高中生物物理模型建构活动的“图纸”

张富生

摘 要：模型设计是高中生物物理模型建构的关键步骤，设计过程能很好地体现生物的核心素养，以小组为单位讨论物理模型建构的总体设想，进一步设计构成原件、连接和组装或者动态过程的设计图，最后制作模型，设计过程有合作和探究，重在科学思维的训练，提高对生物学概念的生成理解，制作过程侧重动手实践、提高技能和培养社会责任感，是抽象思维在实践中的具体化，物理模型建构活动是思维和行为的统一。

关键词：物理模型建构;设计方案;内容

物理模型建构活动是有目的、有步骤地在教师指导下的学生自主建构活动，尤其能体现学生主动性和主体地位，普通高中教科书生物学在课外制作栏目安排了“利用废弃物品制作生物膜模型”，在探究实践栏目安排了“尝试制作真核细胞的三维结构模型”“建立减数分裂中染色体变化的模型”和“制作DNA双螺旋结构模型”物理模型的建构活动，通过建构活动发展学生的模型和建模思维，深刻理解生物学的相关概念，提高动手实践的技能，模型的教育意义需要通过“建构”来实现，模型方法的精髓体现在建立模型的探索和发现中。但是在教学实践中，对于物理模型建构活动的实施缺乏设计，变成了手工制作和游戏，难以达到教学目的，有的直接以“知识点”的形式講解和演示给学生，与生物学核心素养的理念相去甚远，笔者通过让学生先设计物理模型的“图纸”，然后按图纸进行物理模型的制作，取得了良好的效果。

一、物理模型设计方案的内容

物理模型建构活动的第一步就是模型设计，模型设计是对原型的相关知识进行加工、整理、设计和构思而做出的设计方案，是要把学生现有的知识经验作为新知识的生长点，引导学生从原有的知识经验中“生长”出新的知识经验，物理模型设计方案是引导学习小组完成模型设计的路线，以教师为主导完成框架设计，由学生通过小组讨论、填写和绘制，下面以制作DNA双螺旋结构模型为例介绍物理模型设计方案的组成。

制作DNA双螺旋结构模型的设计方案

1.模型建构的总体设想

基于对DNA原型的知识学习和生活经验，通过学习小组的讨论交流，大致确定制作DNA双螺旋结构模

型的材料和方法，最终呈现的是DNA的平面结构还是立体结构，是仅仅简化概括双螺旋的特征，还是精细到碱基之间的氢键和磷酸与脱氧核糖之间的磷酸二酯键，选用的材料是否容易获得，是否经济环保，小组内可以充分讨论，不同的观点相互碰撞、相互启发，最终确定本小组的总体方案，形成文字填在表格内。例1：用两条平行的铁丝作为支架，用不同形状的塑料片或者不同形状的卡纸代表脱氧核糖、磷酸和碱基，再用铁丝固定在支架上，制作平面的DNA结构模型。例2：用铁丝弯成螺旋平行的DNA骨架，用一定形状的泡沫模拟碱基，放到DNA骨架内，制作DNA立体模型。例3：取一张大硬纸作为背景支架，分别用不同颜色、不同形状的卡纸代表磷酸、脱氧核糖和碱基，在硬纸上摆出DNA的形状并粘到硬纸上，用不同颜色的笔连线代表不同的化学键。书面的准确表达是对学生更高的要求，应该给学生更多的机会去训练。

2.基本原件的设计

基本原件是制作物理模型的“小零件”，在模型建构时，不仅要知道这些基本原件是什么、怎么做，更重要的是清楚为什么，如图中的脱氧核糖，在知识一栏填写脱氧核糖是单糖，有五个碳原子、分子式等，材料对应总体设计，填写卡纸、统一为红色、数量为20个，设计图可以由学生用铅笔绘出五边形，在具体制作中，并不是每一个小组设计的基本原件都相同，有的就可以把磷酸和脱氧核糖交替相接的DNA基本骨架直接用弯曲平行的铁丝代替，有的三种基本原件不够用，可能还要增加，在填写设计表时可以说明或者备注。

3.连接与组装设计

物理模型建构的难点基本原件的连接和组装，有的连接没有意义，仅是起固定作用，有的连接代表了一定的意义，要清楚背后的知识，在制作DNA双螺旋结构模型中磷酸-脱氧核糖、脱氧核糖-碱基、碱基-另一条脱氧核苷酸链的碱基都是通过化学键作用连接的，这些化学键的相关知识有哪些，在制作时用什么材料模拟这些化学键，在脱氧核糖的哪个位置与磷酸和碱基连接，连接后是什么形状，生物分子或者结构之所以有一定的空间结构，都是有原因的，在利用废弃物品制作生物膜模型，为什么磷脂分子的头部朝外，尾部相对，蛋白质分子-磷脂分子怎么连接，在建立减数分裂中染色体变化的模型中，分裂后期的染色体为什么成V状等，最后的设计平面图或者立体图让学生绘制是有难度的，特别是立体图，在具体模型制作中可以调整。

在不同的物理模型构建中设计方案的组成不同，同一物理模型，设计方案的组成也可以不同，有的可以增加动态过程设计，比如建立减数分裂中染色体变化的模型，有的可以去掉立体图的绘制，有的可以增加备注栏，增加学生的发挥空间，具体情况以学生情况和教师的教学目的而定，设计方案无论怎么改变，形式可以多样，但必须得有，没有设计方案的模型建构不仅不能落实核心素养，还很容易让物理模型建构活动变成搭积木的游戏。

二、物理模型设计方案的应用

1.模型建构的“图纸”

物理模型的设计方案是设计者意图和设计结果的表达，是制作物理模型的依据，是设计和制作之间的桥梁，能有效减少材料和人工的浪费，避免制作过程中的盲目性，便于精细化制作，按照设计方案中定好的材料、数量、颜色和设计图做基本原件，再把这些基本原件依据设计方案中的连接方式进行拼接组装，一切按图行

事，水到渠成，好的模型设计方案应该是让其他小组或者其他班级的学生能够看懂，并且按照设计方案制作出对应的物理模型，设计方案是物理模型制作的“图纸”，是物理模型建构活动的关键。

2.模型评价的依据

评价是物理模型建构活动的重要环节，以往只能评价结果，从材料的环保性、外观的美观性、建构的科学性等去评价，忽略了建构过程的评价，物理模型的设计方案是一个非常好的过程评价对象，可评价的内容包括知识是否有错误、语言表达是否准确流畅、设计是否严密完整可行、绘图有无错误、材料选择是否恰当、数量比例是否合适等，这些内容可以判断学生对生物学概念的理解水平，也能体现学生探究和思维的过程，物理模型建构活动的设计方案完成后就应对其及时评价、反馈和完善，然后再进行物理模型的制作。

3.学习交流的载体

可以对物理模型设计方案单独评价，在班内小组之间或者班级之间有效地开展互评，选出优秀作品进行展览和巡讲，让学生在互评与交流中体验和感受，以评促学、以展促学，在学习交流的过程中，基于学生自己经验事实和推理对优秀设计方案提出质疑和批判，进行检验和求证，提出建议，培养学生的批判性思维品质。

三、物理模型设计方案的误区

在物理模型建构活动中，很容易把全部精力放在物理模型制作上，以具体化的物理模型为唯一目的，忽视或者弱化了模型构建过程中的思维和设计过程，有些教师认识到了模型设计的重要性，也容易出现以下几个问题：第一，没有具体的设计方案，仅仅是停留在教师的口头强调;第二，由一位学生完成设计方案，不注重小组合作交流;第三，设计方案完成后，没有评价，没有后续的模型制作;第四，过分依赖设计方案，在物理模型制作过程中出现的问题不能能动地解决并反思设计方案的不足。

参考文献：

[1]谭永平.高中生物学新课程中的模型、模型方法及模型建构[J].生物学教学，2009，34（1）：10-12.

[2]陶丽萍.中学生物教学物理模型设计[D].山东师范大学，2013.

注：本文系2019年度河南省基础教育教学研究项目

《高中生物模型建构活动的实践研究》（JCJYC19080911）研究成果。

编辑 温雪莲