多方建模培养学生科学思维

摘 要：模型是人们为了认识某种事物或过程，运用一定的手段构建的既突出其特点、规律或趋势，又比较简化的表现形式。本文用初中生物教学实例来探讨如何通过多方建模来突破生物教学中的重难点的同时培养学生的科学思维。

关键词：多方建模;模型科学思维;生物教学

模型是人们为了认识某种事物或过程，运用一定的手段构建的既突出其特点、规律或趋势，又比较简化的表现形式。它可以将复杂的事物和过程用简化和直观的形式来呈现，将零散的知识系统化。学生在学习科学的过程中利用和构建模型，通过了解知识的形成过程，融入科学实践中去，尝试着科学家们的思考模式，更深入地理解知识。教师则通过指导学生使用和构建模型，解决生物教学中的重难点的同时，培养学生的科学思维。生物模型分为物理模型、数学模型、概念模型。针对一个复杂的现象，教师还可以联合使用不同的模型来分析说明。笔者将以人教版八年级上册第二章第一节《动物的运动》一课为例，探讨一下如何通过多方建模突破教学中的重难点的同时培养学生的科学思维。

一、 物理模型

物理模型是指用实物或图画形式直观反映认识对象的形态结构或三维结构，这类实物或图画就是物理模型。生物课堂中使用物理模型可以让学生在学习生物学课程各个相关内容的过程中，充分体验这种方式所带来的启发性作用，在理解知识内容的同时，学生也掌握了一种科学研究的常用方法，并逐步培养其构建模型的思维方式。

（一） 利用实物构建物理模型，直观展示，培养模型越建模的科学思维

在《动物的运动》这节课讲解到关节的结构时，教师提供了一个“原型模型”—猪的关节，一份是完整的，一份是剪开关节囊，露出关节腔。同时展示关节示意图，组织学生进行集体探究，对照着关节示意图找出关节各部分的结构。活动活动猪的关节，思考并讨论：在运动中关节起到什么作用？关节的灵活性和牢固性通过关节的哪些结构完成？学生利用物理模型，通过实际动手操作，集体讨论，解决问题。在这个过程中，学生们注意力集中，兴趣高涨，兴趣有了，课堂效率也就高了。在教师的引导下，学生利用猪关节这个实物构建的物理模型，使得抽象的概念变得具体，突破了关节结构以及功能的难点。

为了突破骨骼肌的结构和功能这个教学重点，教师再次提供了实物模型——去了皮的鸡翅。

通过利用教师提供的鸡翅这个实物模型，引导学生主动参与，动手操作，通过体验模型的运作过程，进而理解原型骨骼肌的结构以及骨骼肌与骨和關节的位置关系及工作原理。让学生通过对鸡翅的解剖充分理解概念，真正融入教学过程中，内化知识并提升思维的同时也突破了教学的重点。

教育学家卡美纽斯曾经说过：一切看得见的东西都应该放到视觉的跟前。猪关节在生活中比较容易获取，通过实物解剖，非常直观地观察到它的结构和功能。在教师的实验指导下学生自主进行实验，对观察、解剖、比较都有了明确的方向。在每一部的操作过程中，学生可以得出相应的结论，在每一个结论的基础上再进行下一个实验。通过实验的指导，加深对概念的认识和理解。最终以实验事实提取升学本质的内容，建立概念体系。

在初中生物学中，可以常常利用实物建模的教学模式，例如在讲解肾脏的结构时，就可以提供猪肾;在讲解鸟卵的结构时可以提供鸡蛋。这些都是可以比较容易获取的实物，用实物构建物理模型，在突破教学重难点的同时也培养了学生的科学思维。教学的过程中也向学生传达了一种生物学习的方法，培养学生构建模型的思维方式，提高学生生物学素养。

（二） 利用类比法构建物理模型，对比和比较，培养演绎与推理的科学思维

在讲解骨和关节在构建身体上起到的作用以及骨、关节和骨骼之间的关系时，教师展示的“原型模型”是伞的骨架。教师首先让学生观察伞骨的结构，动手开伞收伞，观察伞骨的运动，思考伞骨的作用。同时展示兔子的骨骼的图片，二者进行比较，引导学生思考他们的相似之处，最后经过演绎和推理，学生经过思考归纳总结得出：骨骼是由骨和关节构成的，起到支撑的作用，上面附着着肌肉，骨围绕着关节运动。从而突破骨骼是由骨和肌肉构成，以及关节在运动中起到支点作用这个教学重难点。

这种用生活中熟悉的事物来表征类比不熟悉事物的方法叫做类比法。在类比中被表征的事物称为“目标”，在这里指骨骼;用于类比的事物称为“资源”，在这里指伞骨。资源和目标之间存在着相似或相同的属性。将生活中比较通俗的实例通过类比方法构建的物理模型可以让学生利用自身熟知的事物和生活体验，进行类比，建立适当的联系。在通过类比构建物理模型的教学中，学生主动参与，动手操作，通过体验模型的运作过程，进而理解原型的属性特点或某种机制。学生对教师提出的问题进行抽丝剥茧，理性地辨析，通过辩证的思维和想象力，在熟悉的内容和陌生的问题间实现有效的转化和升华，促成思维的迁移和问题的解决。它能改变学生的学习方式，使学生真正融入教学过程中，充分理解概念，在通过分析、整合、抽象等向各种逻辑的证实外，还要激发想象力，内化知识，从而提升了科学思维能力。

（三） 利用等效法建构物理模型，简化和模拟，培养应用概念，因果推断的科学思维

在《动物的运动》一课中，骨骼肌如何牵动着骨围绕着关节运动是教学中的重点和难点。教师首先展示屈肘和伸肘的动画图，让学生仔细观察骨骼肌收缩时变粗变短、舒张时变细变长的形态变化，从而牵拉着骨围绕着关节产生运动的现象。然后指导学生利用身边常见的材料，依据等效性法来构建屈肘和伸肘物理模型。

实验材料：硬纸板、橡皮筋、螺丝钉等

实验步骤：

1. 参照图2，用硬纸板剪出“上臂骨”和“前臂骨”。

2. 两块硬纸板用螺丝钉连接，用皮筋代替骨骼肌，把皮筋穿过硬纸板打结固定，制作完成后如图所示。

3. 分别拉动代表“骨骼肌”的皮筋，观察代表“骨骼”的硬纸板的位置的变化。

得出结论：骨骼肌牵引骨围绕关节产生运动。任何一个动作，都需要两组或两组以上的肌肉协调配合才能完成。

等效法构建物理模型就是用身边常见的材料，抓住原型的本质特征，抽象、纯化和简化复杂的原型和过程，把握住原型的主要特征，再将这些特征形象化、具体化，来建构一个能反映原型本质特征的模型，然后通过对模型的研究获取原型的信息的建模教学模式。学生通过构建和使用模型，学习、体会并理解了骨骼和肌肉的协调配合完成运动，突破重难点的同时练习了应用概念构建模型，分析、抽象出生理过程的规律，培养了因果推断的科学思维能力。

在人教版的初中教材中“模拟膈肌的运动”“制作动物细胞模型”等都可以利用等效法构建和使用物理模型来进行教学。学生在老师的启发下，通过合作探究，主动参与模型的构建和使用，体验建立模型的思维过程，在获得并巩固了生物学知识的同时培养了科学思维能力。

二、 构建和使用数学模型，知识迁移，化繁为简，培养对比和比较，演绎和推理的科学思维

在《动物的运动》教学中，教师播放“学生运动”视频，让学生回忆运动时呼吸、心跳加快，运动后气喘吁吁的情景，同时展示平静和运动时呼吸频率，心跳次数和血压值。利用直观罗列数据的数字模型，通过对比得出结论：运动不仅靠运动系统完成，还需要神经系统、消化系统、呼吸系统、循环系统等系统的协调配合，从而形成“人体是一个统一的整体，人体各个系统相互联系、相互协调，共同完成生命活动”的系统观，养成健康生活的习惯。

数学模型是指用来表达生命活动规律的计算公式、函数式、曲线图以及由实验数据绘制成的柱形图、饼状图等。数学模型是把生物问题转化成数学问题，利用数学方式表示出来，同时配以曲线图和表格等加以说明。构建一个数学模型，我们首先要了解要明确建模的目的，并收集必需的各种资料和信息。在这一数学模型的构建中，研究的對象是“人体”，其特征是“平静时呼吸、心跳和血压都处于较低水平，而运动时呼吸、心跳和血压都加快、升高”。建模的目的是探究运动时呼吸系统、循环系统等都在协调配合，进一步建立生物是一个统一的整体这一生物学观点，从而揭示生命活动的规律。在学习的过程中，学生进行了知识迁移，用数学手段解决生物问题，化繁为简，培养了对比和比较，演绎和推理的科学思维。在人教版的初中生物课本中“小麦生长不同时期的需水量的比较”以及“消化曲线”，“人口增长曲线”都可以通过构建和使用数学模型进行教学。

三、 利用和构建概念模型，促进概念的深入理解，提高归纳和概括能力

学生在《动物的运动》这节课后用概念图的模式建构了运动系统的概念模型。

概念是用某一标准区分开来的对象、事件或过程属性的有序集合，概念模型是以图示、文字和符号等组成的流程图的形式来描述事物的生命活动规律和机理。概念模型的图解形象直观生动，有助于学生建立正确的概念体系。让学生独立绘制，有利于夯实学生的基础知识。学生学会从概念和知识间的联系去探究新概念之间，以及新概念和已有的概念之间的联系重新构建新知识结构，这是对知识进行同化、顺化和平衡的过程。经过这样的训练，使学生习惯于去分析概念之间的关系，并加以理解和记忆，这比通过死记硬背的方式学习新概念的效果好得多，让学生在乐学的过程中培养了自身的演绎推理，归纳与概括的科学思维能力。

培养生物模型思想是落实学科核心素养的重要体现，在实际教学中开展生物模型教学，通过科学探究活动，能够帮助教师高效地突破教学中的重难点的同时培养学生的科学思维能力。在日常教学中充分重视学生模型建构思维的培养，才能让广大的学生在解决具体问题时，自觉地利用模型解决问题，学着像科学家一样思考问题，以便更加快速地找到解决问题的有效途径，进而促进科学思维的发展。构建模型还有助于培养学生的自主学习的习惯和能力，培养学生乐学情感、主体精神、探索意识，是一种能够充分发挥学生学习积极性和主动性的教学方法和学习方式。

参考文献：

[1]刘鑫，张红利.模型建构在高中生物教学中的应用[J].教育科学论坛，2013.

[2]刘恩山，徐洪林.运用概念图进行生物教学对学生认知方式的影响[J].学科教育，2003.

[3]秦瑞忠.浅谈生物建模在高中《生物》教学中的运用[J].教育教学论坛，2012.

作者简介：

温萍，福建省福州市，福州第二十五中学。