科学思维视阈下的高中生物建模教学实践研究

徐建忠 周丽婷

（1.杭州市基础教育研究室 浙江杭州 310000）

（2.杭州师范大学附属中学 浙江杭州 310000）

1 问题的提出

1.1 模型与建模

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《新课标》）的基本理念之一是以发展学生“核心素养为宗旨”，并明确将“模型与建模”作为“科学思维”的重要组成部分。

模型是对现实世界的一种简化再现，是一种表达科学知识、概念的工具。生物学模型就是学习者根据自己对生物结构、生理过程的理解去形象化地描述生物的本质特征。建模即模型建构，是为了解决特定问题，利用所给定的思维工具，通过一定的抽象、简化和假设活动以某种表征系统再现原型客体的基本属性及其关系。通过建模，学习者可以用可视化的方式来验证、反思、表达自己的思想。

1.2 模型与建模教学

模型和建模是获得知识的一种重要途径，相比讲授式教学，“模型与建模”教学为学习者提供了更有利的学习工具，使知识更为形象、具体。建模过程需要剔除原型中无关紧要的细节，抽提主要特征和本质，有利于发展学生的科学思维。

高中生物学的概念、生理过程比较微观，传统的讲授式教学往往侧重于让学生记住“知识”，学习停留在浅表，难以落实生物学学科核心素养。随着新课程理念的普及，“模型与建模”成为了高中生物教师常用的教学策略，其主要价值在于通过建模，学生体验建立模型的思维过程，领悟模型方法，并获得或巩固有关生物学概念。但由于对“模型与建模”认识得不到位，此类教学多停留在模仿或展示阶段。在“细胞有丝分裂”的观摩课中，教师设计了“构建细胞有丝分裂过程中染色体行为变化模型”的活动，笔者进行了课堂观察与访谈。当问及学生“老师在让你们干什么？”时，学生都不明白活动的意图，而是模糊地回答“摆各个时期图形”；当问及“你知道为什么要用四条染色体？四条染色体在形态、颜色上有什么要求？”“你知道为什么染色体会出现这样的行为？”等涉及有丝分裂过程本质的问题时，学生都是一脸茫然，觉得无从回答。笔者还发现几乎所有小组都对着课本上的图形在“摆模型”。由此可见，仅仅为“模型”而进行“模型教学”，并未能真正引导学生通过模型来认识科学本质，也未通过“建模”过程来发展学生的科学思维。类似现象在目前高中生物课堂教学中存在较普遍。

为更好利用“模型和建模”教学引导学生建构知识，加深学生对科学本质的理解，发展学科核心素养，笔者做了研究。

2 “模型与建模”教学实践案例分析

根据模型表征信息的程度可将模型大体分为物理模型、数学模型、概念模型三种。

2.1 物理模型的建构

物理模型是指用实物或图形来表达生物学概念或生理过程，如真核细胞结构模型、细胞膜的流动镶嵌模型等。物理模型的建构一般包括以下几个步骤：分析原型的本质特征→寻找并确定制作模型的材料→构建模型→修正模型。

【案例】“有丝分裂过程中染色体行为变化”的模型建构。

活动设计思路：此活动的目的是让学生用合适的材料来表征有丝分裂过程的本质特征。因此，在构建模型前，教师应先引导学生讨论有丝分裂的本质特征。但即便学生初步理解了有丝分裂的本质特征，依旧难以直接建构模型，因为学生无法将“模型”与“原型”进行匹配。鉴于上述考虑，笔者将该模型建构活动拆分成如下3个小活动。

（1）活动1：建构母细胞染色体组成模型。

活动目的：表征母细胞染色体组成，理解模型与原型的关系。

活动过程：

①分析原型的本质特征。教师展示人和果蝇体细胞染色体组成图，请学生比较异同。

②选择并确定材料。教师引导学生思考：若用毛根作为染色体，你认为构建一个母细胞的染色体组成模型至少需要几条毛根？理由是什么？如何表征原型中成对的二条染色体来源不同这一共同特征？

③模型构建与修正。学生在制作母细胞染色体组成模型时，可能会出现各种错误，如用一对蓝色长毛根和一对红色短毛根来表示母细胞中的染色体组成等。教师可引导学生进行小组交流、展示、评价并修正模型。

（2）活动2：建构子细胞染色体组成模型。

活动目的：表征子细胞染色体组成，从而理解母细胞有丝分裂过程中染色体“精确均分”的涵义。

活动过程：

①分析原型的本质特征。教师引导学生思考：通过有丝分裂获得的子细胞与母细胞一样吗？怎样才算染色体“精确均分”？子细胞中的染色体组成是怎么样的？

②选择并确定材料：教师引导学生思考：若用毛根作为染色体，怎样构建一个子细胞的染色体组成模型？（模型中毛根的数量、长短、颜色的选取及理由是什么？）

③模型构建与修正。学生在制作子细胞染色体组成模型时，可能会出现各种错误，如用一红一蓝2条长毛根和一对红色短毛根来表示子细胞中的染色体组成等。教师可引导学生进行小组交流、展示、评价并修正模型。

（3）活动3：建构有丝分裂过程染色体行为变化过程模型。

活动目的：表征有丝分裂过程中染色体的精确均分过程，并进一步领悟分裂各时期染色体的行为与“精确均分”功能是相适应的。

活动过程：

①分析原型的本质特征。教师播放有丝分裂过程动态视频，请学生找出染色体与“精确均分”有关的行为，并说明理由。

②选择材料并建构模型。学生选择毛根为材料，模拟与精确均分有关的染色体某一行为。

③模型修正。各小组交流、展示模型，修正模型中的各种错误，如染色体移向两极时着丝粒和两臂的方向错误等，并讨论此时的染色体特征及与“精确均分”的关系。学生通过讨论，领悟有丝分裂各时期染色体行为特点是与“精确均分”功能是相适应的。

案例解读：在有丝分裂过程的常态课教学中，教师往往直接讲解有丝分裂过程中染色体行为变化模型，或者未做铺垫直接让学生建构模型。前者只是让学生简单识记和浅层理解有丝分裂各时期特点；后者实际操作性不强，学生往往只是按教材上的模式图摆放一下，并不能真正理解这个模型的涵义，也无法落实模型及建模教学所需要培养的核心素养。建构有丝分裂染色体行为变化的模型的意图是去除原型中的各种细节性差异，抽象出有丝分裂过程的本质特征（染色体复制和精确均分）。笔者在进行教学设计时，先用前面二个模型建构活动做铺垫，让学生认识模型及有丝分裂过程中染色体精确均分的涵义。在此基础上，学生才能顺利自主建构有丝分裂过程中染色体行为变化模型，才能真正通过模型来表征有丝分裂的本质特征，并进一步领悟结构与功能观。

2.2 数学模型的建构

数学模型是用数学关系、图表等来表示事物之间关系，如种群增长曲线模型、光合速率与影响因素关系模型。数学模型的建构过程一般包括：选择模型表达方式→用实验数据对事物性质进行表达→抽提表达式中的共性特征并建构数学模型→模型的修正与验证。

【案例】“种群数量逻辑斯谛增长”模型的建构。

活动设计思路：浙科版生物学必修3教材的活动“探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化”旨在探究种群数量动态变化规律，尝试依据数据测量来建立数学模型。模型构建过程需要学生从原型即实验数据中来抽提本质特征，根据教材单一变量的实验最终获得的一组实验数据，无法从中抽提共性，不符合模型构建过程，也不利于学生科学思维的培养。因此笔者设计活动时，根据教材提及的逻辑斯谛增长的发生条件（资源有限、空间有限、其他生物的制约等），设计了探究营养物质、生存空间、杂菌和初始接种量等4个变量对大肠杆菌种群数量的影响的5组实验方案。学生可以通过实验获得的多组数据，比较分析并抽提共同点，发现种群数量变化的共同规律，进而构建种群数量特征的数学模型。

活动过程：

环节一：课前实验。全班学生依据上述四个变量分为5个小组，完成实验探究过程。教师的主要任务是指导学生熟悉各种实验器材的使用、学习和使用《量规表》、细化实验方案、应对实验过程中可能出现的突发情况等。

环节二：课堂教学。学生自主构建种群数量增长的数学模型。

①选择模型表达方式：小组讨论，得出更直观、具有可比性地呈现实验数据的方式（坐标曲线图）。

②用实验数据来表达事物性质：各个小组用曲线呈现实验结果，并展示、分析和比较不同曲线之间的差异及造成差异的原因。

③抽提共性构建模型：教师将学生展示的曲线图形一并进行展示，请学生分析不同小组获得的曲线的不同点和共同特征。学生讨论，得出种群逻辑斯谛增长的数学模型。

④模型的验证与修正：对比分析根据实验数据所绘制的曲线与模型，讨论偏差发生的原因，并在此基础上修正模型；教师列举绵羊种群和人工饲养的黄猩猩、果蝇的种群数量变化曲线，用以验证模型的客观性；总结数学模型建构的方法。

⑤尝试构建新模型：实验室条件下，如果大肠杆菌生活在营养物质充足、生存空间充足的环境中，请尝试构建一个新的种群数量变化模型。

案例解读：在种群增长方式的常态课教学中，逻辑斯谛增长模型的数学公式非常复杂，因此教师往往采用告知的方式来讲授曲线模型及其代表的生物学含义，然后开展一些讨论活动来帮助学生理解模型。笔者通过让学生在亲身实验的基础上自主建构该模型，体验数学模型建构的基本过程，并改变条件让学生再次尝试构建新模型，能更好地促进学生提升科学思维的能力，使学生更深入地理解模型研究的方法和意义。

2.3 概念模型的建构

概念模型是用知识结构体系来呈现概念及其之间的关系，如用概念图来呈现特异性免疫过程，用流程图来表示光合作用过程。概念模型的建构需要学习者厘清概念之间的关系。建模过程一般包括：分析并提取要素（概念）→厘清要素之间的关系→建构模型→修正完善模型。

【案例】生态系统能量流动模型的建构。

活动设计思路：学生查阅关于林德曼研究赛达伯格湖能量流动的相关文献，教师引导学生根据林德曼的研究思路和系统论的要素分析法，自主建构赛达伯格湖能量流动的定性和定量模型，初步学会模型研究的基本方法。

活动过程：

①分析并抽提要素。教师出示科学史素材（林德曼绘制的赛达伯格湖食物关系图），引导学生根据赛达伯格湖食物关系图，提取并简化生态系统要素，并说出要素提取的依据。

②厘清要素之间的关系。学生以小组为单位，根据林德曼绘制的食物关系图，分析、讨论某一营养等级能量的来源与去路。

③构建能量流动定性模型。学生以小组为单位，构建能量流动的定性模型（用箭头来表示能量的来源与去路，并在箭头上方用文字加以说明能量获得或散失的途径）。小组交流、展示、评价模型。教师归纳能量输入、传递、散失3个环节，帮助学生建构能量流动的概念，并整理提升模型的意义及建模的一般方法。

④构建能量流动定量模型。教师出示科学史（林德曼通过湖泊中取样、实验室水生生态箱模拟测定各营养级能量去向的数据），学生以小组为单位分析数据，并尝试将数据填入定性模型的相应部位。小组讨论、交流、评价模型。

⑤修正、完善模型。教师引导学生依据模型，分析、讨论能量流动的特点与规律。学生根据能量流动的特点和规律，校正模型。

⑥应用模型。教师出示“桑基鱼塘”资料，引导学生利用能量流动模型分析其优势，并尝试对系统进一步优化。

案例解读：在常态课教学中，生态系统能量流动模型往往都是教师通过教材图例直接告知学生的，不少教师自身都不清楚林德曼建构能量流动模型的过程。笔者要求学生查阅林德曼的相关论文，在课堂教学中合理利用相关科学史素材，让学生根据系统要素分析的方法自主建构上述模型，从而促进学生发生深度学习，有效提升学生的科学探究和科学思维能力。

3 反思和体会

建模是指将研究对象的一些次要的细节、非本质的联系舍去，用一种“简化”和“理想化”的方式来反映事物本质特性，是一种科学研究方法。因此建模有利于学习者对事物本质特征的理解，提升科学思维。“模型与建模”教学的关键在于如何让学生自主建构模型，将模型直接告知学生，或者“依样画葫”地“做”模型，远离了教学本质，不能有效促进学生科学思维能力的提升。因此，抽提原型本质特征、做好原型与模型匹配的铺垫、比较原型与模型差异并进行修正是帮助学生顺利完成自主构建模型的教学关键环节。