基于创新与创客教育的高中生物学建模活动

石进德

（厦门第一中学集美分校，福建 厦门 361023）

STEM教育是在科学探究的基础上融入工程学、数学的一种创新实践活动，突显创新与创客。创新是指应用已有知识和物质进行改进和创造；创客是实现创意的转化，创新与创客教育理念是注重异想天开，尊重首创，鼓励分享。

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》提出“学生应该在学习过程中逐步发展科学思维，基于生物学事实和证据运用模型与建模等方法，探讨、阐释生命现象及规律”；对必修1模块的学业要求是，应能够“建构并使用细胞模型”。因此，基于创新与创客教育理念构建高中生物学模型，能更好地反映生命活动规律，提高学生的生物科学素养。

一、理论学习夯基础、掌握方法识意义

利用生物学研究性学习活动，开设“创客与创新教育”“创新在我身边”“模型建构与生物学学习”“高中生物学模型分类”“高中生物学模型建构与生物学概念学习”“高中生物学模型设计”等专题讲座，组织学生学习创新-创客教育理念、3D模型打印技术、高中生物学模型分类、高中生物学模型建构方法与意义等理论知识，并指导学生观看模型建构案例视频，如生物模型制作比赛、血糖调节模型建构、3D模型打印操作等视频，让学生依据模型建构中可能用到的仪器设备、材料、数据及可能遇到的困难，初步预设建模成果及呈现形式，提出具体可行的建模方案，以此了解模型建构的方法，明确模型建构的生物学意义。

二、创客活动显身手、建构模型促认知

利用学校生物学探究实验室与3D打印科普教育实践基地，设计、制作、评价与修正高中生物学模型，进行模型建构创客活动，促进学生对高中生物学核心概念的理解与应用。

1.建构高中生物学尺度模型

高中生物学尺度模型的建构是指将生物体的特定结构按一定的比例建构，能充分体现生物体的外部特征和内部结构特征。

【案例1】建构DNA双螺旋平面结构模型

指导学生动手制作DNA双螺旋模型，模型建构活动步骤是，画出DNA双螺旋模式图—寻找工具与材料—制作“配件”—组装、修饰—模型展示、评价与修正。

（1）学生分组设计、画出DNA双螺旋结构模式平面图（如图1）。

图1 DNA双螺旋结构平面图

（2）学生自行准备颜色不同的正方形手工纸、剪刀、透明胶布、记号笔、铅笔、小尺等。学生发挥各自想象力，除用这些常用的材料外，还可以充分利用身边的简易材料，如废旧包装盒、硬质泡沫塑料、矿泉水瓶盖、小刀、即日贴、铁丝、牙签、硬纸片、细丝绳、钉书丁等。

（3）制作“配件”。准备不同颜色的正方形纸若干，连续对折三次，并将其剪为小纸条，制成A、T、G、C四种碱基；取水红色正方形纸、利用折星星的方法将其折为脱氧核糖模型；取深蓝色正方形纸，将其剪为比脱氧核糖稍小的“磷酸”。

（4）组装DNA双螺旋平面结构模型。先用透明胶布粘起一面，再用记号笔画出化学键，最后用透明胶布粘起另一面；按碱基互补配对原则制作碱基对，再按磷酸和脱氧核糖反向平行的原则组装DNA双螺旋平面结构模型（如图2）。

图2 DNA双螺旋平面结构模型

（5）展示、评价与修正。各小组展示所制作的DNA双螺旋结构模型，相互评价，对存在的制作的配件大小比例不当、脱氧核糖摆放的位置不对、两条脱氧核苷酸链没有反向平行等问题进行修正和完善。

学生构建高中生物学尺度模型，以此直观地描述生物学微观结构的事实性知识，有助于学生对生物体结构的认知、理解与应用高中生物学概念性知识，形成生物体结构与功能相适应的观点。

2.建构高中生物学概念-过程模型

概念-过程模型是以文字描述形式来体现生命的本质与规律属性，用文字概括研究对象的主要特征和联系，并可对其个性和共性特征进行有效的区分和联系，厘清错综复杂的概念关系，简化知识，使知识结构化，有利于培养学生的创造性思维能力。

【案例2】建构豚鼠胰腺腺泡细胞分泌物形成过程模型

（1）画概念-过程图。指导学生思考豚鼠胰腺腺泡细胞分泌物形成过程，了解各细胞器的结构与功能等，领会内质网和高尔基体、高尔基体与细胞膜间没有直接联系，内质网初步加工来自核糖体的多肽链，内质网膜形成囊泡运到高尔基体进行加工后，再以囊泡的形式运到细胞膜处，以胞吐的方式将蛋白质吐出，在此过程中，内质网膜与高尔基体膜、高尔基体膜与细胞膜相互转化，说明在细胞结构和功能上具有统一性。理解各细胞器间的关系，画出相应的概念-过程图（如图3）。

图3胰腺腺泡细胞分泌物形成过程图

（2）建构概念-过程模型。学生依据概念图设计相应的概念模型，并尝试在电脑上用画图软件制作出概念模型结构动画图，注意体现各种概念间的关系。

（3）准备材料。寻找简易材料和用具如毛线、妞妞棒、双面胶、硬纸板、磁铁块、粘合剂等。

（4）DIY制作。利用准备的材料和用具，DIY制作出生物学概念-过程模型（如图4）。

图4胰腺腺泡细胞分泌物形成过程模型

（5）检测反馈。将构建的生物概念-过程模型应用于课堂教学实践，检测是否能产生合理的结果，若无法达成预期目标，进一步搜集各种反馈意见并加以修正，最终完成作品。

生物概念—过程模型的构建活动从理论到实践具有不同的难度梯度，构建过程可能遇到各种各样的困难和问题，但活动紧贴学生学习和生活的自然环境，学生较感兴趣，所以会想方设法解决问题，构建出相应的模型，以促进学生深入理解和应用生物学概念。

3.建构高中生物学数学模型

高中生物数学模型的建构是依据发现的问题，设计相应的实验，通过获得的实验数据，用恰当的数学形式对合理假设的佐证与确认，能概括性地描述和阐述生命的本质或生命规律或生物结构与功能间的关系，从而提高学生的数学模型建构能力，有助于学生开放性思维与创新能力的提升。

【案例3】构建酵母菌种群数量增长模型

（1）实验设计。首先设计探究酵母菌种群数量变化实验方案，主要围绕影响酵母菌种群数量变化的因素、计数等实验用具选择、实验操作步骤、利用原理的分析等拟定本次探究方案。

（2）实验探究。每天定期取样、计数、得到实验数据；检测后采用分装至更大容器培养与不分装培养两组实验；获取每天的实验数据。

（3）绘曲线图。在同一坐标中依实验数据绘制酵母菌种群数量随时间变化曲线图。

（4）形成数学模型。依据数学模型的特征要求，在曲线坐标上标注曲线名称、曲线相互关系，分析种群数量变化因素，形成预期的数学模型（如图5），体现生命本质与生命规律。

图5酵母菌种群数量增长模型

（5）模型检测。教师对模型进行审核，提出修正意见，学生再完成模型作品。

学生在探究实验中将所学知识应用于实践，依据实验结果构建高中生物数学模型，既体会到探究性学习过程的乐趣，又拓展对高中生物学知识学习，在探究基础上进行创新与创客实践，进一步提升了学生的生物学素养。

4.建构高中生物学3D模型

在生物教学中指导学生利用3D虚拟仿真软件构建生物学模型，不仅能够将微观的物质、动态的变化过程更形象地呈现出来，加深学生对所学生物学知识的理解，提高学生学习生物想的兴趣，还能引导学生进行发散思维，提升学生的探究能力和分析解决问题的能力。

【案例4】建构细胞结构3D模型

（1）模型选择。根据高中生物学学习的需要，选择需要突显立体空间结构生物模型。

（2）图纸设计。采用Maya建模软件，对高中生物模型进行设计图像模型，

将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，进行图像优化处理（如图6）。

图6细胞结构3D图像

（3）模式转换。用建模软件一般默认的格式都是常用的obj、xxx、xxx等格式，而3D打印所需要的打印格式是stl格式，所有要把图像模型导出成stl格式文件。

（4）打印制作。将设计好的模型打印成型，完成细胞结构3D模型（如图7）。

图7细胞结构3D模型

（5）拓展探究。进一步深入探究不同材质打印细胞3D模型的差异。

学生在DIY生物3D模型的建构中获取实践经验，拓展和提升了学习及其能力，解决实际问题，让学生学有所用，从课堂走向实践。

三、展示交流共分享，挖掘拓展促延伸

1.展示交流，评比分享

首先由各组学生代表展示各自的创新设计思路和创客作品，并以课题答辩的方式交流建模体会。以美观实用、解决生物学难点、突显生物特点、具有创意、设计思路科学规范、材料选择最佳等作为模型评价标准，师生共同评选优秀的模型。同时对创新性提出新问题、新方法的数量最多与质量最佳的小组和个人进行表扬和鼓励。将评选出的优秀设计方案、活动照片、参考文献、过程性文字资料和实物材料等进行展示与分享。

2.探究拓展，实践创新

教师引导学生探究不同生物学模型建构的差异性，尝试开展高中生物学大概念建模研究，拓展与高中生物模型建构活动有关的创新性课题研究。教师还协助学生提交生物学模型专利申请。基于前期模型建构活动所取得的成果，组织学生开展“头脑风暴”，鼓励用自己独特的思维方式去创新，引导学生互相质疑，设计新的创意项目，参加创新比赛，促进建模活动的深入开展。

参考文献：

［1］赵萍萍，刘恩山.科学教育中模型定义及其分类研究述评［J］.教育学报，2015（2）.

［2］段颖华.基于系列探究实验的模型构建［J］.生物学通报，2017（4）.

［3］赵萍萍，刘恩山.中学生物学中的类比模型及其构建［J］.中学生物学，2015（6）.