基于科学思维素养的模型建构例析

廖中富

【摘要】在高中生物教学中运用模型建构，对培养科学思维素养具有重要意义。本文立足于科学思维素养的视域下，进行模型建构例析。

【关键词】模型;模型建构;科学思维素养

在生物教学中发展学生学科核心素养是新时期教师的一个重要任务。国家核心素养研究专家指出，要重视发展学生理性思维等核心素养，在课堂教学中要培养学生科学思维。库恩认为，思维是智力发展的终极目标，教育的核心是发展学生的科学思维。实践证明，将模型建构应用于生物教学中，有利于发展学生科学思维。

一、科学思维素养的内涵

是指尊重事实和证据，崇尚严谨的求知态度，采用适当的科学思维方法去阐释生命现象，揭示事物规律，解决实际问题的能力。在教学中，教师要重视在学习过程中逐步培养学生的科学思维。

二、生物模型概念及种类

模型是对认识对象的高度概要性描述;可通过实物或其他直观手段，也可借助抽象形式进行表达。模型建构是指借助数学符号、公式、材料、文字等，把微观的事物生动展示出来。生物模型主要包括三种类型：

（一）物理模型  如真核细胞的三维结构模型、DNA双螺旋结构模型。

（二）概念模型  如用文字和箭头表示的光合作用过程图解。

（三）数学模型  如酶活性变化曲线图、种群数量变化曲线图。

三、发展科学思维素养的模型建构例析

在教学中，教师恰当运用模型建构能较好地突破教学重难点，提升课堂教学质量，对发展学生科学思维素养有重要意义。

（一）建构物理模型，加深理解生物学概念

必修一教材中有个很重要的核心概念是：“细胞是组成生物体结构与功能的基本单位”。为了帮助学生理解好这一核心概念，在讲完“细胞的基本结构”后，我就布置学生利用课余时间去制作真核细胞的三维结构模型，目的是让学生通过制作物理模型，加深理解各个细胞器的结构和功能，不同细胞结构之间的分工与合作。学生在构建细胞模型时要自己挑选材料、自行设计方案。学生之间要密切分工合作，不同学生制作不同的配件，不同配件制作好后再进行组装，从而形成一个完整的真核细胞结构模型。通过建构物理模型，可激发学生学习生物的兴趣，锻炼学生的动手能力，培养团队合作精神，提高学生认知水平，促进学生科学思维素养的发展。

又如，在讲授“DNA分子结构特点”时，我首先跟学生分享了科学家沃森、克里克如何利用前人研究成果，再结合自身研究发现成功构建了“DNA双螺旋结构模型”的故事。这两位科学家在创建“DNA双螺旋结构模型”时运用了很多科学研究方法，他们充分尊重科学家已有事实，采用归纳、抽象、简化的方法，大胆舍去非本质属性的东西，构建了一个形象、直观、具体的物理模型。在讲完“DNA双螺旋结构”内容后，我还安排了学生利用课余时间尝试制作“DNA双螺旋结构模型”。学生通过亲身制作模型，不仅领悟了模型构建方法，还大大加深了对DNA分子结构特点的理解，培养了学生的科学思维，加深了对生物学概念的理解。

（二）建构概念模型，训练科学思维方法

概念是一种重要的模型即概念模型，概念图的形成也是建立模型的过程。例如，光合作用的概念是科学家在经历一系列探索实验的基础上，经过分析与综合形成的。

在教学时，我先让学生回顾初中学过的光合作用知识，简述光合作用的概念，尝试用化学反应式表示。接着设问：CO2、H2O是如何生成有机物和O2的？光能是怎样存储在有机物中？关于O2的来源学生提出有3种可能：可能来自CO2，可能来自H2O，可能来自CO2和H2O。教師可让学生阅读教材第102“思考.讨论”第一段内容，经过师生共同分析，学生初步判断O2来源CO2的可能性较小，最可能来自H2O。事实与推测是否一致呢？教师接着让学生阅读教材第102“思考.讨论”第二段内容——希尔实验。通过分析希尔实验，学生明白O2来自H2O。教师进一步设问，能否确定O2全部自H2O？若要证明O2全部自H2O可采用什么方法，实验的基本思路是什么？师生分析鲁宾和卡门实验后知道O2原来是全部自H2O。教师再引导学生阅读阿尔农实验资料，基于上面几个科学家实验，学生就获知，光反应的物质变化、能量变化、反应场所。关于（CH2O）等有机物的来源，教师可补充卡尔文实验，让学生知道C的转移路径和反应场所，再引导分析光反应和暗反应内在联系。学生在教师引导下通过小组合作，自主构建了光合作用概念模型（见下图）。

经过系统的分析与综合而形成的概念图，能够很好地将繁琐知识点简单明了呈现出来，形成清晰的知识网络，便于整体记忆知识。长期进行概念图的建构训练，不仅有利于学生梳理知识，还可训练学生的科学思维方法。

（三）建构数学模型，促进探究性学习

建构数学模型是解决新问题、探索新规律的有效途径之一。通过构建数学模型，有利于培养学生透过表观现象揭示事物的本质特性，培养学生敏锐的洞察能力和严谨的思维能力，实现由具体到抽象的思维转化。例如，在讲授《种群数量的变化》时，我是利用“问题探讨”提供的信息，要求学生完成课本第66页的表格，以培养时间为横坐标，细菌的数量为纵坐标绘制变化曲线（如下左图）。学生通过曲线图可以直观感受生命现象的规律，这种规律也可用数学公式展现。讲完“种群数量变化”，我将全班学生分为5组，设计实验去完成“探究培养液中酵母菌种群数量的变化”，一周后由各组学生代表分享实验结果，以培养时间为横坐标，酵母细胞数量为纵坐标绘制变化曲线（如下右图）：

学生在教师引导下分析发现种群增长规律如下：在理想条件下种群数量以“J”型方式增长，在有限资源条件下以“S”型方式增长。教师通过引导学生对实验数据进行归纳和抽象，通过建构数学模型来解决种群数量增长问题，极大促进了探究性学习的开展，也有利于培养学生的科学思维素养。

实践证明，在生物课堂教学中恰当运用模型建构方法，确实能够有效解决生物学的问题，提高学生科学思维素养，更好地达成生物学课程的教育目标。

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[5]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准解读（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：82.

（责任编辑：伍静仪）