建模教学应用于生物学课堂促进学生科学思维发展

2022-11-22刘淑玲山东省威海市福泰中学山东威海264200

生物学通报 2022年1期

刘淑玲（山东省威海市福泰中学山东威海 264200）

科学思维是生物学学科核心素养的重要组成部分，是指尊重事实和依据，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。科学思维包含理性思维及直觉、想象、灵感、顿悟等非理性因素，体现在对实验方法的运用、分析数据的能力及对科学知识的理解[1]。依据布鲁姆目标分类法，思维能力包括记忆、低阶思维（理解和运用）和高阶思维（分析、评价与创造）[1]。以生物学课堂不同课型为例，引导学生运用模型构建的方法学习知识，培养学生的科学思维，尤其是高阶思维。

1 新授课：物理模型与建模思维的培养

物理模型是人对所认知的事物的概括性描述，是抽象知识的具象化，而建模思维指的是借助特定材料或采用图像等方式建立模型，将抽象化的或不可测的生物学事实，进行概括描述的一种思维活动。通过构建模型将抽象事物具象化和简约化，将微观事物以宏观的形式呈现出，帮助学生理解抽象复杂的生物学知识，使得整个学习过程更加高效。培养学生的建模思维不仅可锻炼学生的动手实践能力，更为重要的是还可提高学生的认知能力。

新授课中，在充分利用实验室原有模型的基础上，教师发动学生制作更多的模型，例如，植物细胞模型、动物细胞模型、膈肌运动模型、肾单位模型、DNA 结构模型、模拟小型生态系统的生态瓶等。大量的生物学教学模型，为学生提供了丰富直观的学习资源。学生亲身参与模型的制作，既加深了对相关知识的理解，也发展了创造性思维。

例如，在学习初一上册“观察细胞结构”内容时，教师可布置“观看微课，学习制作植物细胞模型和动物细胞模型”的实践作业。为了完成作业，学生需要阅读教材资料，了解动、植物细胞的结构特点；观看微课，自主学习模型制作方法；并筛选细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞核等细胞结构的制作材料，完成模型的设计。在模型的制作过程中，学生还要思考怎样将细胞各结构进行科学摆放。

学生经历了模型制作的整个过程。首先，在任务驱动下，学生的学习积极性提高，能主动学习教材中的相关知识点。其次，在选择模型的表征形式时，要求学生筛选适宜制作模型的材料，考虑如何对材料进行加工和科学组装。借助直观的模型，帮助学生理解细胞的基本结构并能说出动、植物细胞的异同点。最后，通过展示评价，学生能及时发现问题并修改完善。在这样的经历中，学生不仅可加深对细胞基本结构的理解，还进一步明确了模型制作的过程和要点，提高模型制作和建模能力[2]（图1～图4）。

图1 植物细胞结构图

图2 植物细胞模型图

图3 动物细胞结构图

图4 动物细胞模型图

再如，对于染色体、DNA 和基因的关系，许多学生理解不够透彻，难以构建“DNA 是主要的遗传物质。基因是包含遗传信息的DNA 片段，它们位于细胞的染色体上”这一重要概念。为了让学生对此部分知识有更加详细和直观的理解，开展制作“DNA 双螺旋结构模型”活动，学生按照自己的思路，自主动手，相互协作，设计制作DNA 模型（图5、图6）。

图5 DNA 双螺旋结构图

图6 DNA 双螺旋模型图

通过构建物理模型，不仅强化了学生对相关知识点的内化程度，还促使学生领悟模型构建的科学思维方式，习得模型构建的基本方法，增强利用模型解决问题的意愿和能力，并提升学生分析运用相关知识的能力。在日常教学活动中，教师让学生有意地建立模型，进行更深层次的思考，有助于学生理解知识，更有利于提高学生的分析和综合运用能力，培养学生的高阶思维。

2 复习课：概念模型与分析综合思维的培养

概念模型能清晰地呈现知识的整合过程和知识之间的关系。构建概念图，可帮助学生整合知识，构建知识网络，从整体上把握知识。学生制作完善概念图的过程也是思维进行分析、综合和创新的过程。分析与综合是思维过程的基本环节，分析就是将研究对象分解成几个部分，找出各部分的本质属性和彼此之间的联系。综合就是在分析的基础上，将研究对象的各个组成部分或要素在思维中重新整合为一个整体，从而在整体上把握事物的本质和规律。分析与综合是一对互为辩证的思维方法，复习阶段教师在分析的基础上，引导学生通过概念图加强知识间的联系，进而培养学生的综合能力。

通过分析，有助于发展学生深刻性思维品质；通过综合，加强生物学知识的联系，形成对事物的整体认识，可有效培养学生的高阶思维。虽然这样会占用课堂时间，但概念图支持下的复习课教学能促使学生在理解的基础上使知识结构化、系统化，形成清晰的知识脉络。

例如，在复习初三上册“动物的运动和行为”这一章时，涉及到很多概念，例如，动物的运动、动物的行为、先天性行为、学习行为、社会行为、运动系统等。为了帮助学生更好地理解概念，教师安排学生构建概念图的自学环节，让学生通过梳理知识点并绘制概念图，进行自评和小组互评。在展示环节，请学生到讲台进行讲解或提问，其他学生进行补充质疑并将板书补充完整（图7）。

图7 动物的运动和行为概念图

借助概念图评价量表（表1），对概念图评价修正。采用自我评价、小组评价、班级评价等多种评价方式。首先，对照评价量表，围绕科学性、完整性、关联性等方面，对概念图进行自评，并说出评价理由。然后，对照评价量表进行自我完善，标识出自己的疑惑点，以便在小组或班级交流时提出。小组评价方式主要是组内成员之间交换评价或轮换评价。被评价人要向评价人介绍构建思维导图的思路，并详细阐述各知识点间的关系等。评价人要指出被评价人概念图中的亮点、不足及修改建议。进行班级评价时，1 个或多个小组展示，其余小组观看、质疑并提出建议。在展示过程中，要进行互动交流，要求有疑问及时提出，展示者要给予明确的回答。

表1 概念图评价量表（自我评价）

通过交流评价，学生对生成性信息进行分析和处理，逐步加深对知识的理解。学生在自评和互评的过程中发展批判性思维，创造性地整合已有知识和技能，并增强对信息的选择和评价能力，进而培养高阶思维。

3 实验课：数学模型与抽象概括思维的培养

数学模型就是为了一个特定的目标，根据一个特定事物特有的内在规律，做出一些必要的简化假设，运用适当的数学工具，得到的一个数学结构，可以是数学公式、算法、表格、图示等。初中生物学教学可运用数学模型，促使学生更快、更好地理解相关生物学知识[3]。

例如，初二下册“探究细菌和真菌的分布”实验课，要求学生设计实验检测不同环境中的细菌和真菌的数量。通过探究活动，了解到细菌繁殖速度快、分布广泛、无处不在。教师可对学生提问：“假如你的手上有100 个细菌，细菌的繁殖速度按每30 min 繁殖1 代计算，在没有洗手的情况下，4 h 后你手上的细菌数目是多少？”。学生经过独立思考，给出理论上的预测值是25 600 个。教师可趁热打铁，提出“若是初始数量为M，经过n代分裂后细菌的数量N是多少？请用数学模型进行表示”。学生的好奇心被有效激发，开始构建数学模型。学生往往会建立3 种不同的数学模型，分别是表格式数学模型（表2）、曲线图式数学模型（图8）、方程式数学模型N=M×2n。实际测量值是多少？学生设计实验进行探究，发现4 h 之前实验结果与预测值几乎一致，而4 h 后出现很大差异（表2）。这时，需要教师用专业的知识作出解释。细菌的生长繁殖需要经过4 个时期：迟缓期、生长期、稳定期、衰亡期，计算预测值时，没有划分4 个时期，只是一种理想状态。教师组织开展数学模型的构建互评、修正环节，引导学生对曲线图式数学模型、表格式数学模型、方程式数学模型的特点进行分析，使学生初步认知不同类型数学模型的特点。表格式数学模型可通过数据呈现预测值和测量值的不同，而曲线图式数学模型可直观呈现预测试和测量值的变化，2 种数学模型构建小组在讨论过程中，吸收、消化了对方的思维成果，并逐步完善自身的思维，该过程有效地培养了学生的抽象概括思维。在该过程中，学生积极踊跃发表观点，教师记录并进行适当的补充，在充分尊重学生主体地位的同时，有效培养了学生的归纳与演绎能力。