高中生物模型构建活动的优化设计实践研究

吴丹

摘  要：模型建构活动能充分发挥学生的主观能动性，进一步发展学生模型思维、提升知识迁移和解决问题的能力。文章基于核心素养的理念，立足高中生物课堂教学，在对高中生物模型教学界定的基础上，围绕模型构建活动的有效开展进行优化设计，提出相关的策略，设计了模型构建的一般流程图，并在生物教学中积极实践，以期为科学思维的发展和核心素养的培养提供一定思路和参考。

关键词：高中生物;模型构建;教学活动

目前，高中生物课堂中经常会用到模型建构教学，由于学校的重视程度不足、课堂时间有限、模型建构空间和材料的缺乏、教师理论和相应教学经验的缺乏、学生的参与度不高等因素的限制，学生模型建构能力的培养和模型思维的发展也受到制约。

一、高中生物模型教学概念界定

人教版必修1《分子与细胞》中提出“模型是人们为了某种特定的目的而对认识对象所做的一种简化的概括性描述，这种描述可以是定性的，也可以是定量的;有的借助于具体的实物或其他形象化的手段，有的则通过抽象的方式来表现”。生物模型主要包括物理模型、概念模型和数学模型等多种形式。这些模型的应用能有效解决学生生物知识学习中存在的知识壁垒问题，突破重点和难点。

模型的应用主要通过模型教学来实现，包括运用现成模型的教学和构建模型过程中的探究式教学。许多现成的模型具有直观化、简约化的特点，被广泛运用于生物学教学中。模型构建教学基于模型的建构性探究性学习活动，是一个不断形成、运用和修正的过程，通过模型构建活动途径来实现。模型构建在高中生物教学中的应用，就是将模型的构建与生物学习内容有效地结合起来，通过模型构建活动让学生主动参与到构建模型的过程，利用已学过的知识进行假设，将复杂的问题简化，将抽象的问题具体化，使原型更加形象化，能表现出其本质属性，不断发现问题，在教师的引导和学生的合作中不断解决问题，提升认知水平，建构完整的知识结构和体系，实现在模型建构活动中思维与行为的相统一。在模型教学中应更注重模型建构的过程和应用模型去解决问题，形成模型思维。在高中生物模型构建活动中，教学不能脱离实际，需要给学生提供相关素材背景，引导学生运用模型去解决实践中的问题。如在大社会背景下，人们所面临的生活问题、科技前沿、依托社会热点（如新冠肺炎）等实践问题，需要运用生所储备的知识和形成模型思维通过搭建生物模型去解决问题。

二、高中生物模型构建策略

（一）转变观念，改变教学方式和学习方式

高中生物模型构建和运用，通过小组合作，能够激发学生的学习兴趣，提升学习效率，促进学生从浅层的学习深入到深度学习，打破传统的接收式学习模式，提高学生对知识的迁移应用能力。

让模型教学法渗透到课堂教学中，首先教师要转变观念，重视模型教学。在实施模型教学之前，主动深入学习模型教学理念和核心素养等相关理论，研究物理模型、数学模型和概念模型等生物模型，结合教学和学生的实际，将生物模型、学生素养培养和课堂教学进行深度融合，对教学设计进行优化，促进课堂教学的方式改变。模型的构建过程，要以人为本，充分发挥学生的主观能动性，教师不是独立于学生之外的，要起引导和桥梁作用，促进小组之间的相互合作;要搭建好的模型，要设计相应的评价体系，进行针对性评价，让学生在获得成就感的同时发现不足。

学生对模型不够重视，认知不够系统，需要教师引导学生正确理解生物模型、明确构建模型的意义，清楚搭建模型对知识的生成和知识体系构建、知识迁移和运用模型去解决问题的重要性，强化模型思想、形成模型思维。

（二）根据实际，搭建有效模型

依据模型的特征，建模活动需要遵循科学性、直观性、可视化、可行性、及时性、相关性、灵活性、美观性等原则，结合具体的问题情境、实际条件等因素综合考虑有效构建生物模型。高中生物课堂主要分为新授课、讲评课、实验课、复习课等，不同的課型有不同的特点，进行模型构建活动有共性，但也要依据不同课型实施不同的模型构建策略，同时要引导学生充分发挥自己的主观能动性，通过模型的构建促进学生知识的生成和模型思维的发展。

（三）拓展构建模型活动的途径

通过提供生物模型的传统教学，在一定程度上促进学生模型思维的形成，但这远远满足不了学生的求知欲。信息技术的革新可以促进教育的变革，要充分发挥信息技术在教育领域的积极作用，弥补传统手段教学的不足。随着中小学硬件配套设施的建设，教室配备了便于操作、交互性强、可视化程度高的多媒体工具，如交互式一体机，辅助软件“希沃授课助手”“希沃白板”“互动课堂的移动讲台”“心意答微课宝”“数字化信息系统实验室”等，这些多媒体为构建生物模型搭建了平台，为实现学生模型思维发展提供了可能。多媒体技术能够辅助模型建构教学，更直观地展示微观知识，使建构的模型更准确，对学生核心素养的培养提供了一种新的思路。在高中生物教学实践中，考虑学生的实际能力和水平，运用传统的方法、信息技术与高中生物模型教学深度融合，充分调动学生的积极性，让学生成为学习的主体，主动参与知识的构建，利用搭建的模型去解决问题。

学生最主要的学习素材是教材，但些远远满足不了学生素养发展的需求。教师充分挖掘教材中显性和隐性的模型素材资源和课外生活实践素材构建资源库，并对素材资源进行归类和利用，在保证教学进度的前提下进行模型教学，探讨交流，提升模型教学认知应用。模型构建不受时间和空间的限制，在课堂外也可以进行模型构建，利于问题的解决。教无定法，模型教学可以与其他的教学方法和模式结合使用，提升课堂效果。

三、高中生物模型构建活动的优化设计实践

新课标要求学生除了掌握必要的基础知识，更要注重思维能力的培养和发展，掌握处理实际问题的方法。模型建立的过程就是一个科学探究的过程，在这一过程中需要根据已知的条件确定对象，设置未知并运用科学规律，选择研究方法，再检验模型是否与实际一致，这对该建构活动的优化具有重要的意义。

（一）建立生物模型

模型构建活动设计流程（如图1）。

1. 模型准备

首先让学生对生物现象或生物概念有一个大致了解，明确所要研究的问题，通过设置情境、回顾相关的旧知识和学习的新知识，使学生在已有知识基础上搭建模型总体框架。模型构建活动的准备除了有知识准备外，还需要构建模型的相关材料的准备，材料可以是实物素材、多媒体辅助素材等。此外，还要引导学生开拓思维，发挥团队潜能，让学生选择准备更多的素材进行模型搭建。

2. 建立模型

在模型建构活动中，首先要选取适当的模型类型，思考物质和事物之间的关系和异同，分析和总结事物的基本特征，利用所提供的材料提出假说，然后学生通过自主合作动手实践构建模型。教师在此过程中要关注好学生构建的过程和细节，把握动向，发现问题，适当引导解决。

3. 模型检验修正

对模型进行检验，检验初始模型的适用性和连贯性，修正误差。在模型构建活动中学生可以在小组中展示他们构建的模型，并表达他们构建模型的想法，对学生展示的模型完成情况进行多角度的评价，生生互评，发现问题并解决问题，最后建立正确的模型。

4. 应用模型

模型构建是形成模型思维的重要过程，帮助学生掌握知识并形成知识体系。模型方法不能脱离具体的实际，在建立正确的模型后需要运用有效模型去解决实践问题，在解决问题的过程中不断修正模型，使得模型应用更加广泛，在此过程中会逐渐提升模型思维，从而到达质的飞跃。在生物课堂实践教学中，要结合具体的实践问题，搭建模型去解决，潜移默化地渗透模型思维，让学生学会运用模型方法解決问题。

构建模型要考虑在相似情境下的适应性问题，通过模型调试对新问题进行求解并对模型进行改进，同时对其结构和功能进行修改、加强和扩展，使建模在连续循环过程中趋于科学。

（二）高中生物模型构建设计的方法举例

以“生态系统物质循环—碳循环”为例，通过构建物质循环的概念模型，解决相关的生态问题。

1. 模型准备

介绍和理解“生态系统物质循环”的概念，引入实例碳循环，回顾生态系统的结构、光合作用、化能合成作用和呼吸作用等相关知识，不同层次的生命系统是个输入输出开放的系统;通过交互式白板课件提供关键词（生产者、消费者、分解者、呼吸作用、光合作用等）和相关联系符号作为概念模型的搭建素材，并辅以适当的文字表述。

2. 建构模型

教师先引导性提问：（1）碳循环的在自然界和生物群落的存在形式？（2）碳循环是发生在哪里的循环？循环形式是什么？（3）碳进入生物群落的途径？碳出生物群落的途径？学生根据教师提问进行假设并做出预判，然后搭建模型。（如图2）。

3. 模型检验修正

完成碳循环的概念模型后，生生互评、教师点评的方式对模型进行检验：碳进入生态系统和出生态系统的途径不全，需要进一步修正和检验，最后得到正确的模型（如图3）。

4. 模型应用。“温室效应”是目前有待解决的生态学问题，实质上是生态系统中“碳平衡”被打破了。为维持“碳平衡”减少温室效应，需在搭建好的碳循环模型的基础上，从产生温室效应的气体来源和去向分析，联系生活实际，通过减少化石燃料的燃烧、植树造林和开发新能源等途径减少温室效应。

生态学方面的问题除了温室效应的问题外，还有濒危物种的保护、害虫的监测和预防、渔业的捕捞量、草原动物的承载量等诸多问题，可以通过构建概念模型、数学模型辅助分析解决相关问题，从而使生态系统的结构和功能保持稳定。生物模型不仅仅局限于解决生态学方面的问题，在遗传学、细胞代谢、细胞增殖、生命活动调节等问题上也具有广泛的应用，针对不同的问题情境和对象，需要搭建相应的模型去解决问题。

运用模型建构法和高中生物教学有效融合，对模型构建活动教学设计进行优化，在模型构建活动中引导学生搭建模型、运用模型解决问题，这有利于提高学生形成基于模型思维解决问题的意识和方法。在实践中遇到具体问题时，能够用模型思维解决，突破障碍，增强探索新知的能力和解决实际问题的能力，最终形成运用科学方法解决问题，有益于终身发展的能力。高考的变革侧重对学生核心素养的考查，运用模型建构的教学实践，突破重点和难点、抽象点，利于学生的高考，能提高学业成绩。

参考文献：

[1]王睿. 浅析高中生物教材中模型与建构的应用[J]. 科教文汇（中旬刊），2021（07）：165-167.

[2]魏娇. 构建数学模型在高中生物教学中的应用[J]. 科学咨询（教育科研），2021（04）：290-291.

[3]蒋进. 基于深度学习的高中生物模型建构与应用研究[J]. 华夏教师，2020（17）：79-80.

[4]陈庆华. 数学模型建构在高中生物课堂教学中的创新尝试[J]. 科学咨询（教育科研），2020（05）：201.

[5]崔敏霞. 基于模型建构的解题思维策略[J]. 中学生物学，2021，37（07）：57-58

[6]丁志锋. 浅议模型建构在高中生物教学中的教学价值及策略优化[J]. 中学生物学，2021（04）：22.

[7]温青，谭永平. 普通高中教科书生物学—分子与细胞[M]. 北京：人民教育出版社，2019.

[8]郝琦蕾，姚灿. 基于核心素养的高中生物模型建构教学研究[J]. 教学与管理，2019（12）：111-113.

（责任编辑：莫唯然）