建构模型发展思维

摘 要：文章深入研究“细胞器之间的分工合作第二课时”这节内容，通过分析教材和学情，整合与补充此教材内容与素材等，运用多种模型来探讨高中生物使用建模教法发展学生思维之策略。

关键词：建构模型;科学思维

《普通高中生物学课程标准》（2017年版）认为“建模思维和建模能力是学生必备的科学素质，进行模拟实验和模型构建在科学发展中发挥着重要作用”[1]，共17处出现“模型”一词，因而建模在中学生物教学有着特殊意义。思维建模是教师创设建构主义课堂的重要思想方法，教师通过设计合适的建模活动，学生自主建构模型，并基于模型进行推理，既发展学生的逻辑推理能力，亦能锻炼他们科学思维与创新能力。本文以“细胞器之间的分工合作第二课时”为例，理解建模教学在生物课堂中的应用价值。

一、分析教材，确定建模内容

本节课为高中必修1《分子与细胞》（人教版）第3章第2节，课程标准要求：阐明细胞内具有多个相互独立的结构，担负着物质运输、合成与分解、能量转换和信息传递等生命活动[1]。本节包括“细胞器之间的协调配合”“细胞的生物膜系统”，为学生认识细胞整体结构之内容，在本章中占有重要地位。本节课是第二课时，主要内容是分泌蛋白的合成和运输，可理解细胞之生物膜系统其结构与功能是互相联系。经研究，可确定与建模有关教学目标为：

（一）形成生命观念：通过学习本节内容理解细胞器之间既有分工又协调配合，进而认识到生物膜是一个整体，理解生物体的结构与功能是相适应的，从而落实“结构与功能观”这一生命观念。

（二）发展科学思维和科学探究：经学习同位素标记法与放射自显影技术实施于分泌蛋白合成，学会构建思维模型并且能够推理得出分泌蛋白合成所需要的细胞器结构，培养科学实验探究能力;通过团结协作学习，构建分泌蛋白合成与分泌过程的物理模型、概念模型、各种膜面积变化的数学模型，发展科学思维。

（三）培养社会责任：通过本节课的学习认识到细胞器之间是协调配合才能高效运作，理解同学之间也是需要合作才能更好地解决问题;通过分析人工生物膜在医学、生产和生活中的应用，分析其原理和研究意义，培养社会责任感。

通过多种模型建构，突破两大教学重难点，基本达成教学目标。

二、分析学情，培养建模意识

建构主义理论认为，学习是接受新信息，并使之与已有的原信息相融合，建构新的知识、形成新的概念的活动。进行教学设计时，分析学生已有的生活经验、知识储备与能力水平等，课前充分了解学生的真正需求、能力水平和认知倾向，做到因学定教，开展课堂教学活动，才能有效达成教学目标。

学生在初中阶段已对叶绿体和线粒体等部分细胞器有了初步的认识，但是初二完成小中考后学生遗忘率较高，且对细胞器的种类和名称认识不全。本节的第一课时主要是借助希沃课件直观认识各种细胞器的形态、结构和功能。由于课堂时间有限，应引导学生利用课外与假期，小组讨论选择合适的材料按照一定比例构建各种细胞器的物理模型。学生构建的是一个一个独立的细胞器，因此可能会认为各个细胞器是相互独立，无任何联系的。我们应要求学生带着自制物理模型进入第二课时进行学习，经第二课时学习分泌蛋白之合成与运输进一步理解各个细胞器之间存在协调配合，进而理解细胞的生物膜系统。课后模型的建构既让学生及时小结本节知识，又为第二课时的课堂教学提供模型，提高教学效率。

三、实施教学，构建模型

高中生物的学习中，学生对生物学知识的总体感觉就是零散、杂乱，学了新知识，忘了旧知识，在新授课和复习课中都非常头疼，尤其是复习课教师和学生四目相对，一问三不知，常常无语。模型方法不仅可以调动学生积极性，还能及时解决和掌握各重难点的知识，指导他们在阶段复习时构建模型形成体系，有效地开发学生的创造潜能。

（一）创设情境，构建思维模型

关于利用豚鼠胰腺腺泡细胞，用3H标记的亮氨酸进行实验研究的有关内容教材介绍比较少，而且整个实验过程非常抽象，学生很难理解。如果能把整个实验过程完整呈现，那么更易学生理解吸收，从而促进他们发展科学思维与探究能力。教师可向学生展示资料：现代细胞学之父帕拉德及其同事曾利用豚鼠胰腺腺泡细胞，用3H标记的亮氨酸进行实验研究，证实了分泌蛋白的合成、运输及分泌途径，由此获得诺贝尔奖[2]。然后分组讨论：1.科学家为什么选择豚鼠胰腺腺泡细胞作实验材料？2.科学家主要采用的研究方法是什么？3.该探究实验的大致流程如何进行？要解决第2题，教师可在学案中补充放射自显影技术的资料。学生阅读一段专业术语较多的资料，常常感觉这么复杂而表现出不耐烦。这时教师利用课件展示同位素标记法的具体流程图（图1），此图一目了然，顺势引导他们用模型来理清知识重难点。

讨论题3的难度比较大，在学生思考交流的基础上，教师引导，师生共同构建出该实验探究流程的思维模型：

①选择同位素3H标记的。

②将实验细胞放入培养液中培养。

③随后将细胞转入不含3H-亮氨酸的培养液中继续培养。

④不同的时间、多次取样，制备组织切片利用技术追踪。

（二）角色扮演，构建物理模型

在构建实验探究的思维模型后，教师抛出以下问题串： 1.分泌蛋白是在哪里合成？2.分泌蛋白从合成至分泌到细胞外，经过了哪些细胞器或细胞结构？各起什么作用？3.分泌蛋白合成和分泌的过程中需要能量吗？能量由哪里提供？学生通过阅读教材内容和分析实验结果曲线图，虽比较容易得出答案，但对学生而言还是抽象难懂，并未真正理解。因此，我们可让其代表上台将上节课后制作之细胞器模型进行展示，可分小组对此模型开展扮演活动，模拟分泌蛋白的合成和运输过程。通过角色扮演活动，把枯燥无味又抽象的图文内容直观具体化、形象化，使他們在愉快轻松课堂之中获取知识，亦锻炼他们创新与团队协作能力。

（三）合作交流，建构概念模型

每届学生学完本节内容后，在不久的测试中经常把细胞器漏填或答错，而且都是随意填写，没有按照合成和分泌的过程来回答。归根结底在于新课教学后大部分学生只记得一段一段零散模糊的碎片、一个一个游离的知识点，没有教师的适时引导，我们学生基本不会整理周小结和阶段小结，所以对生物学知识无法形成长久记忆。我们可引导他们完成概念模型之构建，学生就会发现原来的知识变得富有条理、系统全面，记忆更加深刻，慢慢地学生就会对构建概念模型产生兴趣，养成主动建模的意识和学习习惯。本节授课中，教师先借助希沃白板展示图片、演示动画，刺激学生感官，增強直观性，再布置任务：各小组协作构建“分泌蛋白的合成和分泌过程”的概念模型，图中要含有细胞器的名称、作用和产物。学生分组构建模型，教师巡视选出典型作品通过手机希沃白板拍照技术上传现场展示，学生代表汇报模型，生生互评，相互学习和借鉴，教师用红色批注补充完善概念模型（图2）。

（四）拓展提升，构建数学模型

新课标指导中指出要将客观生物学现象和概念翻译成用数学符号以及方程式来建构数学模型，并能领悟数学模型建立的科学方法。在现今高中的生物学教学中，选择合适的教材内容，引导学生构建数学模型，促进他们对知识吸收，以及应用数学模型进行逻辑推理和运算，很大程度上提高他们解决真实情境中遇到生物学问题之水平。

此节在学生完成构建物理与概念模型层层递进之上，进行拓展提升，通过构建膜面积变化的多种数学模型，进一步发散思维，呈现“一点多变”。例题：图3是研究分泌蛋白合成与运输过程的数学模型，据图分析写出a、b、c、d、e、f、g、h、i分别属于哪一种类型的膜。

通过分析曲线图和柱形图等数学模型，有助于学生理解内质网膜、高尔基体膜和细胞膜在结构上具有间接联系，即膜之间通过囊泡进行相互转化。然后借助希沃白板拖动图片直观观察生物膜系统之间的直接联系和间接联系，最后引出生物膜系统的概念，并完善概念模型（图4）。

四、思维建模教学实践的思考

经新教材必修1和必修2有关内容之课堂建模学习尝试，笔者发现，建模有着广阔的实践摸索空间。还需关注如下几个关键点：

（一）教学前端的学情分析。学生刚进入高一，初步接触建模内容，因此教师应注意把握由易到难的构建原则。例如：第一次介绍概念模型时，先让学生填空补充概念模型，几次训练后，学生逐渐有了建模意识后再增大难度，让学生小组讨论建模，相互交流不断改正。当大部分学生都掌握时方可设计自主建模，有些学生能构建一个相对复杂系统的概念模型，甚至比参考书更完整。

（二）合理选择建模内容。新教材必修1和必修2适合建模的内容比较多，也不是所有知识点皆应建模，有些亦不适合建模，只有对教材进行深度学习研讨，最好发挥生物组全体教师的力量，梳理出一套建模内容。模型能够推广应用，除了能解决类似问题，亦让他们深刻体会到生物与实际生活之关联性和学科知识价值之所在。

（三）教学过程中提供支架。为了降低学生在构建模型中的难度，我们应运用问题驱动之思路或利用导学案、图片和动画直接提供素材等方式帮助学生完成学习任务，特别是设计学生自主建构模型的环节，将一些隐性的重要信息提问外显化，亦能促进他们科学思维的发展。

（四）课后及时批阅学生构建的模型。由于课堂时间的限制，教师可安排部分模型课后自主完成。但教师一定要及时批阅学生的模型并反馈给学生。由此不仅能找出自己在教学期间之疏忽，还能发现学生没有掌握和易错易混的知识点，及时帮助学生进行补缺补漏和加以修正，并给予肯定或鼓励性评价，促进学生自信心提升，推动教与学发展。

总而言之，高中生物建模实施期间，要求教师重视课堂教学，精心准备、耐心打磨，坚持培养学生的建模意识，合理设计模型构建，从学生兴趣的引发、学习方法的积累、动手建模的训练等，以及到培养逻辑推理与处理问题能力，将模型构建与生物教学有机结合，从各个方面落实提升生物学科核心素养。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准：实验[S].北京：人民教育出版社，2017.

[2]王江丽.细胞器：系统内的分工合作[J].生物学教学，2020（6）.

作者简介：孙玉惠（1981—），女，汉族，福建福安人，大学本科，福建省宁德市民族中学高级生物教师。研究方向：中学生物教学与研究。