立足发展科学思维 实施概念建模活动

黄珍

【摘要】科学思维素养是高中生物学科的四大核心素养之一，科学思维素养的提升是在运用思维方法的过程中实现。以概念建模活动为平台，通过情境激趣、问题驱动让学生亲身参与概念模型构建，在建模过程中渗透科学思维方法的运用，有效促进学生科学思维素养的发展。

【关键词】概念模型；科学思维；学生发展

科学思维、社会责任、生命观念和科学探究是《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中提出的四大核心素养。科学思维是四者中的主要内容，是形成生命观念的重要途径，也是科学探究的重要组成部分，因此有效发展学生的科学思维素养是教学的目标之一。科学思维素养的提升是在运用思维方法的过程中实现，而建模就是一种思维方法。教师围绕教学内容开展建模活动，调动学生积极动手、动脑和表达，引导他们运用正确的科学思维方法去认识事物和解决问题，在建模活动中发展学生科学思维品质。

一、概念模型与科学思维

第一，概念模型。模型是对研究的原型客体在保留其本质属性的基础上进行一定的抽象、概括并且简化，包括物理、概念、数学三种模型。概念模型指是以文字、符号来抽象概括出事物本身特征的模型。

第二，科学思维。科学思维素养是在事实和证据的基础上，学生运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。科学思维方法的类型有：比较与分类、分析与综合、归纳与演绎、抽象与概括、建立模型、批判性思维等。新课程标准要求学生达到科学思维素养水平是：能认识、形成及表达生物学概念；概括、揭示生物学规律并能表达其内涵；在特定的情境能解释生命现象和预测未来发展趋势或结果。

第三，概念模型的作用。概念模型的建立就是一种思维活动，可以形成思维的产物——概念。简化的模型能外化脑中隐形的知识，直观体现事物间的内在联系和概念之间的逻辑关系，能将零碎知识网络化，是理解理论和应用的桥梁，应用概念模型帮助人们认识更抽象更深层次的问题。概念模型建立与应用有助于发展学生科学思维水平。

二、基于科学思维发展的概念模型构建活动

第一，合理分组，分工明确。哈佛大学提出小组讨论可达到知识吸收效率50%以上。建模活动采用小组合作形式，4-6人一组。分组时充分考虑组员现有思维水平和成绩，小组间差异小。活动时统筹工作、记录、管理纪律、工具的准备以及发言和展示等任务需分配到个人。小组分工明确，相互监督，利于活动有序高效进行。

第二，建模活动的步骤。科学思维特征的结构是崇尚真知的认知动机—尊重事实和证据的认知行为—正确逻辑的认知方式—质疑和批判的认知品质，因此笔者将基于发展学生科学思维的模型构建活动创设成5个环节。教师：情境引入激发认知动机—提供事实和证据—布置任务或问题驱动学生参与—组织学生展示并适当评价—布置新任务。学生：产生兴趣—以事实和证据作为科学思维的起点—合作和讨论，运用科学的思维方法进行建模—展示成果并表述，质疑批判修正—应用建立的模型完成新任务。

三、基于科学思维发展的概念建模活动的教学策略

下面笔者就“生态系统的物质循环”（人教版必修三第5章第4节）谈谈概念建模活动的教学策略。

1.情境激趣，生成知识

教师设计有趣的情境，通过巧设问题引发学生分析和综合来构建概念的模型，并通过评估、自我调整等认知技能对模型进行评价和修正，最终形成概念。例如，在“物质循环的概念”教学中，笔者创设情境：“生物圈中物质经过几亿年利用都没有减少，说明物质可反复利用，简单说说你身体中有机物中碳如何成为奥巴马身体中有机物中的碳。”这个有趣的问题一提出立刻引起同学们的兴趣，并讨论了起来。接着，笔者以模型展示学生的讨论结果：自己（生物）→无机环境（漂洋过海）→生产者（生物）→奥巴马（生物）。然后，笔者通过设计问题让学生历经“局部分析→整体综合→演绎修正”三个过程建立概念“物质循环”的模型。问题如下：①上述过程碳的存在形式有无发生变化？物质循环的物质是元素、化合物还是单质？②物质在哪里与哪里之间循环？ ③请你尝试用简单的概念图表示物质循环或提出物质循环的概念……通过活动可以让学生积极参与讨论，提高分析、综合、推理的思维能力，促进发展学生科学思维素养水平二——能够以特定的生物学事实为基础形成简单的生物学概念，并能用文字或图示的方式正确表达。

2.步骤有序，模型清晰

利用杂乱无章的信息建立成一个清晰显现概念之间关系的模型并不容易，构建模型时有序的步骤显得尤为重要。例如，笔者在“碳循环”教学中，首先师生根据碳元素在群落和生物群落无机环境之间循环来确立模型中的对象（图1），让学生基于已知的生物事实按步骤构建“碳循环”的模型（图2）。

活动任务一：根据下列步骤，构建“碳循环”的模型。（1）用箭头表示碳从无机环境进入群落（写出生命活动、说出碳的形式） ；（2）箭头表示碳在群落内部中转移途径（写出生命活动、说出碳的形式） ；（3）箭头表示碳进入无机环境的途径（写出生命活动、说出碳的形式） 。

活动任务二：根据完善后的模型概括出：（1）碳循环的主要形式；（2）碳进入群落的途径；（3）碳返回到无机环境的途径。

活动任务三：根据模型请分析空气中二氧化碳的含量增加的原因，由此带来什么危机？谈谈自己的低碳生活并说明理由。

任务一让学生有序地把客观事物联系起来；任务二让学生基于模型进行概括；任务三需要学生运用模型解决实际问题。这三个任务驱使学生利用抽象、归纳、概括、批判性思维等思维方法，促进发展学生科学思维素养水平三和四——基于事实和证据，运用归纳的方法概括出生物学规律，对可能的发展趋势作出预测，解决实际问题。

3.应用模型，启思助解

知识和技能只有通过学生的二次归纳和应用才能内化。运用刚建立的概念模型既可巩固刚学的知识，又可理解更深层次的抽象知识。例如，学生难以理解“能量流动和物质循环是同一过程”。因此，笔者在“能量流动和物质循环的关系”教学中布置模型修改活动：请将构建的碳循环的模型修改为能量流动的模型图（图3、4）。并分析二者的异同，概括出二者的关系。此活动通过观察、比较、分析的思维方法完成，有利于发展学生科学思维素养水平四——利用多个相关的生物学大概念，通过逻辑推理阐明个人立场。

以概念建模活动为平台，通过情境激趣，问题驱动让学生亲身参与模型构建，在建模过程中将科学思维方法的训练渗透进去，达到知识生成的同时又提高了学生的思维能力。小组内的互助和监督提高了构建模型成功的可能性，模型的完善过程增强了学生思维的严密性，应用新构建的模型提高了学生理解和解决问题的能力。综合所述，教师精心设计模型构建活动促进了學生的科学思维的发展。

参考文献：

[1]张迎春.中学生物教材研究与教学设计[M]. 陕西：陕西师范大学出版社，2011：6.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.