模型建构在高中生物学教学中的应用

梁婧　赵洪杰　徐振军　梁小航　张佳音　张华祯　张念楠　杨晓坡　莫显红

摘 要：生物学模型建构教学对培养学生的科学思维、创新实践能力、探究能力以及推动学生深度学习具有重要意义。模型建构有利于学生进行空间认知、类比推理和归纳概括，本文分别以物理模型、概念模型和数学模型为例，对比梳理模型的特点和建模过程，并选取相关教学内容进行模型建构教学案例的设计与分析，对模型建构教学实施过程中存在的误区提出建议，以期通过模型建构教学激发学生的学习兴趣、引导学生学习生物学概念并培养学a生逐步形成学科核心素养。

关键词：模型；模型建构；高中生物学；数学模型；物理模型；概念模型

中图分类號：G633.91  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2023）08-0111-04

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中要求学生能够基于模型与建模等方法探讨、阐释生命现象及规律，在学习过程中逐步发展科学思维[1]。模型建构教学可引导学生在建模任务和真实问题的驱动下自主建构生物学模型[2]，使学生掌握建模方法和形成系统规范化的建模思维；有助于学生梳理学科内容、主动建构生物学知识体系；不断提高学生的探究能力、创新实践能力和培养学生的科学思维；促使学生解决实际问题并增强学生的社会责任意识。

1 模型与模型建构

人教版高中生物学教材中将“模型”定义为：“模型是人们为达成某特定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，有的则通过抽象的形式来表达”[3]。因此，模型是将研究对象的本质特征或核心要素进行抽象概括后，以不同描述形式的原型类似物来表示对事物的认识并再现思维过程的载体。如物理模型有助于提高学生在空间上对整体与部分联系的认知，并培养学生的动手实践和创新实践能力；概念模型则关注学生逻辑思维、整合思维、发散思维能力的培养；数学模型对锻炼学生的分析归纳、类比推理和利用数学方法进行推演验证的能力有重要作用[4]。

模型建构是自然科学研究中运用模型表达对事物的认识、帮助解释生命现象、预测发展结果、分析和解决问题的认识手段和思维方法，能够获取、拓展和深化对客体的认识[5]，它包括具体模型的创建、模型的检验和模型优化，是学生快速获取知识的一种有效途径[6]。模型建构有利于学生在合作学习中主动建构生物学重要概念、形成学科知识体系；发展科学思维并掌握建模学习方法；符合学生的认知发展规律，对促进学生的深度学习有重要作用[7]。综上，模型建构教学符合“教师为主导，学生为主体”的教学理念[8]，并能有效贯彻深度学习理念，对促进学生生物学模型建构能力的提升具有重要意义[9]。

2 高中生物学模型分类

人教版高中生物学教材中涵括了丰富的模型建构内容，对学生科学思维的养成有重要作用。由于不同类型的生物学模型培养学生能力的侧重点不同，现将各类模型进行对比梳理以供教学参考，如表1所示。

3 模型建构教学案例及分析

通过对比梳理高中生物学各类模型的特点、建模过程，选取相关教学内容，设计模型建构教学案例，分析和探讨模型与建模在教学中的应用，并对模型建构教学实施过程中存在的误区提出相应的建议。

3.1 物理模型在高中生物学教学中的应用案例

案例：减数分裂过程染色体变化的物理模型建构。

教学目标：通过物理模型建构能帮助学生将抽象过程具象化，直观深入地理解减数分裂中染色体数目和主要行为的变化，明确减数分裂产生多样性配子的原因。

教学过程：（1）明确建构对象。通过减数分裂第一课时的学习，学生已知减数分裂过程能产生配子。结合“一母生九子，九子各不同，连母十个样”的问题情境，让学生思考“减数分裂是否会产生多样性配子？”因而确定模型建构的对象为“减数分裂产生多样性配子的过程”。（2）梳理基本要素的关系或确定位置分布，在模型建构前教师要向大家说明物理模型建构的方法和原则，提出需要重点关注的内容，包括模型建构的类型，所用材料工具，物理模型的规格参数，如每对同源染色体的大小形态和颜色、着丝粒的位置和表示方法等，为学生参与模拟减数分裂中染色体变化过程奠定基础。（3）确定建构材料或工具，挖掘学生身边的资源，让学生利用现有的彩色卡纸和圆形磁铁等材料工具思考和建构染色体模型。需要重点关注制作染色体的数量及原因，同源染色体和着丝粒的表示方式。（4）制作模型，学生以小组为单位展现减数分裂过程中染色体变化的物理模型并辅以详细的描述，每组制作出两对同源染色体，模拟减数分裂过程中各时期染色体的变化。在模型建构过程中，学生主要存在两处建模难点，一是减数第一次分裂后期发生同源染色体分离和非同源染色体自由组合，二是四分体时期非姐妹染色单体间发生交叉互换，如图1所示。（5）修正完善模型，由学生和教师共同对每组同学呈现的物理模型和模型阐述做出评价和反馈，有助于学生完善物理模型。

综合分析：教学过程关注学生建模学习的主体性，鼓励学生积极参与思考探讨问题、动手动脑建构模型、阐释应用模型活动。在学生建构模型的过程中，以问题驱动学生完成模型准备活动和模拟过程，能够达成知识的完整建构；学生在合作讨论、自主建构模型的过程中，通过自评和互评加深对减数分裂过程核心概念和染色体行为变化的理解并完善物理模型；在此基础上进一步引导学生模拟交叉互换和非同源染色体自由组合的过程，从而明确多样性配子产生的原因。因此，学生在学习中主动解决问题、概念转变、理解和迁移，达成了对减数分裂过程的深度学习[10]。通过模型建构教学化抽象为具体，发挥学生的认知内驱力，让学生主动融入课堂教学，提高课堂教学质量，培养学生的批判性思维、合作学习和科学探究能力。

3.2 概念模型在高中生物学教学中的应用案例

案例：可遗传变异的概念模型建构。

教学目标：通过建构以“可遗传变异”为核心的概念模型，学生能梳理清“可遗传变异”的类型及其具体特点，便于辨析可遗传变异的几种类型。

教学过程：（1）确定核心内容。“可遗传变异的概念模型建构”是基于基因突变及其他变异一章内容学习后的整体梳理，要达成模型的建构，应该在学习基因突变、基因重组、染色体变异时分别建构出各自的概念体系。（2）分析核心内容特点，梳理主要概念。依据每个中心内容的知识体系，确定各自相应的重要概念或要素，以此为中心梳理出其下重要生物学概念、生物学现象及要素间的联系，如染色体变异分为“染色体数目变异”和“染色体结构变异”，“染色体变异”和“基因重组”以“基因突变”为基础。（3）梳理和建立概念间的联系，尝试建构概念模型。教师引导学生将重要概念进行梳理，寻找概念间的联系，并用符号和文字等形式建构概念模型。注意在建构“可遗传变异的概念模型”时，将中心内容的关键要素进行类比分析和记忆，为便于理解每个重要概念，还应拓展补充典型生物学实例辅助理解，如图2所示。（4）修正完善模型。学生在教师引导下自主完成概念模型的建构，通过讨论交流不断完善概念模型，进而便于后续的复习回顾。

综合分析：在建构概念模型时，学生通过梳理核心内容及关键要素之间的联系，实现对重要概念的掌握及科学思维的发展。因此概念模型的建构过程综合了多种思维和能力，促使学生实现有意义学习[11]。

3.3 数学模型在高中生物学教学中的应用案例

案例：蛋白质中氨基酸间脱水缩合的数学模型建构。

教学目标：明确蛋白质中氨基酸间脱水缩合形成肽链后，肽键数、氨基酸数、脱去水分子数和肽链数的关系，进一步加深对氨基酸结构式特点和脱水缩合方式的理解。

教学过程：（1）基于生物学知识和资料，明确研究对象。学生已知蛋白质的重要功能及氨基酸的基本结构特点后，学生利用卡片表示氨基酸分子的构成，并演示两个甚至多个氨基酸间脱水缩合的过程，在演示推理过程中思考“氨基酸脱水缩合形成肽链的过程，氨基酸数与肽键数、脱去水分子数、肽链条数之间的关系”等问题，并用数学表达式表示其规律，学生即可明确数学模型建构的研究对象为“蛋白质中氨基酸间脱水缩合的规律”。（2）厘清本质规律，做出模型假设。学生明确研究对象后，根据1条肽链中2个、3个、4个……n个氨基酸间脱水缩合的过程，推写出氨基酸脱水缩合过程中肽链条数、氨基酸数、肽键数、脱去水分子数。教师引导学生进一步探寻形成2条、3条……m条肽链或环肽时，氨基酸数与肽键数、脱去水分子数、肽链条数之间的关系。（3）尝试初步建构数学模型。学生厘清本质规律后，以数学表达式的形式概括出“蛋白质中氨基酸间脱水缩合”的一般性规律。（4）模型检验与完善。用数据验证并进一步修正数学模型，需要根据不同的事实情况辅以检验，并进行参数修正，最终得到正确的数学模型，如表2所示。（5）模型应用。学生在理解生物学规律的基础上，将数学模型应用于实际生物学问题，在新情境中迁移和应用，实现深度学习[12]，如人的血红蛋白由四条（α、α、β、β）多肽链构成的，分别含有141、141、146、146个氨基酸，要求得血红蛋白所含的肽键数。

综合分析：数学模型是解决生物学实际问题与数学理论的媒介[13]，其关键在于归纳概括认识对象的本质或规律，运用数学逻辑思维进行推演，最终将规律转化为数学表达式和图表等形式，描述生物学现象和规律。此外，“种群数量变化曲线”能体现在生产中应用数学模型推算概率从而预测发展趋势的价值[14]，“植物光合作用的曲线图”体现了用数学模型对生物学现象进行解释的重要功能。因此，在数学模型建构过程中，学生通过类比推理，归纳概括出生物学规律并解决问题，逐步形成严密的数学逻辑思维，深入理解生物学规律并获得解决问题的能力，体现了“建模-析模-用模”数学模型建构教学的重要意义[15]。

4 模型建构教学的实施建议

4.1 注重培养学生的建模意识

教师要充分挖掘教材中蕴含模型与建模方法的教学内容，遵循以学生为中心的原则设计模型建构教学活动。学生应用生物学知识进行合作探究、主动参与建模过程，并运用模型阐释生物学问题和深度理解生物学现象和规律，逐步养成建模意识。在教师的引导下学生积极思考并主动参与模型建构，体会建模学习下知识的生成过程，令其探究实践、科学思维等能力得到提升。

4.2 及时开展丰富的模型建构活动

教学中应落实一定数量的模型建构活动，引导学生尝试建构不同类型的模型，体会数学模型抽象化、物理模型具象化等多種思维方式。培养学生模型建构的科学思维并让学生熟练掌握建模方法，需要教师在教学过程中潜移默化地多次引导，即量变引起质变。多次进行模型建构才能将模型建构的方法内化成为学生认识事物、培养思维的手段，从而提高认知水平和发展科学思维。

4.3 规划模型建构教学的时间安排

合理规划模型建构教学在生物学教学过程中的时间分配，尤其是教师引导学生初次参与模型建构活动时，应规划好相应课时教学内容的安排，结合实际学情布置合理的预习或复习任务，以便于模型建构教学的顺利开展。在学生积极主动建构模型的过程中，应适时给予学生针对性的引导和帮助，培养学生发现问题、提出问题、分析与解决问题的能力。

4.4 重视在模型建构中培养批判性思维

评价模型建构和检验模型的过程中，教师应引导学生认真倾听、发现问题并主动查漏补缺，通过启发学生的思维推动教学过程顺利开展。在自主探究和模型建构过程中，重视培养学生的批判性思维，引导学生应用生物学知识检验和完善模型，并在建模完成后及时开展评价反馈、反思总结和实际应用。

4.5 实现模型建构中行为与思维的统一

在模型建构过程中既不能忽视模型细节性问题的处理，也不能为寻求具象化的结果而弱化必要的思维过程。因此，要基于对研究对象本质的理解，进行创造性的模型建构，科学合理地表达对对象的认识，体现事物的本质或内在联系。总之，模型建构的过程是学生在主动体验、思考和创造实践中深度认识事物的过程。

参考文献：

〔1〕中华人民共和国教育部.普通高中生物课程标准：实验[S].北京：人民教育出版社，2017.

〔2〕张可侠.基于核心素养的高中生物学模型建构——以“生态系统的能量流动”为例[J].中学生物教学，2022，38（03）：42-44.

〔3〕朱正威，赵占良.生物学（必修一分子与细胞）[M].北京：人民教育出版社，2019：90-96.

〔4〕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，2019，36（12）：111-113.

〔5〕吴海峰.高中生物学模型教学须“追本溯源”[J].教学与管理，2021，38（34）：55-57.

〔6〕赵学琴.核心素养背景下模型建构助力生物学实践教学[J].中学生物教学，2022，38（35）：11-13.

〔7〕刘玉，龙主多杰.深度学习视域下高中生物学模型建构教学路径探析[J].中学生物教学，2022，38（08）：37-39.

〔8〕王睿.浅析高中生物教材中模型与建构的应用[J].科教文汇，2021，18（20）：165-167.

〔9〕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，2020，9（17）：79-80.

〔10〕朱晓燕，张罡，解凯彬.深度学习理论在发展学生生物学学科核心素养中的实践[J].生物学教学，2019，44（04）：21-23.

〔11〕刘丹妮.基于培养科学思维的问题创设——以“神经调节和体液调节的关系”为例[J].生物学教学，2019，44（12）：13-15.

〔12〕瞿斌.例談基于深度学习的高中生物学教学模式[J].中学生物教学，2022，38（23）：43-45.

〔13〕汤林境.基于核心素养的数学模型建构能力初探[J].中学生物教学，2022，38（15）：37-39.

〔14〕王存斗.数学模型在生物学教学中的应用设计[J].中学生物教学，2022，38（23）：37-39.

〔15〕蒋进，李椿.“建模—析模—用模”策略在生物学教学中的运用[J].生物学教学，2019，44（06）：17-19.