模型建构在初中生物学概念教学中的应用

郑雪萍

[摘要]在“神经调节的基本方式”的教学中，引导学生自制物理模型，掌握反射弧的结构和原理，使概念直观化、具体化，有助于学生理解;应用图式模型，使概念清晰化、简明化;构建概念模型，使知识结构化、逻辑化;运用数学模型，使概念深度化、外显化。

[关键词]模型建构;生物学概念;物理模型;图式模型;概念模型;数学模型

[中图分类号]

G633.91

[文献标识码] A

[文章编号] 1674-6058（ 2020）23-0089-03

模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所做的一种简化的概括性的描述。在生物学中，模型的类型主要包括物理模型、概念模型和数学模型。模型建构是人类认知和科学探究的基础，简称“建模”。生物学学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任，模型建构是“科学思维”核心素养中的方法之一，是学生学习、认识事物的重要思维方法和能力。模型建构有助于人们研究和理解难以直接观察或过于庞杂的事物，有助于人们形成和修正对概念的理解。《义务教育生物学课程标准》中提到要凸显重要概念的教學，模型建构有利于学生对概念的学习和科学思维的培养。本文以人教版生物学七年级下册《神经调节的基本方式》一节为例，阐述模型建构在初中生物学概念教学中的应用。

一、自制物理模型，使概念直观化、具体化

物理模型是以实物或者图画形式直观表达认识对象的特征。通过建构物理模型能够将肉眼难以直接观察的结构或过程简单化、具体化和形象化。在《神经调节的基本方式》一节中涉及的生物概念比较多，且复杂、抽象，学生难以理解。教学时，教师可引导学生自制物理模型，从而直观理解概念。例如，关于“反射的结构基础——反射弧”，教材虽然结合生活情境以缩手反应为例，并以图文的方式阐述反射弧的结构和完成缩手反射的过程，但是对于七年级的学生来说还是很抽象，他们难以用肉眼观察到反射的过程。对此，在教学中可让学生通过动手建构物理模型，直观观察反射的过程，理解反射弧的结构和反射过程中为什么会先缩手后感觉到痛的问题，从而建构起反射弧的概念。图1为反射弧动态物理模型的制作材料，有表示反射弧的各部分卡片、一次性塑料注射器（不带头）、塑料管或输液管（大、小）、防水胶带、长尾夹、蓝色的液体（玻璃水）、红色橡皮泥。蓝色液体模拟信号，塑料管模拟神经，注射器模拟感受器。图2是反射弧的动态物理模型，当推动注射器时（感受器接受刺激），就能看到蓝色液体（信号）随塑料管先传导到效应器，再看到信号传达到脑部，从而让学生知道反射的过程和先缩手后感到疼的机理——完成缩手反射的路径比感受到疼痛的反射短。

在模拟反射是如何进行的过程中，可激发学生思考：“如果神经冲动传导途径的某一环节出现障碍，反射还会发生吗？反射弧完整，反射就一定会产生吗？”这时可以提供长尾夹给学生，让不同的小组模拟不同的环节出现障碍，然后分析出现障碍的原因。例如，有的小组模拟传人神经出现故障时，把传入神经用长尾夹夹着，这时学生可以看到信号无法传递到效应器和大脑，故手不会缩，也不会感觉到疼痛。通过思考问题和动手操作，学生逐渐树立生物结构与功能相适应的观点，充分理解了反射弧这一抽象概念。同时学生在操作过程中还提出了改进模型的想法。有的学生提出可以用透明小气球模拟大脑、效应器，这样就能看到模拟大脑、效应器的小气球会鼓起来，表示看到了它们的反应。有的学生提出用电路代替液体的流动，用小灯泡变亮表示受到刺激的反应等。通过动态物理模型的建构，不但深化了学生对概念的理解，而且激发了学生的创造力，提高了学生的思维能力和动手能力。

二、应用图式模型，使概念清晰化、简明化

图式模型是通过简化的图文表示特征的一种物理模型。前面通过动态物理模型理解了反射弧的结构和反射的过程，学生有足够的感性认识，这时可借助图式模型进一步使概念清晰化和简明化。例如.眨眼反射、膝跳反射、缩手反射等反射都是通过反射弧完成的，反射弧是完成反射的结构基础，不同的反射弧有着共同的结构模式（如图3、图4）。

通过图式模型，让学生分析归纳得出反射弧的结构模式都包含感受器、传人神经、传出神经、神经中枢和效应器五个结构，同时让学生思考膝跳反射和缩手反射的神经中枢在什么地方。由此让学生知道有些反射的神经中枢在脊髓，有些反射的神经中枢在大脑，从而为后面学习简单反射和复杂反射做好铺垫。通过图式模型，使学生的感性认识上升到理性认识，锻炼了学生的抽象思维，使学生对反射弧的概念有更加清晰的认识。

三、建构概念模型，使知识结构化、逻辑化

概念图是思维工具，也是知识管理工具，是建构概念模型的有效工具。教师可以利用概念图让学生梳理本节课的知识体系，建构概念模型（如图5）。在本节课中通过膝跳反射实验、生活实例建构了反射的概念，通过缩手反射等实例、物理模型建构起反射弧的概念，通过实例理解反射的类型。由此可以让学生回顾并写出本节课的关键知识和概念，建构概念模型。不同学生建构出来的概念模型是不一样的，让学生完成概念模型之后进行展示和交流，不断修正和完善自己的概念模型，进一步加深学生对知识的理解。

通过列表的方式进行概念模型建构（如表1），有助于学生深刻理解概念。列表的方式能呈现概念之间的异同，帮助学生解决易错点。通过列表举例分析，学生知道不是所有的反射都必须经大脑的参与，人和其他动物一样，可以对具体的刺激，例如食物、光、声音等建立起复杂的反射，但是人和动物是有区别的，人类还有特有的复杂反射，即能对抽象的语言、文字等信息发生反应。人类之所以能够对抽象的语言、文字等信息发生反应，主要是人类的大脑皮层有语言中枢。

建构概念模型的过程能够将学生的思维过程具体化，是对外部模型的建构和检验。通过概念图、列表等方式建构概念模型，可帮助学生理解复杂概念和抽象概念，以及概念与概念之间的关系。同时通过学生建构的概念模型，可了解学生对知识掌握的程度，发现学生学习存在的问题，进而及时帮助学生修正和完善对概念与概念之间关系的理解，并帮助学生完成对知识的结构化和逻辑化的整理，有利于促进概念的转变。建构概念模型是对学生思维更高要求的一种体现，不是一节课就能完成的，需要长期坚持对每一节、每一章、每一个单元的知识进行建模，促进新旧知识以及新知识之间联系的建立，从而形成对生物学知识更系统的认识。

四、运用数学模型，使概念深度化、外显化

数学模型是关于部分现实世界和为一种特殊目的而做的一个抽象的、简化的结构，也就是现实世界中的客观事物及其联系在数据世界中是通过数学模型来描述的。本节课最后，学生小组合作设计探究“测定反应速度”的实验，由学生提出问题、讨论设计完整的探究方案，并实施方案。在实验设计环节中，要求学生设计表格以记录实验数据。用表格数据来表示实体本身以及相互之间的联系，是建立在数学理论上的，所以设计数据记录就是在建构和运用数学模型，学生需要考虑二维表格中的关系。在这种情况下，教师可引导学生通过对探究问题进行分析，设置对照实验，确定实验变量。

例如，研究的问题是“同一个人注意力集中和注意力不集中时的反应速度是否相同”，那么设计数据表格时，学生要记录的是人注意力集中时的反应速度和注意力不集中时的反应速度，这个反应速度是通过什么方法来获得呢？也需要学生考虑，课本提示尺子刻度值的大小可以反映实验者的反应速度。如图6是探究实验“测定反应速度”中A学生拇指和食指在开始和结束时的位置。能够反映A学生反应速度的刻度值（单位：cm）是5 cm。然后考虑实验的重复原则，需要多次获取数据，并取得平均值，因此数据表格中应该还有测量的次数，从而建构实验数据记录表（如表2）。

最后让学生分析数据，得出结论。还可以通过把几个小组的数据进行整合分析，得出更有说服力的结论。

数学模型能够把复杂关系简单化、外显化，让学生能抓住事物本质进行分析，有助于学生理解能力和探究能力的发展。

模型的优点是呈现了复杂生命现象中的本质，有利于学生对复杂事物和概念的理解。然而，模型只是具体事物和过程的一种近似的表示方法，不可能完全代表实际事物和过程。因此，在模型建构教学中，要注意不要用模型把事物和过程太简单化和固化，这不利于学生对事物和过程的全面认识。应让学生明白模型只是认识世界的一种方法，而不是万能的。我们在模型建构的过程中，现有的模型并非是一直不变的，再好的科学模型也只是某个阶段认识上的反映，它是可以不断去改进和修正的。在这一过程中，可让学生不断地去建构、应用和检验模型，更好地掌握模型建构的方法，促进学生生物学学科核心素养的发展。

[参考文献]

[1]杨旋，模型建构在初中生物学教学中的应用研究[D].成都：四川师范大学，2015.

[2]朱毅鴻，何君，罗丽娟，模型建构在初中生物学教学中的应用：以“绿色植物与生物圈中的水循环”为例[J].中学生物教学，2018（ 13）：26-28.

[3]赵欢.模型构建在初中生物教学中的应用[J].林区教学，2016（12）：82-83.

[4]赵露，新课程背景下模型建构在初中生物教学中的应用[D].信阳：信阳师范学院，2019.

（责任编辑 黄春香）