浅谈基于模型与建模的高中生物学教学

摘要：本文旨在理清模型与建模的概念，梳理不同版本高中生物学教材中关于模型与建模的表述，针对生物学教学中模型与建模的教学提出建议，以期通过实施科学的建模教学帮助学生深入理解知识的形成过程，实现核心素养的落地。

关键词：模型与建模；高中生物学；教学策略

文章编号：1003-7586（2024）04-0090-03 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

科学建模是新一轮国际科学课程改革关注的热点，在《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）被列为物理、化学、生物等多个学科核心素养中科学思维的关键要素。《课程标准》和教材中都非常重视模型与建模教学，在新课程理念的引领下，高中生物学教师也都意识到了建模教学的重要性，但在建模教学实践过程中，往往会出现以下问题。首先片面地认为模型就是指物理模型，忽视了概念、数学等其他模型的建构。其次不了解建模教学简化、抽象出本质的要旨，而纠结于细节像与不像，材料好不好等问题。最后弱化了建模活动中学习、发现、修正等思维过程，以追求正确的模型成品为最终目的。本文旨在理清模型与建模的概念，梳理不同版本高中生物学教材中模型与建模教学素材，针对生物学教学中模型与建模教学策略提出一些建议，以期通过建模教学帮助学生深入理解知识的形成过程，实现核心素养的落地。

1 “模型与建模”概念的界定

模型是人们为了认识某种对象所作的一种简单的概括性的描述。这种描述可以是定量的或者是定性的，有的模型借助具体的实物或者图像等形象化的手段表达出来，有的则通过理论或者文字等抽象的形式表达出来。模型是一种现代科学认识手段和思维方法，是科学认识过程中抽象化与具体化的辩证统一。

建模是模型产生的过程，也是思想和行为融为一体的过程，是为了理解事物而对事物做出的一种抽象的过程，也可以说是解决问题的过程。基于模型的学习方式包括模型展示、模型制作、模型建构等。模型展示主要是观察、辨认、理解现成已知的模型，以此获得对生物学现象、概念和原理的理解；模型制作是通过模仿、转换、制作已知但不现成的模型，以加深对生物学现象、概念和原理的理解，同时提升操作技能和动手能力；模型建构则是文中所述的“建模”，是指通过观察、实验、想象、推理、论证，逐步建构未知的模型，促进学生主动建构生物学概念，从而提升科学思维能力和创新能力。建模教学的宗旨是帮助学生通过模仿科学家利用模型认识科学现象的过程与方法来学习新知识、构建新概念，利用模型来解释现象、解决问题，进而有效提高科学思维水平。

2 高中生物学教材中的“模型与建模”

高中阶段不同版本的生物学教材中，模型主要呈现为物理模型、概念模型、数学模型等，此外，北师大版教材中提出了尺度模型，沪科版教材提出了计算机模型。梳理六个版本的《生物学·必修1·分子与细胞》（以下简称《必修1》）教材中模型与建模的相关表述（见表1），可见每个版本的教材都注重模型与建模思维的渗透。

2.1 高中生物学教材中常见的三类模型

物理模型是指人们对原型进行加工、抽象、简化，以实物的形式构建的模型，主要反映原型的形态、结构等，如制作生物膜的流动镶嵌模型、真核细胞结构模型、DNA双螺旋结构模型等。

数学模型是指对研究对象的生命本质和运动规律进行具体地分析和综合，运用合适的数学表达式，如关系式、数学方程式、曲线图或者表格等来表达。可以通过数学模型对现象进行后续的判断和预测，如种群数量增长的“J”型曲线和“S”型曲线、有丝分裂和减数分裂过程中染色体数目、DNA数目的变化曲线等。

概念模型是指通过分析大量的具体形象，分类并揭示其共同本质，将其本质凝结在概念中，把各类对象的关系用概念和概念之间的联系来描述，用文字和符号突出表达对象的主要特征和联系，如各种概念图、光合作用和细胞呼吸的生理过程图解、血糖调节过程图解等。

2.2 不同版本高中生物学教材中的模型与建模

不同版本高中生物学教材都注重模型与建模的教学。以“制作真核细胞的三维结构模型”为例，人教版教材作出了详细的关于建模步骤的指导，包含了从简化客观事实到完善修正模型的完整建模过程；苏教版教材给出了许多具体的建议，如关注模型的大小和比例，给出了不同细胞器的平均直径；北师大版教材在思考与讨论中提出：如果要制作“胰腺腺泡细胞分泌消化酶”的结构模型，需要重点呈现哪些细胞结构？通过将静态模型动态化，启发学生在模型中呈现生理过程，渗透生命观念；沪科版教材有建模专栏，建模思维贯穿《必修1》教材始末。

多数版本高中生物学教材为模型与建模教学提供了一定的素材，但并不系统和深入。教材侧重于介绍物理模型，而对数学模型和概念模型涉猎较少。教材是《课程标准》和核心素养的载体，其篇幅有限，不可能面面俱到，教师在教学过程中可以深入挖掘教材，选择其中合适的素材或者适当补充素材，有效开展不同类型的模型与建模教学。

3 生物学教学中运用模型与建模方法的策略

3.1 明晰高中生物学教学中模型与建模的目的

高中生物学教学中模型与建模活动的主要目的是让学生通过尝试建立模型，体验建立模型中的思维过程，领悟模型方法，以获得、巩固有关生物学概念。高中生物学教学中的模型建构活动与真实科学研究中建立模型有一定的区别。以“制作DNA双螺旋结构模型”为例，沃森和克里克在建构模型时并不清楚DNA分子结构，他们综合各种研究数据逐步建构模型、修正模型，最终揭示了DNA分子的结构。但高中生物学教学中的“制作DNA双螺旋结构模型”并不是为了揭示DNA分子的结构，而是通过制作物理模型来再现难以直接观察到的DNA分子的结构，以加深学生对DNA分子结构特点的认识和理解。

模型是用来帮助提高课堂效率的工具之一，建模教学并不以追求正确的模型成品为最终目的，因此不需要过分纠结于细节像与不像、材料好不好等问题，而应综合考虑教学内容的难易程度、主次层级、学生的实际情况、接受程度等来设计教学。只有依据教学目标将建模、生物学概念和学生的学情适当结合起来，更加关注学生建模的过程，重视素材的选择和呈现资料的契机，帮助学生在建模活动中学习、发现、修正模型，通过重走建模之路来锻炼学生的思维品质，才能真正发挥建模教学的作用。

3.2 重视高中生物学教学中师生建模意识的培养

教师应提高自身的建模意识。例如，区分模型与原型。在教学实践中，教师可能会指着真核细胞模式图讲“这就是真核细胞”，指着黑板上自己画的染色体模式图说“这就是细胞中的染色体”，这样会导致学生误把模型当原型，看到真实图像的时候不知所措。再如，凸显教材中各类模型。高中生物学教材中涉及的模型主要包括物理模型、数学模型和概念模型，除了物理模型大家比较熟悉之外，数学模型和概念模型并不常被提起。

教师还需重视学生建模思维的培养。首先要充分利用好教材中的素材，特别是运用生物科学史素材，展示科学家建构生物模型的过程，让学生体会模型建构的思路和方法。其次，倡导探究式学习和发现式学习，让学生体验模型建构的过程。以“生物膜系统的结构和功能”这节课为例，如果仅仅是根据教材，先介绍实验，再看图总结生物膜系统的概念，就无法发生模型建构行为。应当改变教学顺序，从细胞器的结构和功能人手，先让学生合理推测分泌蛋白合成、加工的过程进而建构模型，再根据实验数据、文字、图片资料等发现不同生物膜在结构和功能上的关联，逐步修正模型。在模型建构中发现问题、解决问题，最终实现生物膜系统概念的建构。课后还可以引导学生继续建模，结合真核细胞模型建构活动将分泌蛋白的合成加工过程渗透其中，将静态的模型动态化，激发学生的学习兴趣和动手操作的热情。

3.3 充分挖掘教材中的建模素材，使用模型进行概念教学

不同版本高中生物学教材中有丰富的科学史、图片、文字资料等素材，许多素材都可为建模教学充当脚手架，这就需要教师自身首先具备一定的元建模知识，能在教学中将内隐的元建模知识内容挖掘出来，将它们置于显性的地位。同时，可以参考其他版本的教材，选择恰当的素材来设计教学。概念教学是当前新课标背景下生物学教学的重中之重，生命观念的建立以概念性知识的学习为基础。教师通过梳理、整合各版本教科书中所含的概念、图像模型，充分使用模型与建模内容进行概念教学。使用模型，尤其是生物学教科书上的模型进行教学，可以有效提高概念教学效率，促进学生的深度学习。

生物学是钻研生命现象和生命活动规律的一门科学，其研究领域广泛，研究对象复杂多样。生物建模实际是通过模型构建将抽象复杂的生物知识直观呈现的过程，它既是一种思维方式，也是处理生物学问题的一种重要手段。对于学生来说，参与生物建模的过程，有利于学生拓展思维，将抽象的生物知识与直观的模型联系起来，从而养成理论联系实际的严谨思维。

基金项目：南京市教育科学“十四五”规划2022年度课题“基于自身认知理论的中学生物学主题学习实践研究”（L/2022/026）。