浅议模型建构在高中生物教学中的教学价值及策略优化

丁志锋

（苏州市苏州高新区第一中学 江苏苏州 215011）

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描述，这种描述可以是定性的，也可以是定量的。美国《国家科学教育标准》认为“模型是与真实物体、单一事件或一类事物对应的而且具有解释力的试探性体系或结构”，并把模型和科学事实、概念、原理、定理及理论并列为科学知识的重点，并将构建、修改、分析、评价模型作为高中学生的基本科学探究能力。我国《普通高中生物学课程标准（2017年版）》也明确强调学生应“领悟建立模型等科学方法及其在科学研究中的应用”，并将模型方法规定为高中学生必须掌握的科学方法之一。模型方法是认识自然界的一种重要方式，也是理论思维发展的重要方式。

1 模型建构的教学价值

目前在高中生物教学中应用较为普遍的模型一般分为概念模型、物理模型和数学模型三种形式。在教学实践中，教师引导学生自主建构模型，可以发展学生基于生物学事实和证据，运用模型与建模的方法对生命现象及规律进行正确的探索与归纳的能力，提升学生的生物学学科核心素养。

1.1 建构概念模型，促进科学本质理解

概念模型是指以图示、文字、符号等组成的流程图形式，对生命现象中所蕴含的规律、机理等进行描述、阐明，如对真核细胞结构共同特征的文字描述、生物进化理论的理解、稳态的维持和调节机理以及生态系统结构的表述等。建构概念模型可以使学生深入理解基础知识、辨析知识点之间的联系与区别，使知识结构化，同时有利于培养学生归纳、概括和语言表述能力，促进学生运用概念去认识生命现象，探索生命规律。

面对内在逻辑性较强、较为抽象的生物学概念时，构建概念图是一种行之有效的教学策略。构建概念图的过程是一种梳理概念层次关系、发现概念之间内在联系的过程，可以在促进学生理解科学本质、形成生命观念的同时，推动学生科学思维能力的发展。例如，在“现代生物进化理论的主要内容”部分教学中，种群基因频率、可遗传变异、自然选择、隔离、新物种形成等概念繁杂且相互关系容易混淆，如何理解这些“自然选择学说”的下位概念，如何理清这些概念之间的逻辑关系及其与生物进化的关系，如何将这些概念梳理整合形成现代生物进化理论的基本思路，是本节内容的教学难点。进行这部分内容教学时，教师可以引导学生在分组讨论的基础上尝试构建现代生物进化理论的概念图（图1）。

图1 磷脂分子在水—空气界

1.2 建构物理模型，优化科学探究方式

建构物理模型是指利用实物或图画对原型客体的结构功能、特征和生理过程进行科学合理的再现。物理模型能够将一些微观的、抽象的内容具体化、形象化，如对细胞结构、生物膜流动镶嵌模型、细胞分裂过程中染色体的变化、DNA分子结构、染色体变异等的直观呈现。学生通过尝试建构物理模型，既能克服对微观结构、抽象过程的认知困难，又能充分体验模型建构思维过程、领悟模型建构方法。物理模型建构活动是生物学研究的重要方式，能有效优化学生的科学思维习惯，引导学生从实践层面探讨、解决现实生活问题。

开展物理模型建构活动时，教师可以引导学生根据观察到的现象和已有的知识，提出解释某一生物学现象或事件的假说或模型，用观察和实验对假说或模型进行检验、修正和完善。在“生物膜流动镶嵌模型”教学片段中，学生认知了磷脂分子的结构特点后，教师可创设以下研究情境：①根据磷脂分子的结构特点，分析判断它在空气—水界面上是如何排布的？尝试构建相关模型（图1）。②此时，如果充分搅动液面形成乳浊液，磷脂分子在乳浊液中是呈现球形还是一个平面呢？有可能会呈现怎样的姿态呢？对已构建模型进行修正（图2）。③结合1925年荷兰科学家的实验现象及细胞内外环境特点分析，最终生成生物膜中的磷脂分子的分布情况（图3）。

图2 水溶液中的磷脂（单层）面上展成单分子层模型分子团模型

图3 水溶液中的磷脂（双层）模型分子团模型

1.3 建构数学模型，深化理性思维培养

建构数学模型是指采用数学形式（函数、曲线、柱形图等）描述一个系统或性质，如细胞分裂过程中染色体数目变化、种群数量变化、生长素的生理作用、生态系统能量流动等研究。随着应用实践的不断深入和实验技术的不断发展，生物学部分领域的研究已不再仅仅局限于定性分析，而是通过实验数据，充分使用数学方法来直观、精确描述生命规律。

例如，在“探究不同浓度的NAA对垂柳插条生根的影响”实验中，可以设置5×10-8～5×10-4mol·L-1的等梯度浓度NAA溶液，依据实验结果，构建数学模型（图4），形象地揭示了生长素对植物生根的作用规律。通过尝试数学模型构建，学生在深入了解自然规律、掌握科学探究方法的同时，科学研究态度日趋严谨，并逐渐形成科学思维的习惯。

图4 不同浓度NAA溶液对垂柳插条生根影响的曲线图

2 模型建构的策略优化

在实施模型建构教学活动时，教师应结合学生认知规律、不同建模方式特点、学科核心素养发展要求等方面，对建模教学策略进行优化。

2.1 建构模式要遵循探究规律

模型建构模式一般为：观察现象——提出假设——建构模型——实践验证——修正完善——得出结论等程序。这与科学探究的过程是极为吻合的。所以，模型的建立过程其实就是一个科学探究的过程，建构模式要遵循科学探究规律。为此，模型建构模式应具体包括以下环节：钻研模型，即观察研究生物学原型；模型假设，提出合理假设，去除原型内部非本质、次要的因素，探索原型内部的本质联系；构建生物学模型；对模型进行检验和修正。

例如，在探究生物膜中磷脂、蛋白质的结构分布时，教师引导学生经历科学史上的探究过程：罗伯特森根据电镜实验中观察到的“暗-亮-暗”现象，结合“脂质折光性较强，在电镜下观察较亮；蛋白质折光性较弱，在电镜下观察显得较暗”这一知识原理，提出“生物膜是由蛋白质—脂质—蛋白质构成的对称静态结构”的假设，并利用物理模型对细胞膜结构进行了初步构建。但其他科学家通过“绿色荧光蛋白的淬灭和修复”实验以及“生物膜中的膜蛋白有的很容易分离，有的则很难”的实验现象，否定了假设中的细胞膜“静态”和“对称分布”，并通过冰冻蚀刻电镜技术对细胞膜进行了解剖观察，从而对膜的三层静态对称物理模型进行了修正，最终构建出了“膜的流动镶嵌”模型。学生在模型建构过程中，能初步掌握科学探究的一般方法，有效提升探究能力和科学思维。

2.2 建构过程要整合教学策略

开展模型建构活动时，教师应充分利用生物学事实和现象，创设合理的教学情境，激发学生探究热情。在模型修正完善环节，教师可以设计问题串，补充科学事实和证据，以进行整合优化。对于一节内容的核心概念，教师可以运用概念图策略将概念以及概念之间的意义关系进行重组和优化，促进知识的体系化构建。

例如，在探究生态系统生物成分类型时，教师可先播放一段森林生态系统的视频，并将视频中出现的几种典型生物列举出来，请学生根据生物获取营养方式的差异对出现的生物种群进行分类，并讲述分类的依据。学生在尝试分类和阐述理由时，很容易通过生产者、消费者、分解者的营养特点归纳出各自的代谢本质，从而从本质上掌握了各生物成分的分类依据，最终构建出了生态系统生物成分的概念模型。在课堂设计时，教师如果能将教学情境创设、问题设置、类比推理等教学策略与模型建构过程进行整合优化，将对学生学科素养提升大有益处。

2.3 建构方式要接轨科技发展。

在构建物理模型时，教师不要在拘泥于塑料、橡皮泥等简单的手工制作，可以关注并运用一些新兴的科学技术制作物理模型，如3D打印技术和虚拟现实（VR）技术。在构建数学模型时，可以借助于数码传感技术获取实验数据，让定量分析更精准、更有说服力。例如，在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中，可以利用氧气传感器实时监测氧气的释放速率，更加直观呈现因变量。这样的模型更能直观模拟生命现象，解释生命规律，揭示生命奥秘。

总之，模型建构方法是把研究对象（原型）的一些次要的细节、非本质的联系舍去，以简化和特征化的形式再现原型的各种复杂结构、功能和联系的一种科学研究方法，因而能够更加简明扼要地突出原型的本质特征。模型建构在生物学教学中具独特作用，特别是对学生的生物学学科核心素养的发展有重要作用。在教学实践中，教师如果在模型构建过程中一味地机械墨守，可能会错失很多“美妙”之景。课程标准目标的不断提升要求教师关注细节处理，敢于创新，不断优化，师生方能共享模型构建的美妙！