新课程标准理念下的高中生物学建模教学策略

赵萍萍 刘恩山*

（1 河北师范大学生命科学学院 河北石家庄 050024 2 北京师范大学生命科学学院 北京 100875）

《普通高中生物学课程标准（2017 年版）》（以下简称“新课程标准”）明确提出生物学学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任［1］。教师如何在新课程标准的指导下，促进学生逐步发展、 完善并最终达成这4 个维度的核心素养， 成为当下生物学教育研究者和一线教师亟待思考和解决的问题。 建模教学策略作为近几年全球科学教育领域的研究热点之一， 其让学生通过建模活动深入理解知识形成过程的核心理念，成为当前课堂上促进学生生物学学科核心素养，尤其是科学思维能力提升的重要教学策略之一［2-3］。

本研究主要以人教版高中生物学《遗传与进化》模块，及其第3 章第2 节“DNA 分子的结构”内容为例，结合实际教学，阐述如何恰当地使用建模教学策略以发展学生生物学学科核心素养。

1 建模教学策略简介

研究认为凡是涉及模型构建、模型使用、模型评价和修正的教学都称之为建模教学［4］。 建模教学和建模历程密切相关。 由于建模历程具有过程性、复杂性、多因素性等特点，以建模为核心教学活动的建模教学也因此呈现较为复杂、 较难掌控等特点［5］。研究者认为基于学生认知发展的规律，建模教学策略实施之初， 教师可采用示范如何建模为主的教学形式， 将建模的主要步骤潜移默化地渗透到教学中。 随后待学生逐渐熟悉和理解这些步骤，教师就可采用以学生构建模型为主、教师引导为辅的教学形式。

1.1 建模教学策略主要实施步骤 构建模型遵循一定的步骤。 本研究以尤斯蒂（R. S. Justi）和吉尔伯特（J. K. Gilbert）于2002 年提出的建模框架作为理论基础［5］。 建模教学的步骤主要包括：①明确模型构建目的；②选择和使用合理的模型表征方式；③构建模型；④检验和评价模型；⑤修正模型。

表1 建模教学策略适用范围（以“遗传与进化”为例）

以上5 个步骤贯穿建模教学的每个建模活动，并呈现先后的逻辑顺序。 首先，明确模型构建目的。这要求建模者能全面理解模型的功能，从而确定构建模型的作用和目的。 模型的功能主要包括描述、解释和预测［6］。模型可用于描述难以直接观测到的太大或太小及人工难以控制的事物或现象，可用于解释事物发生的原因和机理，还可用于预测事物的发展趋势［5］。基于以上3 个功能，建模者就容易理解构建模型并非是手工制作， 而是为了帮助人们描述、解释或预测事物和现象，从而更有目的性、针对性地构建模型。 第2，选择和使用合理的模型表征方式。 在明确模型构建目的后，需将模型用合理的方式呈现。 常见的表现形式有实物、视觉、符号、语言和行为手势等，并可将不同的形式自由组合，从而更全面多样化地表现模型［7-8］。 第3，构建模型。 在此过程中，教师需聆听并可参与学生的讨论， 及时发现学生的疑问和困惑，有助于后续建模教学的顺利开展。 第4，检验和评价模型。建模完成后，需基于一定的评价标准审视该模型。 促使建模者反思模型和模型所表征事物之间的关系是否科学正确， 有助于建模者真正地理解和运用知识，并表达自己的观点。 第5，修正模型。基于模型评价产生的优、缺点或改进建议， 对模型进行修改或更新从而最终达成建模目的。 教师将以上5 个步骤渗透和融入到建模教学设计中，在帮助学生完成建模的同时，也促使学生获得知识和能力，提升科学素养。

建模的5 个步骤并非完全单向线性， 而是可循环往复的。 如若在第3 步构建过程中发现模型的表征方式不合理，可返回第2 个步骤，重新思考选择合理的模型表征方式。

1.2 建模教学策略适用范围示例 值得注意的是，建模教学策略虽使学生受益，但并非所有高中生物学内容都需或适合运用建模教学。 研究者认为应从模型的功能视角衡量是否使用建模教学策略。 当教学内容运用建模的方法有助于学生更好地描述、解释和预测事物或现象时，教师可考虑使用该策略。研究者以人教版高中生物学《遗传与进化》为例，整理归纳该模块适合建模教学的主要内容，并给出详细理由，以期为广大生物学教师的教学提供有效参考（上页表1）。

2 建模教学策略发展学生生物学学科核心素养

建模教学策略通过鼓励学生基于科学问题动手动脑构建模型， 在促进其理解知识形成过程的基础上，着重发展学生模型与建模等科学思维，提高了其运用科学思维解决实际问题的能力。 与此同时，基于不同教学内容，建模教学策略也在不同程度上体现了生命观念，结合科学探究，并为社会责任形成奠定基础， 最终为促进学生生物学学科核心素养的达成添砖加瓦（图1）。本文以“DNA 分子的结构”为例，阐述建模教学在发展生物学学科核心素养中的具体操作和价值。

图1 建模教学与生物学学科核心素养关系图

2.1 建模教学着重发展科学思维 建模教学策略鼓励学生在尊重生物学事实和证据的基础上，运用建模思维和方法， 探讨和阐释有关生命现象及规律。 本文主要阐述模型和建模思维在建模教学中的运用和发展。由于DNA 分子结构的空间复杂性和组成要素多样性， 此模型的构建遵循由浅入深，由易到难的渐进原则。 脱氧核苷酸是DNA分子的基本组成单位， 众多脱氧核苷酸这一基本单位构成脱氧核苷酸单链， 之后2 条单链通过碱基配对等形成DNA 分子的平面结构，最后通过旋转形成双螺旋的空间结构。因此，建模时从构建脱氧核苷酸模型入手， 依次分别构建脱氧核苷酸长链模型、DNA 分子平面结构模型、DNA 分子立体结构（双螺旋结构）模型。 前文所述建模的5 个步骤均在这些模型的构建中体现。 本文以2 个模型为例进行说明。

首先，在构建脱氧核苷酸基本单位模型时，教师第1 步应引导学生明确建模目的， 即构建此模型是为了能准确描述脱氧核苷酸的基本组成要素， 为后续建模打下基础。 教师可引导学生回顾《分子与细胞》模块所学的“遗传信息的携带者——核酸”一节内容，重温组成DNA 分子的基本单位脱氧核苷酸，这是建模的依据和证据。 第2 步，需考虑选择和使用何种模型表征方式。 为节约课堂时间，教师可将提前准备好的材料发放给学生。 例如，用球形塑料片代表磷酸、五边形塑料片代表脱氧核糖、4 种不同颜色的长方形塑料片代表4 种碱基等。 同时向学生介绍如何在建模时选择模型表征方式，即学生应明白为何使用这些材料，以及用何种材料将它们连接才是合理的。 第3 步，学生分小组进行建模活动。 在此过程中，教师需留意学生的活动操作和讨论内容， 及时反馈和纠正学生出现的错误理解和认知。 第4 步，检验和评价模型。教师评价学生的模型，并鼓励学生互评，检验和评价模型遵循一定的标准，对于此模型而言，着重关注脱氧核苷酸组成结构的连接位置是否出现错误。 对出现错误的模型提出修改意见，帮助学生形成对脱氧核苷酸的正确认知。 第5 步，修正模型。教师通过控制管理课堂时间， 鼓励学生在短时间内修正原有错误模型， 形成科学合理的脱氧核苷酸模型。

其次， 在构建脱氧核苷酸单链模型时， 第1步，教师先引导学生明确建模目的是为了准确描述2 个脱氧核苷酸在什么部位，并以何种化学键的形式相互连接成长链。 教师可展示科学家关于单链形成的研究资料，作为建模依据。 第2 步，基于建模材料，引导学生思考：①2 个脱氧核苷酸在什么部位相互连接成长链? ②如何表现相互连接的部位和连接方式？ 引导学生选择自己认为合理的建模材料，即模型表现方式。 第3 步，依据选择的材料，学生分小组合作制作一条DNA 单链。 在此过程中，对于可能出现的磷酸二酯键连接位置错误等问题，教师应给予及时反馈。 在讨论过程中，理论和实践不断碰撞，学生的科学思维得以发展。 第4 步，建模完成后，教师评价学生的模型，并引导不同小组间互评。 通过评价，学生可清楚地认识到脱氧核苷酸间的连接位置及磷酸二酯键（上一个脱氧核苷酸的脱氧核糖3 号糖与下一个脱氧核苷酸的磷酸连接形成的化学键）。 模型不正确的学生可修正自己的模型， 加深理解，完成建模的第5 步。

建模思维的5 个步骤同样适用于构建DNA分子平面结构模型和立体结构模型， 在此不加赘述。需要特别指出的是，模型的评价标准不仅仅是正确或错误如此简单，它是多维度的，并与教学内容紧密相关。在DNA 分子双螺旋结构模型构建完成后，评价模型需考虑如下几点（表2）。

表2 DNA 分子双螺旋结构模型评价标准

以上8 条标准与建模的5 个步骤密切相关，且具有普适性， 适合评价高中及初中生物学教学中构建的诸多模型，教师应基于不同的教学内容，修改和完善每条标准所对应的具体释义。 只有以具体教学内容为依托， 针对每条标准制定详细的说明，模型评价才具有针对性和实用性，而不是形式化。此外，教师在实际教学中还可对上述每条标准赋分，根据8 条标准的最后得分情况，判断学生建模的质量， 从而有助于改进和提高建模教学的成效。

除了在建模的5 个步骤中逐步发展科学思维，建模教学应充分尊重生物学事实和证据，这是发展科学思维的重要保障。 建模不是按部就班将一个模型构建完成即可， 而是重在构建过程对证据等的思考和评估， 并基于新的证据修改完善模型。 DNA 分子结构模型正是在科学不断发展、新证据不断产生的基础上逐步构建的。 与此相关的DNA 分子结构建模教学，也正是通过教师出示多种证据资料，逐步引导学生构建科学合理的模型。

2.2 建模教学促进核心素养其他方面的发展 建模教学还促进生命观念、科学探究，以及社会责任这3 个方面科学素养的发展。首先，建模教学策略有助于学生生命观念的形成。 “DNA 分子的结构”一节内容中DNA 分子的结构与DNA 分子的功能（复制和表达）密切相关，并为学生理解和掌握基因工程等内容打下良好的理论基础， 因此主要体现结构和功能观。 教师在进行建模教学设计时可在多处渗透和体现这种生命观念。 第1，在课堂导入环节， 教师可引导学生思考：DNA 是主要的遗传物质， DNA 应具备怎样的结构才能作为遗传物质行使遗传功能。这样的问题引导看似简单，实则可帮助学生思考结构和功能的相互关系。 第2，在构建DNA 分子的平面结构模型时，由于不同小组模型的碱基对排列顺序不尽相同， 教师可引导学生思考和讨论如下问题：①DNA 分子中的遗传信息蕴藏在哪儿?②比较不同组的DNA 模型在此方面有何不同？通过这样的教学活动，学生容易理解DNA 分子的遗传信息蕴藏在碱基对的排列顺序中， 不同的碱基对排列顺序传递不同的遗传信息，即不同的结构产生不同的功能。 第3，在构建DNA 分子空间结构模型时，教师可引导和鼓励学生尝试构建正向平行和反向平行的双螺旋，通过试误和对比，加深对反向平行结构与DNA 分子复制相关联的理解，进一步体现结构和功能观。

其次，建模教学策略与科学探究相结合。 《普通高中生物学课程标准（2017 年版）解读》提出在科学探究活动中，人们提出自己的问题、计划、设计并开展科学探究活动回答其中的一些问题［9］。关于DNA 分子是何种结构这一问题，教师在建模教学时引导学生基于实验证据逐步探索构建模型，从而得到DNA 分子结构这个问题的答案，即学生通过建模活动亲身体验了科学家是如何探究DNA分子结构的， 能较好地理解科学探究的过程。 此外，建模教学还可传递沃森和克里克分工合作、善于综合多学科知识、锲而不舍的科学探究精神。

最后， 建模教学策略为学生社会责任的形成奠定基础。 社会责任主要是指教学能使学生将生物学的概念和原理作为观察和思考社会性议题的视角和立场， 能用生物学的观念和规律对问题或议题进行判断等［9］。 近年一些热门的社会性议题与DNA 有关，例如，转基因技术。转基因技术的主要步骤涉及DNA 复制及转录表达等基本概念和原理。 由于DNA 分子的复制涉及双螺旋解开、互补碱基间的氢键断裂等过程， 只有科学准确地理解DNA 分子双螺旋结构， 才可能很好地理解DNA 分子的复制。 同样地，理解DNA 分子结构也是理解DNA 转录的重要基础。 可以说，“DNA 分子的结构”一节的建模教学设计若能为学生深入理解DNA 打下良好基础，则有助于学生理解和解释与DNA 有关的转基因技术等社会性议题，长远来看则是为学生社会责任的形成奠基。