式：从路径之变看目标转向

目前，生物学教材中很多实验由于方法和步骤单一，导致实验过程枯燥无趣。如果教师碰到此种情况，应当转换观念，从方法上开拓创新，提高教学效率。方法变式特指通过同类事物非本质特征的变换，换个角度或方式透析事物的属性、突出事物的本质特征，让学生在方法变式中转换思维，依据事物发展的规律，获得解决问题的路径。[1]借助模型来表征方式的多样性，一方面可以透过模型的辅助设计，促进学生推理技能的养成；另一方面也可以透过对模型的分析，获取掌握科学探究的方法，学会如何思考。

例如，在高中生物实验中，发挥学生再造性想象和积极性思维，科学、合理地利用注射器构建系列变式模型，辅助其领会基本原理和概念，获取解决各种实际问题的能力。注射器一般由推杆、空筒及注射针组成，其显著特点有：第一，从空筒上的刻度，可以推知反应物或生成物的体积数；第二，利用推杆与空筒的紧密连接，可以为化学反应创造一个封闭的环境。在“用过氧化氢酶探究pH对酶活性的影响”“比较过氧化氢在不同条件下的分解”等实验中，都涉及化学反应的剧烈分解、生成气体的快速释放。利用注射器模型实施变式教学，可以解决因剧烈反应而导致的生成物随意飞溅的风险，以及生成物难以收集的难题[如图5(a)]。在“色素的提取和分离”的实验中，利用注射器模型实施变式教学，能够解决由挥发性物质石油醚、丙酮、苯混合而成的层析液，在实验过程中容易造成污染环境问题[如图5(b)]。在“制作泡菜并检测亚硝酸盐含量”“酵母细胞的固定化”等实验中，利用注射器模型实施变式教学，可以利用空筒上的刻度来控制活塞推动的节奏，完成滴定实验[如图5(c)]。

图5 利用注射器实施多种实验的模型构建

模型是在某些情况下的另一种形式表征，从方法论的角度思辨，其以简化和理想化的形式去再现原型的各种复杂结构、功能和联系。这种借助某一模型对多重关联性知识串联的形式，呈现的是一种思维解放后的升华。其实，教材中的实验方法、实验步骤仅是一个常规的操作程序，它不是唯一的，也不一定是最好的。教师在教学中，应允许学生异想天开，允许学生犯“错误”，允许学生对学习路径进行变式。学生“错误”可能成为一种可贵的再造资源，一种思维迁移的升华。基于模型构建的变式教学，能帮助学生依据具体的学习操作，融入科学化的想象，对学习形式进行变式和创造，最终实现迁移能力的提升。

本文系江苏省教育科学“十二五”规划课题“基于科学方法的中学生物模型教学策略的研究”(D/2015/02/173)、江苏省教育科学“十三五”规划重点资助课题“高中生物‘模型建构教学’的实践研究”(JS/2019/ZX0211-08927)的研究成果