丁志鋒

（蘇州市蘇州高新區(qū)第一中學(xué) 江蘇蘇州 215011）

模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對認(rèn)識對象所做的一種簡化描述，這種描述可以是定性的，也可以是定量的。美國《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》認(rèn)為“模型是與真實物體、單一事件或一類事物對應(yīng)的而且具有解釋力的試探性體系或結(jié)構(gòu)”，并把模型和科學(xué)事實、概念、原理、定理及理論并列為科學(xué)知識的重點，并將構(gòu)建、修改、分析、評價模型作為高中學(xué)生的基本科學(xué)探究能力。我國《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》也明確強(qiáng)調(diào)學(xué)生應(yīng)“領(lǐng)悟建立模型等科學(xué)方法及其在科學(xué)研究中的應(yīng)用”，并將模型方法規(guī)定為高中學(xué)生必須掌握的科學(xué)方法之一。模型方法是認(rèn)識自然界的一種重要方式，也是理論思維發(fā)展的重要方式。

1 模型建構(gòu)的教學(xué)價值

目前在高中生物教學(xué)中應(yīng)用較為普遍的模型一般分為概念模型、物理模型和數(shù)學(xué)模型三種形式。在教學(xué)實踐中，教師引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)模型，可以發(fā)展學(xué)生基于生物學(xué)事實和證據(jù)，運(yùn)用模型與建模的方法對生命現(xiàn)象及規(guī)律進(jìn)行正確的探索與歸納的能力，提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1.1 建構(gòu)概念模型，促進(jìn)科學(xué)本質(zhì)理解

概念模型是指以圖示、文字、符號等組成的流程圖形式，對生命現(xiàn)象中所蘊(yùn)含的規(guī)律、機(jī)理等進(jìn)行描述、闡明，如對真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)共同特征的文字描述、生物進(jìn)化理論的理解、穩(wěn)態(tài)的維持和調(diào)節(jié)機(jī)理以及生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的表述等。建構(gòu)概念模型可以使學(xué)生深入理解基礎(chǔ)知識、辨析知識點之間的聯(lián)系與區(qū)別，使知識結(jié)構(gòu)化，同時有利于培養(yǎng)學(xué)生歸納、概括和語言表述能力，促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用概念去認(rèn)識生命現(xiàn)象，探索生命規(guī)律。

面對內(nèi)在邏輯性較強(qiáng)、較為抽象的生物學(xué)概念時，構(gòu)建概念圖是一種行之有效的教學(xué)策略。構(gòu)建概念圖的過程是一種梳理概念層次關(guān)系、發(fā)現(xiàn)概念之間內(nèi)在聯(lián)系的過程，可以在促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)、形成生命觀念的同時，推動學(xué)生科學(xué)思維能力的發(fā)展。例如，在“現(xiàn)代生物進(jìn)化理論的主要內(nèi)容”部分教學(xué)中，種群基因頻率、可遺傳變異、自然選擇、隔離、新物種形成等概念繁雜且相互關(guān)系容易混淆，如何理解這些“自然選擇學(xué)說”的下位概念，如何理清這些概念之間的邏輯關(guān)系及其與生物進(jìn)化的關(guān)系，如何將這些概念梳理整合形成現(xiàn)代生物進(jìn)化理論的基本思路，是本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)難點。進(jìn)行這部分內(nèi)容教學(xué)時，教師可以引導(dǎo)學(xué)生在分組討論的基礎(chǔ)上嘗試構(gòu)建現(xiàn)代生物進(jìn)化理論的概念圖（圖1）。

圖1 磷脂分子在水—空氣界

1.2 建構(gòu)物理模型，優(yōu)化科學(xué)探究方式

建構(gòu)物理模型是指利用實物或圖畫對原型客體的結(jié)構(gòu)功能、特征和生理過程進(jìn)行科學(xué)合理的再現(xiàn)。物理模型能夠?qū)⒁恍┪⒂^的、抽象的內(nèi)容具體化、形象化，如對細(xì)胞結(jié)構(gòu)、生物膜流動鑲嵌模型、細(xì)胞分裂過程中染色體的變化、DNA分子結(jié)構(gòu)、染色體變異等的直觀呈現(xiàn)。學(xué)生通過嘗試建構(gòu)物理模型，既能克服對微觀結(jié)構(gòu)、抽象過程的認(rèn)知困難，又能充分體驗?zāi)Ｐ徒?gòu)思維過程、領(lǐng)悟模型建構(gòu)方法。物理模型建構(gòu)活動是生物學(xué)研究的重要方式，能有效優(yōu)化學(xué)生的科學(xué)思維習(xí)慣，引導(dǎo)學(xué)生從實踐層面探討、解決現(xiàn)實生活問題。

開展物理模型建構(gòu)活動時，教師可以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)觀察到的現(xiàn)象和已有的知識，提出解釋某一生物學(xué)現(xiàn)象或事件的假說或模型，用觀察和實驗對假說或模型進(jìn)行檢驗、修正和完善。在“生物膜流動鑲嵌模型”教學(xué)片段中，學(xué)生認(rèn)知了磷脂分子的結(jié)構(gòu)特點后，教師可創(chuàng)設(shè)以下研究情境：①根據(jù)磷脂分子的結(jié)構(gòu)特點，分析判斷它在空氣—水界面上是如何排布的？嘗試構(gòu)建相關(guān)模型（圖1）。②此時，如果充分?jǐn)噭右好嫘纬扇闈嵋?，磷脂分子在乳濁液中是呈現(xiàn)球形還是一個平面呢？有可能會呈現(xiàn)怎樣的姿態(tài)呢？對已構(gòu)建模型進(jìn)行修正（圖2）。③結(jié)合1925年荷蘭科學(xué)家的實驗現(xiàn)象及細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境特點分析，最終生成生物膜中的磷脂分子的分布情況（圖3）。

圖2 水溶液中的磷脂（單層）面上展成單分子層模型分子團(tuán)模型

圖3 水溶液中的磷脂（雙層）模型分子團(tuán)模型

1.3 建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，深化理性思維培養(yǎng)

建構(gòu)數(shù)學(xué)模型是指采用數(shù)學(xué)形式（函數(shù)、曲線、柱形圖等）描述一個系統(tǒng)或性質(zhì)，如細(xì)胞分裂過程中染色體數(shù)目變化、種群數(shù)量變化、生長素的生理作用、生態(tài)系統(tǒng)能量流動等研究。隨著應(yīng)用實踐的不斷深入和實驗技術(shù)的不斷發(fā)展，生物學(xué)部分領(lǐng)域的研究已不再僅僅局限于定性分析，而是通過實驗數(shù)據(jù)，充分使用數(shù)學(xué)方法來直觀、精確描述生命規(guī)律。

例如，在“探究不同濃度的NAA對垂柳插條生根的影響”實驗中，可以設(shè)置5×10-8～5×10-4mol·L-1的等梯度濃度NAA溶液，依據(jù)實驗結(jié)果，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型（圖4），形象地揭示了生長素對植物生根的作用規(guī)律。通過嘗試數(shù)學(xué)模型構(gòu)建，學(xué)生在深入了解自然規(guī)律、掌握科學(xué)探究方法的同時，科學(xué)研究態(tài)度日趨嚴(yán)謹(jǐn)，并逐漸形成科學(xué)思維的習(xí)慣。

圖4 不同濃度NAA溶液對垂柳插條生根影響的曲線圖

2 模型建構(gòu)的策略優(yōu)化

在實施模型建構(gòu)教學(xué)活動時，教師應(yīng)結(jié)合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律、不同建模方式特點、學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展要求等方面，對建模教學(xué)策略進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 建構(gòu)模式要遵循探究規(guī)律

模型建構(gòu)模式一般為：觀察現(xiàn)象——提出假設(shè)——建構(gòu)模型——實踐驗證——修正完善——得出結(jié)論等程序。這與科學(xué)探究的過程是極為吻合的。所以，模型的建立過程其實就是一個科學(xué)探究的過程，建構(gòu)模式要遵循科學(xué)探究規(guī)律。為此，模型建構(gòu)模式應(yīng)具體包括以下環(huán)節(jié)：鉆研模型，即觀察研究生物學(xué)原型；模型假設(shè)，提出合理假設(shè)，去除原型內(nèi)部非本質(zhì)、次要的因素，探索原型內(nèi)部的本質(zhì)聯(lián)系；構(gòu)建生物學(xué)模型；對模型進(jìn)行檢驗和修正。

例如，在探究生物膜中磷脂、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)分布時，教師引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)史上的探究過程：羅伯特森根據(jù)電鏡實驗中觀察到的“暗-亮-暗”現(xiàn)象，結(jié)合“脂質(zhì)折光性較強(qiáng)，在電鏡下觀察較亮；蛋白質(zhì)折光性較弱，在電鏡下觀察顯得較暗”這一知識原理，提出“生物膜是由蛋白質(zhì)—脂質(zhì)—蛋白質(zhì)構(gòu)成的對稱靜態(tài)結(jié)構(gòu)”的假設(shè)，并利用物理模型對細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步構(gòu)建。但其他科學(xué)家通過“綠色熒光蛋白的淬滅和修復(fù)”實驗以及“生物膜中的膜蛋白有的很容易分離，有的則很難”的實驗現(xiàn)象，否定了假設(shè)中的細(xì)胞膜“靜態(tài)”和“對稱分布”，并通過冰凍蝕刻電鏡技術(shù)對細(xì)胞膜進(jìn)行了解剖觀察，從而對膜的三層靜態(tài)對稱物理模型進(jìn)行了修正，最終構(gòu)建出了“膜的流動鑲嵌”模型。學(xué)生在模型建構(gòu)過程中，能初步掌握科學(xué)探究的一般方法，有效提升探究能力和科學(xué)思維。

2.2 建構(gòu)過程要整合教學(xué)策略

開展模型建構(gòu)活動時，教師應(yīng)充分利用生物學(xué)事實和現(xiàn)象，創(chuàng)設(shè)合理的教學(xué)情境，激發(fā)學(xué)生探究熱情。在模型修正完善環(huán)節(jié)，教師可以設(shè)計問題串，補(bǔ)充科學(xué)事實和證據(jù)，以進(jìn)行整合優(yōu)化。對于一節(jié)內(nèi)容的核心概念，教師可以運(yùn)用概念圖策略將概念以及概念之間的意義關(guān)系進(jìn)行重組和優(yōu)化，促進(jìn)知識的體系化構(gòu)建。

例如，在探究生態(tài)系統(tǒng)生物成分類型時，教師可先播放一段森林生態(tài)系統(tǒng)的視頻，并將視頻中出現(xiàn)的幾種典型生物列舉出來，請學(xué)生根據(jù)生物獲取營養(yǎng)方式的差異對出現(xiàn)的生物種群進(jìn)行分類，并講述分類的依據(jù)。學(xué)生在嘗試分類和闡述理由時，很容易通過生產(chǎn)者、消費(fèi)者、分解者的營養(yǎng)特點歸納出各自的代謝本質(zhì)，從而從本質(zhì)上掌握了各生物成分的分類依據(jù)，最終構(gòu)建出了生態(tài)系統(tǒng)生物成分的概念模型。在課堂設(shè)計時，教師如果能將教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)、問題設(shè)置、類比推理等教學(xué)策略與模型建構(gòu)過程進(jìn)行整合優(yōu)化，將對學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)提升大有益處。

2.3 建構(gòu)方式要接軌科技發(fā)展。

在構(gòu)建物理模型時，教師不要在拘泥于塑料、橡皮泥等簡單的手工制作，可以關(guān)注并運(yùn)用一些新興的科學(xué)技術(shù)制作物理模型，如3D打印技術(shù)和虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)。在構(gòu)建數(shù)學(xué)模型時，可以借助于數(shù)碼傳感技術(shù)獲取實驗數(shù)據(jù)，讓定量分析更精準(zhǔn)、更有說服力。例如，在“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗中，可以利用氧氣傳感器實時監(jiān)測氧氣的釋放速率，更加直觀呈現(xiàn)因變量。這樣的模型更能直觀模擬生命現(xiàn)象，解釋生命規(guī)律，揭示生命奧秘。

總之，模型建構(gòu)方法是把研究對象（原型）的一些次要的細(xì)節(jié)、非本質(zhì)的聯(lián)系舍去，以簡化和特征化的形式再現(xiàn)原型的各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)、功能和聯(lián)系的一種科學(xué)研究方法，因而能夠更加簡明扼要地突出原型的本質(zhì)特征。模型建構(gòu)在生物學(xué)教學(xué)中具獨特作用，特別是對學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展有重要作用。在教學(xué)實踐中，教師如果在模型構(gòu)建過程中一味地機(jī)械墨守，可能會錯失很多“美妙”之景。課程標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)的不斷提升要求教師關(guān)注細(xì)節(jié)處理，敢于創(chuàng)新，不斷優(yōu)化，師生方能共享模型構(gòu)建的美妙！