在概念模型建构中发展学生学科核心素养

山东

模型方法作为一种现代科学认知手段和思维方法，在高中生物学教学中得到广泛应用。在高考复习阶段，不论是基础知识教学还是习题讲评，帮助学生建立生物模型，培养学生模型意识，是发展学生学科核心素养、提高学生能力的重要途径和训练学生掌握科学方法的有效学习活动。在常见的生物模型中，建构以文字表述来抽象概括出事物本质特征的概念模型尤其重要。以下是笔者在高三复习教学中与学生建构的几种概念模型与教学反思。

1.理顺关系的流程图

流程图原本是计算机语言中以特定的图形符号加上说明表示算法的图，是流经一个系统的信息流、观点流或部件流的图形代表。在习题讲评时，以问题解决为目标，借鉴该种方法，将相关的原理建构为概念模型，可以帮助学生理解其规律与本质，厘清来龙去脉，增强综合分析能力。

【例1】如图1 所示为糖的常见种类及其转化，下列相关叙述正确的是 （ ）

图1

A.核糖和脱氧核糖是核酸的基本组成单位

B.单糖→二糖→淀粉，其中单糖指的是葡萄糖

C.图1 中①可能是肌糖原，在人体内该糖原水解可以补充血糖

D.图1 中②可能是纤维素，是植物细胞壁的主要成分之一，在叶绿体内合成

【答案】B

①一般地说，生命活动所需要的能量最终来自太阳光能。葡萄糖是光合作用的主要产物，在叶绿体中合成，并可进一步聚合成淀粉，还可转化为其他糖类、氨基酸及脂质。

②葡萄糖是细胞呼吸最常用的底物，是细胞生命活动的主要能源物质，有有氧呼吸与无氧呼吸两种氧化途径；细胞呼吸所用的葡萄糖一般最终来自光合作用。

【建构模型寻根据】

图2

③葡萄糖、果糖和半乳糖属于单糖中的六碳糖，为还原糖，可与斐林试剂生成砖红色沉淀，它们可以不同组合聚合形成麦芽糖、蔗糖和乳糖。其他单糖还有五碳糖：核糖和脱氧核糖，是组成核糖核苷酸和脱氧核苷酸（分别是RNA、DNA 的基本单位）的重要成分。

④糖原和淀粉分别是动、植物细胞中的重要储能物质（主要储能物质是脂肪）。人和动物体内合成糖原的葡萄糖主要来自对食物中淀粉的消化吸收，而食物中的淀粉和纤维素的合成原料葡萄糖均来自植物（叶绿体）光合作用。这些多糖的基本单位都是葡萄糖。

⑤纤维素在细胞膜上合成（因为细胞膜上有纤维素合成酶复合体），是植物细胞壁的主要成分，起支持和保护作用。在植物体细胞杂交过程中，可用纤维素酶和果胶酶去除细胞壁，以获得原生质体。植物细胞由于有细胞壁的支持与保护及细胞核、细胞器等具膜结构，而不如哺乳动物成熟的红细胞更适用于制备细胞膜。

⑥细胞壁是全透性的。成熟植物细胞质壁分离的原因是原生质层比细胞壁的伸缩性大，在高渗溶液中，由于液泡失水而使两者分离。

⑦动物体内，胰岛素可促进细胞将血糖氧化分解，或合成肝糖原与肌糖原、转化为脂肪等非糖物质，以降低血糖水平；胰高血糖素、肾上腺素则可促进肝糖原水解为葡萄糖、非糖物质转化为葡萄糖，以升高血糖水平。肌糖原可氧化分解为骨骼肌供能，而不能水解为葡萄糖。

⑧光合作用与细胞呼吸连通了无机环境与生物群落，在维持细胞的能量供应、生态系统能量流动与碳循环方面起着重要作用。

【依据模型作判断】据图2 模型可知：核酸的基本组成单位是核苷酸而非五碳糖；淀粉的基本组成单位是葡萄糖；人体内缺乏肌糖原水解酶，因而肌糖原不能水解成葡萄糖，其只用于为肌肉细胞供能，肝糖原可用于血糖补充；组成植物细胞壁的纤维素不在叶绿体内合成，其合成场所为细胞膜上。B 选项正确。

可见，该模型基于问题但不拘泥于问题，在帮助学生解决当前问题的同时，拓展知识联系，有利于深化对相关知识的理解，有纲举目张之功效。

2.追根溯源的鱼骨图

科学发现史中蕴含的思想、方法、原理等，是许多问题的来源。借鉴发现问题“根本原因”的鱼骨分析法（又名因果分析法），绘制鱼骨图概念模型，可将概念形成的思路、方法、条件和结论清晰地呈现给学生，在帮助学生克服疑难的同时，让学生学会学习，发展其科学思维与科学探究素养。

【例2】下列哪项事实能说明DNA 是主要的遗传物质 （ ）

A.人们确认绝大多数生物的遗传物质是DNA 之后，发现某些病毒的遗传物质是RNA

B.噬菌体侵染细菌的实验表明DNA 在亲子代噬菌体之间起桥梁作用

C.艾弗里的体外转化实验表明，只有加入S 型细菌的DNA 才能使R 型细菌转化为S 型细菌

D.人们得出染色体与生物的遗传有关之后，发现染色体的主要成分是DNA 和蛋白质

【答案】A

【建构模型寻根据】

图3

①“DNA 是主要的遗传物质”这个结论的得出，伴随着科学技术的进步，经过不同科学家前赴后继的努力。

②格里菲思与艾弗里的肺炎双球菌转化实验，共同组成了“提出问题—作出假设—实验验证—得出结论”的完整科学探究过程。

③格里菲思、艾弗里和赫尔希、蔡斯的探究实验采用了对照实验，艾弗里和赫尔希、蔡斯实验思路均为“设法将DNA 与蛋白质等分开，单独、直接地观察它们各自的作用”，但两者的方法技术不同：前者为成分分离提纯技术，后者则运用了放射性同位素标记技术。他们的实验结论均为DNA 是遗传物质。

④病毒重组实验证明RNA 是某些病毒的遗传物质。

⑤所有细胞生物的遗传物质都是DNA，非细胞结构的病毒的遗传物质是DNA 或RNA。即“DNA 是主要的遗传物质”是对大量相关实验结论归纳概括得出的结论，不是某一个实验的结论。

⑥染色体主要成分是DNA 和蛋白质，是遗传物质的主要载体。

【依据模型作判断】从图3 模型中不难看出：人们确认绝大多数生物的遗传物质是DNA 之后，发现某些病毒的遗传物质是RNA，说明DNA 是主要的遗传物质。赫尔希、蔡斯的噬菌体侵染细菌的实验表明DNA 在亲子代噬菌体之间起桥梁作用，只能说明DNA 是遗传物质，但不能说明DNA 是主要的遗传物质。同样，艾弗里的体外转化实验表明，只有加入S 型细菌的DNA 才能使R 型细菌转化为S 型细菌，这说明DNA 是遗传物质，但不能说明DNA是主要的遗传物质。人们得出染色体与生物的遗传有关之后，发现染色体的主要成分是DNA 和蛋白质，这不能说明DNA 是主要的遗传物质，只能说明染色体是遗传物质的主要载体。A 选项正确。

一个鱼骨图，将概念形成的漫长而复杂的历程、思路、方法，按时间顺序清晰地呈现给学生，使学生间接体验了概念形成的过程，同时又可帮助学生澄清认识，深化理解。

3.序化知识的结构图

学科复习教学的目的之一，是让学生形成科学、合理的知识体系（将厚书看薄），为学生迁移应用、分析判断问题、解决生产生活中的实际问题（将薄书看厚）奠定基础。例如，在复习完必修2《遗传与进化》模块后，从遗传物质结构层次入手建构了如图4 所示模型。

图4

这个概念模型有以下特点：

（1）以元素→磷酸、碱基、脱氧核糖→脱氧核苷酸→脱氧核苷酸链→DNA→染色体由小到大的物质结构顺序建构主链，从每一个节点展开形成“面”，利用不同节点间的关系形成“体”，符合学生的认知规律。

（2）在每个节点及不同节点的相近或相异的概念间，均可比较其异同，有利于厘清概念的内涵、外延以及概念间的关系。

（3）在每个节点，都可以联系相关知识，进而与必修1、必修3 及选修教材中的知识点相关联，最终将高中生物所涵盖的知识形成一个总的知识体系。

4.教学反思

（1）在解决问题或基础复习时建构概念模型，可以帮助学生从不同视角认识生命现象的本质、相互关系或特性和生命活动规律，形成理解或解释生物学相关事件和现象的意识、观念和思想方法，即形成科学的生物学概念和生命观念素养。

（2）在建立概念模型的过程中，不仅需要理解每个概念或对象的内涵与外延及彼此间的相互关系，还需要通过对大量的概念或对象分类并揭示其共同本质，进而用彼此之间的关系来表述，用文字与符号突出表达概念或对象的主要特征和联系。这需要归纳与概括、分析与综合、演绎与推理、批判性思维、创造性思维等方法，有利于帮助学生养成尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物，解决实际问题的思维习惯和能力。

（3）概念模型可以是概念等基础知识型的，也可以是科学实验、科学方法型的，还可以是两者整合型的，既可反映出生命本质与活动规律，又可阐明科学探究的基本思路、常用方法，有利于学生在形成生命观念的同时，增强实践能力与探究精神，促进理论与实践有机结合，增强学生应用相关原理解决现实生活与生产实践问题的能力。

综上所述，高中生物复习教学中建构概念模型以解决生物学问题，不仅能使学生形成学科知识与科学方法框架体系，更有利于提高学生的综合能力与学科核心素养。