在建模教学中落实生物学学科核心素养

李子音 谢群

摘要 分别从建模教学目标、教学活动、教学评价三个方面探讨了建模教学中生物学学科核心素养的落实。

关键词：生物学学科核心素养，高中生物学，建模

中图分类号G633.91文献标志码 B

诺贝尔奖获得者劳厄说过：“重要的不是获得知识，而是发展思维能力。教育无非是一切己学过的东西都遗忘掉的时候，所剩下来的东西。”教育的终极追求并不仅仅是知识，还在于学习过程中积淀下来的东西，即人的核心素养。在新一轮高中生物学课程改革中，核心素养成为改革的“灵魂”。如何把生物学学科核心素养落实到课堂教学中，实现课堂教学转型，已经成为高中生物学教师必须思考的课题。

模型与建模思维是生物学核心素养重要要素之一。因为，学生在模型建构过程中往往需要进行观察或实验、归纳和演绎，需要运用已有知识进行假设、模拟，将复杂的事物进行简化，抽象出其本质属性。在模型建构结束后，需要针对实际问题进行反馈性批判，还需要质疑和创新等要素的参与。因此，高中生物建模教学是培养学生生物学学科核心素養的重要途径。

1基于学科核心素养的建模教学目标

教学内容是学生在一堂课中要学习的课程内容，也是学生达成学习目标的载体。学生通过对教学内容的学习，可以达成教学目标。每一节课的教学目标的实现，综合为生物学学科核心素养的形成。

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中给出了“生态系统的稳定性”的教学目标案例，具体内容如下：

目标1：通过对案例的分析讨论，能用物质能量的输入和输出平衡观点，认识具体生态系统的稳定性。

目标2：通过对生态系统各种成分功能和营养结构关系的讨论，以及运用反馈调节的原理，能初步判断不同生态系统维持其稳定性的相对能力。

目标3：能够根据生态系统各种成分、结构以及数量关系构建稳定性生态系统模型，并制作简易生态瓶。

目标4：能够为常见生态系统的合理利用和维持可持续发展提出有价值的建议。

案例中的教学目标是依据内容标准、学业要求和学业质量标准制定的。目标1～4分别指向生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。这四个目标之间相互有交叉，每个目标中可能还含有对其他素养的要求。这表明任何一个教学内容都包含核心素养的四个要素。但是，不同的教学内容对核心素养的不同要素的要求是有侧重的，并不是每一个教学内容都必须帮助学生全面养成核心素养四个要素的。对于模型建构教学内容，对学生核心素养多个要素的发展都有帮助，但主要是对科学思维和生命观念核心素养的发展更有帮助。核心素养几个要素的协调发展是制订教学目标的出发点和课堂教学活动实施的落脚点。

2 基于学科核心素养的建模教学活动

2.1 基于学科核心素养的物理建模教学

构建物理模型就是基于生物学对象的特征，将抽象的生物知识以实物或图画等直观具体的形式展现出来，促进对生物学本质的理解。例如，开展“生物膜的流动镶嵌模型”这一教学内容时，先将微观的结构简化，把握其主要特征，再将这些特征形象化、具体化重现是该活动的思维要点。所重现的重要结构准确，能体现有关结构的主要特点，所模拟的过程符合己知科学事实，所建立的模型实物既简单又准确科学是该教学活动的关键。

在教学过程中，教师先播放白细胞吞噬病菌的动画，使学生直观地认识到生物膜具有流动性，帮助学生理解生物膜特点，进而使学生逐渐形成生命观念中的结构与功能观。接着，可以给学生分发相关材料，让学生制作模型并展示、交流与评价，使学生能够基于生物学事实分析生物膜的流动镶嵌模型，培养学生科学思维，树立创新意识与创新精神。学生通过“罗伯特森的电镜实验”与“Larry Frye等进行的人鼠细胞融合实验”等科学史的学习，意识到要理性分析解释科学现象，养成勇敢质疑的科学精神，形成投身科学、积极探索生命奥秘的社会责任与担当。

2.2 基于核心素养的数学建模教学

在高中生物教学过程中，教师可以结合具体教学内容引入数学思维，以生物学科知识为主，培养学生数学建模思维，帮助其更高效地掌握生物学科知识。例如，针对“建立种群增长的数学模型”这一教学内容，从具体案例中推演出建构数学模型的基本规律是该教学活动的关键，根据具体情景抽象出数学规律，并用公式或图表的形式表达是该活动的思维要点。

教师可以用濒危动物华南虎数量骤减这一实例导入，引发学生对种群数量变化的关注，进而引导学生利用数学方法揭示生命现象的规律。教师借助生活实例、数学模型建构、小组探究等教学环节，使学生学会建立数学模型，让学生理解生态系统通过自我调节保持相对稳定的状态，进而形成稳态与平衡的生命观念。并借助探讨“J”型曲线、“S”型增长曲线之间阴影面积的生物学意义，提高学生探究能力，促进学生用学到的知识解释相关社会问题，增强学生的社会责任感，从而达到培养学生生物学学科核心素养的目的。

2.3 基于核心素养的概念建模教学

构建概念模型时.教师可以引导学生基于生物学现象挖掘出其内在本质，并用概念的形式将这些关系加以表述。例如，在学习“建立血糖调节的模型”时容，教师先将难以直接观察到的过程形象化，再在此基础上抽象出该过程的关键特点是该活动的思维要点。模拟过程简明扼要，分析抽象出调节过程的规律，即获得概念模型的过程是该教学活动的关键.

该教学内容可以小组合作的形式开展，每位学生都有明确的学习任务，从而提高学生的探究能力。教师可引导学生小组合作构建血糖调节的过程，并归纳总结出马拉松运动员运动时血糖调节模式图。教师要及时捕捉，并挑选学生在探究过程中产生的新的核心问题在课堂上解答。学生构建完概念模型后，教师可以借助黑板、多媒体、图片、道具等方式让学生进行多样化的交流展示。学生回顾血糖调节的过程，掌握本节课的核心概念——反馈调节并且能类比推理体内其他激素调节过程，从而促进结构与功能、稳态与平衡的生命观念形成，并发展演绎与推理、批判性思维。最后，学生尝试举例说明生活中反馈调节的实例，在了解预防日常疾病知识的过程中，形成健康生活、关爱生命理念，发展社会责任素养。

3 基于核心素养的建模教学评价

在完整的教学体系中，教学评价是一个重要的组成部分。新课改背景下，教师要将学生核心素养的形成放在首位，而非单纯片面的强调知识的掌握情况。关于模型和建模，Justi和Gilbert提出了科学教育的三个主要目标：①学习主要的科学模型;②了解模型和建模的性质;③学习使用模型。教师要多关注学生对模型的理解和学生建模能力的评估，应该增加模型的生成、评估和修改之间的系统循环，而不是只流于学生表面的动手操作，以此促进学生对生物模型和建模的更复杂的理解，从而促进学生对生物学本质的更深入的理解。

此外，加拿大学者Saari和Viiri发现，接受了一系列建模指导的七年级学生对模型的概念比没有接受任何模型指导的九年级实验组学生更加先进。因此，在建模活动前，教师应讲授模型的建构方法，引导学生主动建构模型。在学生建模活动过程中，教师要积极关注学生的课堂表现，仔细观察学生对模型的的构建、使用、修改和评价情况，对学生做得不好的地方进行启发、点拨，对做得好的学生给予表扬、鼓励。模型完成后，教师还要引导学生回顾建模过程，鼓励学生对模型持怀疑批判态度，找出存在的问题并进行查漏补缺。学生通过教师的评价指导有针对性地对模型进行优化改进，积极探究、阐释生命现象及规律，体验建立模型的思维过程，发展科学思维，形成生命观念。

模型建构能够让学生亲历从现象到本质的过程，学生既可以获得基础的生物学知识，又能领悟生物学家在研究过程中所持有的观点以及解决问题的思路和方法。在某种意义上，理解模型和进行模型建构活动是学生理解生物学的一把钥匙。教师真正要做的就是让学生使用好这把钥匙，以此促进生物学学科核心素养的形成，真正发挥生物学教学对发展学生核心素养的作用。