中学生物学概念模型的理解与实践价值

左开俊

【摘 要】生物学概念模型作为概念与模型有机结合的产物，回应了如何培育学生科学思维的问题。本文基于概念与模型的整合，重点剖析了生物学概念模型的内涵与表征，生物学概念模型的构建与实践价值，并结合案例依次从合取、析取、关系三个层面分析了概念模型的内在结构。概念模型对新时代中学生物学教育改革有着十分重要的价值与启示，主要体现在概念模型的构建能转变学生的学习观念，培育学生的科学思维，加速学生学习方式的转变和学习格局的演变。

【关键词】概念模型；模型构建；建模教学；生物学教学

一、问题的提出

不论是学科内交流还是学科间互动，概念教学都占据重要的地位。以“概念模型”为关键词搜索基础教育教学类文献，发现数量并不多。笔者对“概念”及“概念模型”的内涵与外延进行探析，发现《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）已从基本理念、教学建议、教学评价等三个维度，对概念教学进行了具体化指导：（1）从基本理念角度，新课标指出生物学教学要让学生能够深刻理解和应用重要的生物学概念，发展学生生物学学科核心素养［1］2。（2）从教学建议角度，新课标提倡要帮助学生形成正确的生物学重要概念进而建立生物学观念；要帮助学生建立生物学概念，并以此来建构合理的知识框架，为学生能够在新情境下解决相关问题奠定基础；要帮助学生消除错误概念，建立科学概念［1］58。（3）从教学评价角度，新课标强调评价内容应以生物学大概念、重要概念等主干知识为依托，检测学生的生物学学科核心素养的发展水平［1］61-62。

概念通常是抽象且高度概括的。在教学中，用语言或文字等方式来表达概念的本质与属性时，晦涩的语言陈述与冗长的文字表达，会使一部分学生游离在概念的局部化、浅级别的层面上。模型作为概括性、科学化表达认识对象的一种可视化方式，可以帮助学生完成对事物表象的观察和对内部结构的透视，达成对事物属性与本质的准确理解，实现认知与行为的统一。

鉴于以上认知，将概念与模型交互重构为概念模型，在模型这种可视化的方式上，运用简约的文字、符号或图形呈现生物学概念的组成元素，引导和培养学生利用归纳与概括、演绎与推理、批判性与创造性等科学思维完成生物学概念元素间的关联，获得对生物学概念的深度学习（图1）。

基于此，笔者尝试从概念与模型的统整角度，剖析生物学概念模型的内涵与表征，呈现生物学概念模型的构建与实践，以期为一线教学提供理论与实践的参考。

二、中学生物学概念模型的内涵与表征

中学生物学概念模型的核心关键词有概念、概念學习与生物学概念模型，要理解并运用中学生物学概念模型，就要厘清这三者的内涵与表征。

（一）概念的内涵与表征

从本义上看，《现代汉语词典（第7版）》将“概念”定义为“思维的基本形式之一，反映客观事物的一般的、本质的特征”。可见，概念的显著特征是能基于客观事实的存在，展现本体一般性与本质化的属性。一般性属性属于浅层认知水平，具有鲜明的外显表征。如“细胞膜”这一概念，一般特征即细胞外一层薄薄的膜结构，可借助显微镜获得感官上的认同。本质化属性则属于深度认知水平，具有明显的内隐表征。还以“细胞膜”概念为例，其本质特征可概括为细胞的边界、控制物质进出和信息交流等。在逻辑学上，概念泛指反映事物共同本质特征的思维形式，可分为具体概念（也称实体概念）和抽象概念（也称属性概念）。具体概念如动物细胞、肌肉组织、神经系统等，抽象概念如动脉血的含氧量高、颜色鲜红等，“高”“红”作为属性概念，反映的不是具体事物本身（“高”的概念既能反映血液的含量属性，还能反映事物的高度属性）。其实，不论是从本义的角度还是从逻辑学的维度诠释概念的内涵与表征，多维度、多层次的呈现方式有利于系统、全面地把握事物的本质，有益于归纳与概括、演绎与推理、批判性与创造性等科学思维的形成。

（二）概念学习的内涵与表征

奥苏伯尔从有意义言语学习理论的角度，将概念描述为通过辨别、提出与检验假设、概括等心理过程，发现同类事物的共同特征。以奥苏伯尔的学习理论为基础，将概念引入学习体系，可以发现概念是构成知识体系的“细胞”，概念学习是学生掌握知识的核心任务。国内学者赵占良从中学生物学教材编写的角度出发，认为概念学习的内涵应以概念体系的搭建、概念性内容的选取、呈现始终为首要任务［2］。概念学习在彰显其知识架构与学习力的综合表征时，强调要从感性认识出发，经过抽象提炼，上升至理性认识的过程。概念学习可帮助学生在学习的过程中，把零散的、孤立的知识置于观念的框架中，逐步、逐层地重构与重建，进而获取整体概念的具身认知。在概念学习中，依据反映事物的属性情况，概念可分为合取概念、析取概念和关系概念三类。本文以此分类标准作为研究标的，原因主要有两点：第一，此分类标准与中学生的生理特点、认知水平高度匹配，更容易诱导学生对概念表达出来的语义情境加以揣摩，从中获取先验认知；第二，此分类标准有助于学生依托观察、分析、归纳的思维手段，全面展开对事物特征的直观化描述，继而达成对概念属性的细化与归类。

（三）生物学概念模型的内涵与表征

生物学概念模型就是将生物学科领域的生命现象或生命规律，一方面借助认知过程完成知识体系的高度整合，另一方面再以可视化的符号、图形等完成辅助性表达。概念思想与模型方式彼此融合后的样态即为概念模型，通常呈现形象化、直观化和系列化的特征。根据不同的分类标准，概念可以呈现多维表征。比如，依据逻辑思维取向，概念可以分为具体概念和抽象概念；依据由点及面的位次关系，概念可以分为上位概念、下位概念与平行概念；等等［3］。本研究着重从“概念+模型”的角度深度探讨生物学概念模型在中学阶段的应用与实践，并以此为支撑点，在遵循生物学概念教学规律的基础上，尝试借助合取概念、析取概念、关系概念的本义，将模型构建融入其中，分门别类地建构合取概念模型、析取概念模型和关系概念模型。这种建构方式，一方面能充分体现中学生的学习认知特点，引导学生借助图、线、符号等形式实现知识与体验的关联，差别化、异质化地理解核心概念与重要概念间的属间特征；另一方面，能揭示人在概念化活动中的思维过程，从而培养学生的观察与思辨、逻辑与推理、概括与归纳等能力，帮助他们发现生物学知识间的有关特征与无关特征，在形象化的概念理解中打通新旧知识的界域，序列化地实现新旧知识的整合。

三、中学生物学概念模型的类别与教学实践

（一）合取概念模型的构建与实践

合取概念是指一个事物只有具备了这个概念的所有属性才能成立，且其概念的属性是固定不变的。合取概念模型则是指借助模型与建模思维，以可视化图形为载体，以简单的文本描述作为解释，帮助学生通过观察与分析，自我归纳与总结概念的所有属性，完成基础认识的一种形式。比如在学习“细胞分化的概念”时，教师可利用不同的几何图形（如圆、三角形、六边形、五边形等）可视化地呈现生命世界中不同形态、结构和功能的细胞，再借助适当的线条（如箭头等）和简洁的文字去系统化构建细胞分化的合取概念模型（如图2）。

实践的整体思路是，让学生通过小组协作，观察辨识、分析归纳和概括总结出细胞分化的概念：（1）借助观察辨识，学生可以很快得出细胞分化概念的三个基本属性，即形态属性（四种图形）、结构属性（四种图形结构）与功能属性（根细胞、叶细胞、茎细胞等）。（2）通过分析归纳，学生会发现图2中第一行“圆”细胞只演变成“三角形”细胞，第二行“圆”细胞只演变成“六边形”细胞，第三行“圆”细胞只演变成“五边形”细胞，这种在形态、结构、功能上明显的差异是稳定的，从而水到渠成地归纳出了细胞分化概念的第四个基本属性——稳定性差异。（3）通过概括总结，学生可以条理清晰地得出，细胞分化就是细胞在形态（第一属性）、结构（第二属性）、功能（第三属性）上，发生稳定性差异（第四属性）的过程。

合取概念模型以合取概念为基石，辅以图文结合的形式，物态化地突出事物的属性特征，让学生在观察中完成分析与归纳。合取概念模型能引导学生开展多种形式的心智体验，深化学生的统觉过程，发展学生的观察力与思维力，并为其形成正确、深刻的理性认识奠定基础。

（二）析取概念模型的构建与实践

析取概念是指一个事物只要具备其中一条属性就能成立，且其概念的属性不是固定不变的。析取概念模型是以图形为载体，有次序、层次化地展现物体的组成成分、空间结构、功能特点等，展现顺序可以从元素到化合物，从细胞到系统，从个体到群体，甚至从微观到宏观等。比如，在学习“基因突变”概念时，教师可通过构建如图3所示的析取概念模型，有序地铺展基因突变的类型，帮助学生完成基因突变概念的深度学习。

第一步，根据基因与DNA的关系，构建包含基因A和基因b的DNA分子模型。第二步，以基因A为代表，引导学生陈述基因突变的三种常见类型（堿基对的增添、缺失、替换）。第三步，引导学生进行深层次思考：如果碱基对的变化发生在图中的基因A与基因b之间，基因A与基因b有没有发生突变？第四步，通过分析与推理得出，基因突变就是碱基对的增添、缺失或替换（三个属性具有平行特征，取其一即成立），引起该基因序列发生改变（独立属性）。

析取概念模型借助模型与建模思维，分门别类地将概念的所有属性以图、表等方式，直观化地表达出来，以此帮助学生在观察与分析的基础上，归纳出概念的要义，完成对概念的理解。这一综合型的表征形式，通过官能刺激和思维推演，把分散的观念联合成一个整体。这一模式一方面培育了学生对知识的表达能力，另一方面也挖掘了学生对知识的整合能力。

（三）关系概念模型的构建与实践

关系概念是指客观反映事物彼此间关系属性的一种思维表达形式，关系概念模型则是指依托模型与建模思维，运用图、表，以直观、明确、概括的形式来表述错综复杂的生命现象或生命规律，使之条目清楚，重点突出，便于学生把握生物学概念的本质和内在联系。这类综合型表达形式的作用在于帮助学生系统地掌握生物学概念的全貌。无论是图还是表，均不应有固定的格式，而是应当根据教材的内容和学生的实际，勇于创新，使之形式多样又有章可循。依据不同事物间关系属性的相似度、序列性、承接性，笔者将关系概念模型分为对比式、序列化、承接性三类关系概念模型。

1.对比式关系概念模型

将对比关系引入概念模型，就是借助图、表等形式，将相似事物间的异质化属性有规律、交替性地呈现。比如在学习单倍体、二倍体、三倍体和多倍体概念时，教材采用的是冗长的文字表述，这对于文字理解能力稍弱的学生而言，较难分辨出上述概念的不同属性与相同属性。这时，构建如图4所示的对比式关系概念模型，就能有序地、深层次地向学生展现生物学概念的本质，使复杂的问题简单化，抽象的问题直观化。

一般情况下，生物体发育的起点有受精卵和配子两种。借助图4的观察与比较，可知：如果生物体的起点是配子，则不论其细胞内有多少个染色体组，最终形成的生物体都是单倍体；如果生物体的起点是受精卵，则其细胞内的染色体组数决定了它将来发育成几倍体。在此前提下，细胞内有2个染色体组，将来就发育成二倍体；细胞内有3个染色体组，将来就发育成三倍体；细胞内有n个染色体组，将来就发育成多倍体。

教材中可以用对比式关系概念模型表达的概念还有很多，比如同源染色体与非同源染色体、有丝分裂与无丝分裂、细胞分化与细胞癌变等。将对比式关系概念模型引入教学，一方面借助可视化的模型，引领学生从关注事物的表面意象延伸至事物的本质内涵，培养他们获取事物本真属性的思维和推理能力；另一方面借助显性化的比较方式，辅助学生从弥散的、碎片化的认知中建构有组织、系统化的辨别体系，形成正确的认知观念和评判标准。

2.序列化关系概念模型

按照概念的不同结构层次，将概念基本稳定的内容组织成为连续有序的系列，即为序列化关系概念。将序列化关系概念融入模型构建的特点是，以视觉刺激为学习基点，引导学生通过观察与归纳的思维模式，感知内容由浅入深、由低到高、由易到难的序列化排列。例如，在学习“生物进化历程”的概念时，如何将稳中有变、静中有动的进化历程有序、连续地呈现，确实是个难题。此时，若能构建如图5所示的序列化关系概念模型，就可以在突显“种群”这个进化单位专有属性的基础上，让“变异的不定向性”与“自然选择的定向性”同屏出现，帮助学生达到对进化历程实质的深度理解。

第一步，进化的基本单位“种群”用圆呈现，变异的不定向性用放射状箭头呈现。第二步，被自然选择的变异（有利变异）用实线箭头呈现，没被选择的变异（不利变异）用虚线箭头呈现。第三步，归纳概括出进化的实质，即变异是不定向的（变化的），自然选择是定向的（不变的），且是不断积累有利变异的一种动态过程。

序列化關系概念模型的目的在于帮助学生抓住学习内容的本质属性，从而全面把握知识的内在联系。把握本质的过程就是对学习内容深度加工的过程，这个过程不是直接从教师这里听到关于事物本质的描述，而是学生利用深刻且灵活的思维与正在学习的内容建立紧密联系的过程。在探究的氛围中，概念分层次、分阶段地螺旋式呈现，使得概念的内涵表达得更清晰、更具张力。

3.承接性关系概念模型

承接性关系概念就是利用承前启后的模式体现一个整体性概念，即总概念（也称为大概念、大观念、核心概念等）。总概念是由众多子概念组成的。总概念与子概念之间是统领与被统领的关系，同一位次的子概念是平行的关系。中学生物学课程教学中，最常见的承接性关系概念模型有两类：一类貌似链式结构（见图6），此类模型常由方框和箭头两种符号构成单向传导型的链式概念图；另一类宛如网状结构（见图7），此类模型不仅包含了水平结构上的横向连接，还涵盖了垂直结构上的纵向连接。

例如，在学习“免疫调节”时，可建构“抗原→吞噬细胞→T细胞”链式模型；在学习“激素调节”时，可建构“下丘脑→垂体→甲状腺或性腺”链式模型；在学习“组织培养”时，可建构“外植体→愈伤组织→胚状体或丛芽”链式模型；在学习“ATP结构”时，可建构“腺嘌呤→腺苷→AMP→ADP→ATP”链式模型等。而在实施“生态系统”的大概念教学时，可建构如图8所示的网状模型。

模型构建活动是学生内心世界的映射，是自我认知水平的投影。以承接性关系将概念与模型整合，能将零散的、不连续的知识与理论串联成一个完整的体系，帮助学生利用内化的知识结构，去加深对科学的理解，实现对概念学习的进阶，达成对自然界生命现象的连贯性解释，最终形成有意义的生命观念。

四、审视生物学概念模型构建的实践价值

素质教育赋予学习的含义从在课堂中简单地吸收知识，逐渐向学生在课堂中选择性吸收知识，整合重构学科知识架构过渡，因此课堂教学模式也发生相应的转变——从“教师为主”转变为“以学生为主”［4］。以概念架构铺展生物学模型构建教学，有助于师生借助可视化、可触碰的模型构建活动，有机地融合教师的“教”与学生的“学”，使教师从主导教学的角色转变为引导学习的角色，使学生从学习客体转变为学习主体。上文不仅深入分析了概念模型的内涵与表征，还从教学实践的角度，用案例论证了概念模型教学的可操作性。但任何一种教学模式的发生，都需要研究者从教师与学生的共情角度，科学考量与实践归纳隐藏于显性表征背后的价值意蕴。

（一）概念模型的构建能转变学生的学习观念

传统的课程与评价或教材通常只重视对科学公式或科学概念下操作型定义，如此难以帮助学生产生有意义的学习。传统的概念教学常常要依靠冗长的文字来诠释概念的特有属性，这不免使文字理解能力稍逊的学生陷入困顿。处于青春期的中学生，对图形、线条、颜色等显性化的元素和符号极为敏感。利用学生这一年龄段的生理特质，笔者梳理概念的属性表征，并设法将其融入、整合到模型构建的活动中，形成知识与美感并存的概念模型。将概念融入模型构建的教学活动中，优点有二：（1）经过系列化打磨与凝练的概念模型，在表现形式上富有艺术美感，比如对称型设计、辐射型设计、传导型设计、迷宫型设计等，能刺激学生的感官，激起学生潜意识中的探索与发现欲，驱动手脑协同，完成对概念的官能体验与心智体悟。（2）生物学概念教学是课堂教学和教学改革的重点内容之一，学生对概念的学习一般要经历感知活动、思维加工、理解应用、形成结构等四个步骤。日常学习中，学生对每个步骤的把握与理解常内隐于自我的内心世界，容易形成只可意会不可言传的缄默性知识。概念模型这一知识与思维高度契合的直观化模式，恰能给师生交流、生生互动提供展示与表达的平台，加速了学习方式的转变、学习观念的蜕变和学习格局的演变。

（二）概念模型的构建能培育学生的科学思维

生物学科核心素养提出了育人的四大关键能力，培育学生的科学思维能力就是其一。新课标罗列的科学思维包括了模型与建模、归纳与概括、演绎与推理等，未提及“概念”一词。笔者以“你认为概念是一种认知性陈述，还是一种思维的演绎”在中学教师间开展调研，发现很多一线教师认为概念只是一种认知性陈述，具体表现为在课堂上某些教师依然借助传统的朗读方式，要求学生划出关键词，然后完成对概念的陈述性记忆。在这些教师的教学认知中，概念只是教科书上的定义，概念教学的核心任务就是让学生通过提炼关键词的形式完成对概念的学习。但实际上，概念是客观事物的本质属性在人脑中的反映。一方面概念彰显了人类思维的所有特性，比如人们对客观事物一般特征、本质属性的一致性认同；另一方面概念又是人类思维的一种工具，比如借助归纳与概括完成对客观事物本质与内涵的凝练。有国外研究者认为，科学的教学应提供许多与现象对照的呈现模型（或科学模型），让学习者建立以模型为基础的学习经验［5］。因此，概念与模型都能作为思维的方式，若将两者有机地整合成概念模型，就同时具备了概念的凝练思维与模型的显性思维，在思维驱动力上实现了同频共振，在思维表达力上完成了优势互补。此外，知识在概念模型中转化与衔接的过程，能帮助学习者完成思维的迁移，使学习变得有序、高效。

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（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］赵占良.生物学概念教学论［M］.南宁：广西教育出版社，2021：1-5.

［3］金岳霖.形式逻辑［M］.北京：人民出版社，2005.

［4］丁洁.细胞生物学课堂教学模式改革初探［J］.生物学杂志，2019（6）：112-114.

［5］JUSTI R S，GILBERT J K. Modeling，teachersviews on the nature of modelling，and implications for the education of modellers［J］. International journal of science education，2002（4）：369-387.

（责任编辑：潘安）