培养学生“模型建构能力”的教学策略

邰玉韦 吴晓丽

《辞海》中的“模型”指与具有原型相似特征的替代物，是系统或过程的简化、抽象和类比表示。根据代表原型的不同方式，可分为物质模型和思想模型两大类。模型建构是以研究模型来体现原型的形态、特征和本质的方法，常用模型来描述系统的因果关系或相互关系的过程。而生物学教学中的模型类型一般包括三种：数学模型、概念模型和物理模型。因此，本研究中的“模型建构能力”主要指数学模型建构能力、概念模型建构能力和物理模型建构能力。

1 培养学生“数学模型建构能力”的教学策略

数学工具是数学模型中不可或缺的元素，能够表现和描述真实世界某些现象、特征和规律的数学系统，常称之为数学模型。在生物学教学中，教师常常引导学生将数据巧妙地转化为柱形图、折线图、饼状图、表格、函数、几何图等，建构直观的数学模型。因其模型形象具体，便于学生从中找到规律，得出正确的结论，也有利于培养学生建构新情境中数学模型的能力，发展思维。

案例1：在植物生长发育过程中，不同的植物对同种无机盐需求量不同。为直观求证这个观点，常常把事实用数字表格形式来呈现，见表1。同一植物不同生长时期对某种无机盐需要量不同，也可以基于数据用柱形图表达，如图1所示。

案例2：鉴于学生对于数字符号比较熟悉，教师可以引导学生在生物学教学中赋予其新的意义，使教学简单化、容易化和具体化。例如，在学习“细胞分裂”一节时，细胞核中的染色体数目在分裂前后的变化是教学的重难点，某学生就用了数字的形式在黑板上很好地表达了细胞分裂过程中染色体变化规律（图2）：细胞分裂过程中，染色体中的遗传物质已经复制加倍，在细胞分裂开始后，分散在细胞中的染色体逐渐排列于细胞的中央，然后染色体平均分成两等份，向细胞的两端移动;细胞质也平均分成两等份，一个细胞变成两个细胞。亲代和子代细胞中染色体在数目和形态上保持一致，对生物的遗传具有重要的意义，保证物种的连续性。

数学模型的生物学意义是：可以使抽象的概念具体化、抽象的指标定量化、复杂的问题简单化、难理的概念清晰化。教师利用模型教学，学生会很积极主动地参与到互动的教学环境中，可以在学习过程中进行定量化、可视化分析，利于学生开展更细致的研究。同时，数学模型比较条例清楚，逻辑关系明显，可以帮助提高学生的系统性思维能力。学生的智能结构不同，兴趣和爱好不同，建构知识模型的方式也不同。因此，教师让学生选择自己喜欢的方式建构模型，可最大可能发挥学生的主动性、积极性和创造性。

2 培养学生“概念模型建构能力”的教学策略

概念模型是由节点和连线组成的一系列概念的结构化表征。节点表示某一命题或领域内的各概念;连线则表示节点概念间的内在逻辑关系。其主要理论依据是意义学习理论、图式理论、建构主义理论和最近发展区理论等。绘制概念图、构建概念模型可以帮助学生更加直接、直观地理解生物概念的内涵，帮助学生培养良好的学习习惯和思维方式。概念模型既是教师教学的工具，也是学生学习的工具，亦是师生反思的工具，还可以作为有效评价的工具。

案例3：新授课“神经系统的调节”教学中，认识神经系统的组成是学习神经调节的基础。在苏教版生物学教科书中，这部分内容掺杂着大量的概念，要让学生掌握并理解如此之多的概念确实有一定的难度。如何让学生在有限的时间内理清它们之间的联系？基于以上思考，同时又能顺应概念的认知规律，避免出现死板沉寂的课堂气氛，可采用构建概念图的方法，以填图的方式完成概念图，如图3所示。这样学生能将看起来零散繁多的概念整合起来，从整体框架中把握概念之间的区别和联系。

复习课上，在学生自主回顾旧知识的基础上，教师引导学生以概念图的形式把整章的内容进行串联并梳理清楚其内在的关联，有利于学生的思维发展和核心概念的把握，能够使学生在生物学习中起到事半功倍的效果。

生物学概念的形成并不是一个被动的接受过程，而是一个主动的建构过程。建构的过程需要学生对原有的知识去总结归纳、分析概括，把零散知识进行良好地整合，使知识梳理完整化、关联化，促进学生的思维发展。教师通过分析、比较、归纳、判断和推理等思维活动，促进了概念的正确建构与思维能力的培养。课堂上，教师可以多留时间让学生进行知识概念的梳理。实践还发现，自主绘画“趣味概念图”的形式，学生比较喜欢，效果也比较好，可以让学生充分展示表达、发展和提升学生的模型建构能力。

3 培养学生“物理模型建构能力”的教学策略

3.1 結构化物理模型建构

生物学教学中，物理模型是指客观实物或与客观实物的相似模型，可以直观地表达认识对象特征的模型。物理模型的类型有多种，根据内容和性质又分为结构型、功能型、动态型和开放型等。其中，静态的结构物理模型，如苏教版生物学教科书七年级上册中的植物细胞和动物细胞结构模式图、根尖的结构模式图等。实际教学中，结构化物理模型常常用实物或模拟实物材料和文字组成的结构模型或图画形式等直观地表达重要概念的特征。

案例4：苏教版教科书中“植物茎的基本结构与功能”的内容较多，教师要精心安排课堂流程，并将重点放在培养学生模型建构能力上。下列教学设计共有三部分：①观察实物植物的茎;②建构植物茎的结构和功能;③制作植物茎的结构模型。其设计层次清晰，符合学生的认知规律。放手让学生在“做”中学，教师尝试让学生制作茎的结构模型，采用的方式先利用珊瑚树作为学生观察的实验材料，在观察实物模型的基础上，注释各个结构（图4）;然后，再为学生提供多种模拟材料，让学生自主选择材料设计与制作模型。建构过程是对茎的结构与功能再次巩固和应用的过程，符合学生的认知发展规律。

运用结构化物理模型教学可以帮助学生形成生物学的重要概念，有助于加深对概念的理解，突破教学重难点，促进学生思维能力和创新能力的培养。在结构化物理模型建构培养学生思维的教学中，常用的教学策略有实物展示交流、制作实物贴图加文字标注、模型制作加文字标注、设计并绘制结构图等。

3.2 功能化物理模型建构

生物学教学中，物理模型的类型除了有静态的结构物理模型外，还可以建构功能物理模型。这种模型不仅能直观表达一定的概念结构，而且在动态演示操作过程中能体现出与结构相适应的功能，如简易透明呼吸运动模型，人体内的气体交换和运输模型、尿液的形成过程模型等。

案例5：苏教版教科书七年级下册第四单元第十章第三节“人体和外界环境的气体交換”、济南版七年级下册第二章第一节“人体与外界的气体交换”、鲁教版七年级下册第二章第一节“人体与外界的气体交换”等章节中，呼吸运动中膈肌、胸廓及肺的变化关系都是教学的重难点。而且“呼吸运动”也是新课标中要求的一个重要概念，是整个初中生物教学中的重点和难点。由于学生没有物理学知识作铺垫，加上胸廓概念抽象不透明不可见，在学习这一部分内容时，学生看不到胸廓变化引起肺部变化的过程。

多数学生的经验里总认为，是吸气导致肺增大，进而引起胸廓扩大。教师利用简易透明呼吸运动模型（图5），可以突破这一教学难点，使学生能够清楚地看到呼吸运动中胸廓、呼吸肌及肺的变化关系。该模型既可以用于教师演示，也可用于学生分组实验。

教师利用功能化物理模型教学，教学效果明显，可以使抽象概念具体化、直观化，生动有趣，降低了学习的难度，有效突破了重难点，促进了学生对重要概念的深入理解。

3.3 动态物理模型建构

生物学教学中，物理模型的类型除了有静态的结构物理模型外，还可以建构动态物理模型。这种模型能够直观地动态演示生命过程中所体现出的生物现象和规律，如“人体基因对性状的控制”动态物理模型，“细胞分裂”动态物理模型等。

案例6：苏教版教科书七年级上册第三章第三节“细胞分裂和分化”。课标的具体内容：描述细胞分裂的基本过程。本节课的重难点聚焦在：理解细胞分裂过程中亲子代细胞染色体数目的变化和复制。学生虽然对动植物细胞的基本结构和功能有所了解，但对染色体的知识了解还比较少，尤其对比较抽象的细胞的分裂过程感觉陌生和复杂。在实际教学中，笔者创设了如下模型教学情境：用动态物理模型摆一摆，分裂过程中亲子细胞染色体的数量变化如图6所示，展示并评价;用动态物理模型再摆一摆，探究细胞分裂过程中染色体的复制和染色体平均分配如图7所示，展示并评价。建模是问题解决的基础。学生在建构中学习，主动发现规律，理解亲子细胞染色体的数量和形态应该是一样，并理解染色体的发生和复制过程。这样解决了本节课的两个重难点。

在教学中，教师巧妙地创设与概念属性相似的动态模型制作体验活动。学生通过类比联想的方法，将所得的体验与将学习的新概念联系起来，构建新的概念体系。教师就可以借助动态模型的直观性，发展学生的科学思维。

3.4 开放物理模型建构

生物学教学中，物理模型的制作可以向学具方向发展，具有一定的STEM工程设计制作和探究理念。这种模型可保存和可拆卸，利于小组重复建构。模型材料的选择具有一定的开放性，制作材料多来自生活，简单方便，如日常生活用品、各种工艺纸盒、各种有色饮料吸管、废弃的电话线、一次性餐具、便利贴等，能形象地模拟建构生物学上的重要概念。不同的学生会产生自己不同的研究路径，其作品的设计和制作充满学生的创意，如血液循环、神经元等物理模型。

案例7：“血液循环”模型制作课，教师提前一节课给学生做一定的指导，提出制作模型的要求和方法。学生可自己选择制作材料，如吸管、电线等，根据血液循环的知识，个性化地设计和制作血液循环模型。模型制作要求：①立体模型;②可保存;③可拆卸（最好能够）;④利用日常生活用品，如盒子、有色吸管、电线、便利贴，能形象地模拟（心脏、血管、血管名称）;⑤有新创意、作品简洁明了、美观。学生兴致很高，创意满满（图8），既学会了科学的思维方法，又体验概念构建过程。

制作开放物理模型的过程一般包括三个环节。①设计环节：首先，师生共同梳理相关概念知识，展示学生优秀作品;然后，布置自制模型的任务，提出制作模型作品的要求;最后，请学生先初步设计模型作品的简易图，展示并评价。②体验环节。各小组利用自带的各种模型材料，制作和完善各自特色的作品，展示作品和评价。③模型的拓展应用。