跨学科视角下初中生物学中培养学生建模能力的实践探究——以“眼和视觉”为例

钱子心 刘 娴

(1.昆明市第八中学长城新城校区 云南昆明 650231)

(2.云南师范大学生命科学学院 云南昆明 650500)

0 前言

教育是国家发展的根本基石,是民族未来的指向标。义务教育承载着我国人才培养的责重山岳,唯有不断革新,才能顺应时世需求,达成教育的终极目标。最新颁布的《义务教育生物学课程标准(2022年版)》(以下简称“新课标”),在课程理念、目标及内容上较之前出现大量修订。“核心素养为宗旨”占据新课标课程六大理念的第一位,一定程度上彰显了发展学生核心素养在生物学培养中的重要性。基于新课标的价值取向,生物学教学应该充分挖掘和展示学科本身内涵,并将学科教学与学生生活有机融合,从而推进核心素养的形成。其中,模型建构作为一种行之有效的教学手段,本身就具备一定跨学科背景,能够在学生实际学习活动中较好地促进科学探究和跨学科实践,在学生核心素养的形成与发展方面具有较为关键的作用。

同时,新《课标》新增“课程设计重衔接”的课程理念,旨在引导教师从“专一学段”“专一课程”转变为“连续学段”“连续课程”,更加重视教师对学生持续学习“支架”的搭建。普通高等学校招生全国统一考试(以下简称“高考”)是初中学业水平考试和高中阶段学校招生考试(以下简称“中考”)的导向。近年来高考命题也有“以能力为先、素养导向”的趋势。因此从学业评价的角度,初中生物学教师在学生相应技能的培养上需要下足功夫。此外,跨学科整合也属于“重衔接”的范畴。学会利用跨学科视角解决和回答生物学问题,将多个学科内容和思想串联起来,对学生的能力素质培养有较大的积极影响。此前提下,若在义务教育阶段,生物学教师能在一定程度上侧重学生跨学科、实践建模能力的塑造,将有助于激发学生该时期形成的素养转化为其未来创造成长的沃土。

据查证,跨学科视角多集中于高中乃至大学学段,学生建模能力的培养多集中于数学物理等学科。笔者将从跨学科视角探讨初中生物学融入学生建模能力的培养,以期在新修订的生物学课标引领下探索初中生物教学发展的更多可能性。

1 跨学科视角下学生建模能力的培养——以“眼和视觉”为例

前人有言,生物学建模是将抽象的知识具象化,复杂的知识简单化。在此基础上融入跨学科思维,能使学生结合多种视角深化对知识的加工。从教师建模“教”学生“学”,到学生有建模“能力”学,教师由行为发起者转变为学生为行为发起者,仍然需要广大研究者的探索。换句话说,如何从教师建模学生被动学习到学生建模主动学习,是学生建模能力培养的关键。课堂是初中生物学教学的第一阵地,也是培养学生建模能力的主战场。下文以人教版初中生物学“眼和视觉”课堂教学为例,探讨跨学科视角下在初中生物学中学生建模能力的培养。

1.1 眼球的基本结构和功能

能够描述眼球的基本结构和功能是本节课的重点之一,同时是学生概述视觉形成过程的基础。学生对“眼睛和视觉”有丰富的生活经验,但缺乏生物学上的专业认知。同时该学段的学生尚未接触物理中光学相关概念,对类双凸透镜的晶状体的结构及功能存在盲区。基于此背景,教师可提供部分物理模型素材供学生挑选,鼓励学生通过材料探索,感知并构建眼球结构模型,掌握眼球各结构的功能。

教师提供解剖工具、牛眼球实物、解剖眼球视频激光笔、双凸透镜、透明胶质果冻等实验器材,学生利用解剖工具和激光笔通过物理模型和实物模型探究眼球的结构和功能。

学生分组合作通过解剖工具观察解剖牛眼球实物,感知眼球不同结构的特点,由结构再激发对其功能的认知。本着以生为本和弱化感官刺激的原则,可同时播放解剖操作视频,方便学生了解感受解剖过程。学生在观察实物时会发现巩膜、角膜的坚韧程度不同,角膜轻薄容易破坏,能在一定程度上让学生形成保护眼睛的意识。学生动手解剖或观看视频后能认识到晶状体是一个类似双凸透镜的结构,而玻璃体体积较大,为透明胶质物。

学生利用激光笔照射模拟晶状体的双凸透镜和模拟玻璃体的透明胶质果冻可直观感知到光线通过这两个结构时的变化,从而得出晶状体和玻璃体能折射光线的生物学知识。通过对眼球不同结构和相应功能的直接认识,能帮助学生理解生物体结构与功能相适应的结构功能观。同时也为学生以后学习物理学“光的折射”相关知识建立了一定认知基础。

1.2 视觉形成的过程

视觉形成的过程即为外界光线经过眼球中相关结构后通过晶状体折射在视网膜上形成物像,视网膜感光细胞感知物像刺激后将信息通过视神经传递到大脑的过程。利用先前已经构建好的眼球结构模型,学生可以自主归纳出光线进入眼球的路径,说出视觉形成过程中各部分结构和功能。教师可适当引入部分模型素材,如蜡烛、凸透镜、光屏、不同遮光度的遮光板、光具座等供学生使用,引导学生动手制作探究晶状体作用模拟实验的物理模型,为后续“近视及其矫正”的教学做准备。

(1)学生用激光笔照射眼球结构模型,总结光线进入眼球的路径。

学生通过观察发现角膜和瞳孔能让光线进入眼球内部,同时已经掌握晶状体和玻璃体能够折射光线。根据视网膜“含有许多对光线敏感的细胞,能感受光线刺激”概念能够得出折射后的光线将落到视网膜上。此时,教师引导学生书写出“外界光线→角膜→瞳孔→晶状体→玻璃体→视网膜”概念模型(图1)。通过对实物信息的提取转化,促使学生对“光线进入眼球路径”概念的形成,加强学生对眼球结构和功能的认知记忆,锻炼学生的总结概况能力。

图1 概念模型示意图

(2)学生根据概念模型选取不同材料,在光具座上构建出凸透镜成像作用的物理模型,探索晶状体成像规律。

通过合作和回顾,学生应将材料按“蜡烛—遮光板—凸透镜—光屏”(图2)的顺序搭建模型。此过程中学生对模型设计要有一定能力,能够通过不同材料的组合搭配实现技术与材料的融合。在选取遮光板时,学生通过遮光度越低、落在光屏上的物像越亮能联想到光线通道大小对视物的影响。教师可展示猫瞳孔大小变化与环境光线的关系,肯定学生的知识发现。同时倡导学生不要在过亮或过暗的环境看书,增加学生的健康意识。该物理模型的构建需要学生依据已学知识选取合适的材料,一方面能够强化其对知识的理解,如遮光板和虹膜的功能、光屏和视网膜的功能相似等,另一方面强调在情境中解决实际问题的能力,潜移默化中激发学生探究实践的核心素养。

图2 探索凸透镜成像规律的物理模型示意图

1.3 近视及其矫正

在搭建凸透镜成像作用的物理模型中,学生能够验证光线通过晶状体折射落到视网膜上的猜想,可以对晶状体与眼球成像的密切联系产生较为朴素的认识。但对生活中常见现象“近视和远视”的成因和矫正并不清楚。教师可先指导学生利用数学模型总结分析凸透镜的成像规律,再通过物理模型进一步内化学生的生物学知识。

(1)教师提供多种曲度的凸透镜,并固定凸透镜到光屏之间的距离,学生尝试更换透镜并调节蜡烛和凸透镜之间的距离,利用表格、曲线图等手段建立数学模型。

更换不同曲度凸透镜后,学生需多次调节物距,直至能在光屏上形成清晰物像(图3)。教师此时应注意引导,并提醒学生及时记录数据。随着数据不断积累,学生可以总结出曲度越大的透镜,想要在光屏上形成清晰物像所需要的物距越短。教师进一步引导学生尝试绘制当所观察物体由远及近时人眼晶状体曲度变化曲线图,促使学生自主总结生成晶状体与所视物距离关系(图4)。从而得出结论:当人看的物体越近,晶状体曲度越大,反之亦然。通过上述步骤,学生能够自行阐释凸透镜成像相关原理和处理所收集的数据。教师随后提问:什么结构能够调节晶状体曲度? 如何调节? 引出睫状体可以调节晶状体曲度,睫状体舒张使晶状体曲度变小。因此同学近距离用眼后要适当远眺放松眼睛,养成良好生活习惯。

图3 晶状体曲度与成像物距关系图

图4 所视物距离与晶状体曲度关系图

(2)教师提供凹透镜和凸透镜,引导学生探究近视如何矫正。

根据之前的物理模型学生能够感知,当透镜到达光屏的距离固定时,凸透镜曲度过大不易恢复导致焦距过短而无法满足成像所需像距,想要得到清晰物像,必须缩短物体与凸透镜的距离。由物理学现象迁移生物学概念则为,若晶状体曲度过大,物像将落在视网膜前方视物不清,即“近视”。此时需要借助光学原理帮助矫正。利用激光笔学生可以发现凹透镜能发散光线,而凸透镜使光线会聚,其根本原因是凹凸透镜成像方向相反。根据相关物理原理,学生将凹透镜放置在曲度过大的凸透镜前,切身体验到佩戴凹透镜可以矫正近视(图5)。该模型搭建后,学生可选取不同曲度的凹透镜和凸透镜组合,并对所搭配的透镜曲度、焦距等数据进行计算处理,进一步探索聚光成像之间的关系(表1)。之后再反向推理远视的成因及矫正,实现知识点的迁移和生活实际问题的解决。此时,学生通过多个模型的综合应用,能够自然地关注到跨学科实践在解决问题中的必要性,在合作建模中也切身体会到多角度综合分析思考的科学需要。过程中对学生建模能力的提升,不仅从跨学科角度拓宽了学生的视角,也内化了学生对生物学课程的理解,从而完成生物学核心素养的显化。

表1 不同曲度凸透镜和凹透镜组合与成像的关系

表2 眼和视觉评价要求表

图5 利用凹透镜矫正近视物理模型示意图

2 总结

生物学作为自然科学的一部分,天然拥有与其他学科合作互通的优势。在生物学教学中设计多种有建模需求的环节,能促使学生主动、积极地通过课堂完成含跨学科融合元素模型的构建,从而通过模型解决学习中遇到的实际问题。以本节课“眼和视觉”的教学为例,学生通过设计、制作、抽象化等方式构建生物学与物理、数学的跨学科模型,能够促成对眼球结构功能、近视成因及矫正的理解,形成一定的“生命观念”。同时学生建模时发现如瞳孔变化大小的作用、晶状体曲度与所视物远近的关系等知识点,一定程度上能帮助其建立健康生活、关爱生命的意识,以实现“态度责任”的核心素养。在实际动手过程中学生也能意识到跨学科模型在生物学上学习的不可替代性,有利转变“生物课只谈生物”的局限思维,向“科学思维”“探究实践”生物学核心素养发展。

综上,跨学科视角下在初中生物学中培养的学生建模能力,是一件可行且必行的任务。生物教师在教学中要以新课标理念为核心,以培养学生能力为主旨,以教育对象为主角,设计和规划有实用性的、符合课程标准的教学内容。提质提优,共同助力初中生物学发展,达成“核心素养”育人的教学目标。