在建模教學(xué)中落實生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

李子音 謝群

摘要 分別從建模教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)活動、教學(xué)評價三個方面探討了建模教學(xué)中生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實。

關(guān)鍵詞：生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，高中生物學(xué)，建模

中圖分類號G633.91文獻標(biāo)志碼 B

諾貝爾獎獲得者勞厄說過：“重要的不是獲得知識，而是發(fā)展思維能力。教育無非是一切己學(xué)過的東西都遺忘掉的時候，所剩下來的東西?！苯逃慕K極追求并不僅僅是知識，還在于學(xué)習(xí)過程中積淀下來的東西，即人的核心素養(yǎng)。在新一輪高中生物學(xué)課程改革中，核心素養(yǎng)成為改革的“靈魂”。如何把生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)落實到課堂教學(xué)中，實現(xiàn)課堂教學(xué)轉(zhuǎn)型，已經(jīng)成為高中生物學(xué)教師必須思考的課題。

模型與建模思維是生物學(xué)核心素養(yǎng)重要要素之一。因為，學(xué)生在模型建構(gòu)過程中往往需要進行觀察或?qū)嶒?、歸納和演繹，需要運用已有知識進行假設(shè)、模擬，將復(fù)雜的事物進行簡化，抽象出其本質(zhì)屬性。在模型建構(gòu)結(jié)束后，需要針對實際問題進行反饋性批判，還需要質(zhì)疑和創(chuàng)新等要素的參與。因此，高中生物建模教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑。

1基于學(xué)科核心素養(yǎng)的建模教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)內(nèi)容是學(xué)生在一堂課中要學(xué)習(xí)的課程內(nèi)容，也是學(xué)生達成學(xué)習(xí)目標(biāo)的載體。學(xué)生通過對教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，可以達成教學(xué)目標(biāo)。每一節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)，綜合為生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中給出了“生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性”的教學(xué)目標(biāo)案例，具體內(nèi)容如下：

目標(biāo)1：通過對案例的分析討論，能用物質(zhì)能量的輸入和輸出平衡觀點，認識具體生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

目標(biāo)2：通過對生態(tài)系統(tǒng)各種成分功能和營養(yǎng)結(jié)構(gòu)關(guān)系的討論，以及運用反饋調(diào)節(jié)的原理，能初步判斷不同生態(tài)系統(tǒng)維持其穩(wěn)定性的相對能力。

目標(biāo)3：能夠根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)各種成分、結(jié)構(gòu)以及數(shù)量關(guān)系構(gòu)建穩(wěn)定性生態(tài)系統(tǒng)模型，并制作簡易生態(tài)瓶。

目標(biāo)4：能夠為常見生態(tài)系統(tǒng)的合理利用和維持可持續(xù)發(fā)展提出有價值的建議。

案例中的教學(xué)目標(biāo)是依據(jù)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)、學(xué)業(yè)要求和學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制定的。目標(biāo)1～4分別指向生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任。這四個目標(biāo)之間相互有交叉，每個目標(biāo)中可能還含有對其他素養(yǎng)的要求。這表明任何一個教學(xué)內(nèi)容都包含核心素養(yǎng)的四個要素。但是，不同的教學(xué)內(nèi)容對核心素養(yǎng)的不同要素的要求是有側(cè)重的，并不是每一個教學(xué)內(nèi)容都必須幫助學(xué)生全面養(yǎng)成核心素養(yǎng)四個要素的。對于模型建構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，對學(xué)生核心素養(yǎng)多個要素的發(fā)展都有幫助，但主要是對科學(xué)思維和生命觀念核心素養(yǎng)的發(fā)展更有幫助。核心素養(yǎng)幾個要素的協(xié)調(diào)發(fā)展是制訂教學(xué)目標(biāo)的出發(fā)點和課堂教學(xué)活動實施的落腳點。

2 基于學(xué)科核心素養(yǎng)的建模教學(xué)活動

2.1 基于學(xué)科核心素養(yǎng)的物理建模教學(xué)

構(gòu)建物理模型就是基于生物學(xué)對象的特征，將抽象的生物知識以實物或圖畫等直觀具體的形式展現(xiàn)出來，促進對生物學(xué)本質(zhì)的理解。例如，開展“生物膜的流動鑲嵌模型”這一教學(xué)內(nèi)容時，先將微觀的結(jié)構(gòu)簡化，把握其主要特征，再將這些特征形象化、具體化重現(xiàn)是該活動的思維要點。所重現(xiàn)的重要結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確，能體現(xiàn)有關(guān)結(jié)構(gòu)的主要特點，所模擬的過程符合己知科學(xué)事實，所建立的模型實物既簡單又準(zhǔn)確科學(xué)是該教學(xué)活動的關(guān)鍵。

在教學(xué)過程中，教師先播放白細胞吞噬病菌的動畫，使學(xué)生直觀地認識到生物膜具有流動性，幫助學(xué)生理解生物膜特點，進而使學(xué)生逐漸形成生命觀念中的結(jié)構(gòu)與功能觀。接著，可以給學(xué)生分發(fā)相關(guān)材料，讓學(xué)生制作模型并展示、交流與評價，使學(xué)生能夠基于生物學(xué)事實分析生物膜的流動鑲嵌模型，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維，樹立創(chuàng)新意識與創(chuàng)新精神。學(xué)生通過“羅伯特森的電鏡實驗”與“Larry Frye等進行的人鼠細胞融合實驗”等科學(xué)史的學(xué)習(xí)，意識到要理性分析解釋科學(xué)現(xiàn)象，養(yǎng)成勇敢質(zhì)疑的科學(xué)精神，形成投身科學(xué)、積極探索生命奧秘的社會責(zé)任與擔(dān)當(dāng)。

2.2 基于核心素養(yǎng)的數(shù)學(xué)建模教學(xué)

在高中生物教學(xué)過程中，教師可以結(jié)合具體教學(xué)內(nèi)容引入數(shù)學(xué)思維，以生物學(xué)科知識為主，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)建模思維，幫助其更高效地掌握生物學(xué)科知識。例如，針對“建立種群增長的數(shù)學(xué)模型”這一教學(xué)內(nèi)容，從具體案例中推演出建構(gòu)數(shù)學(xué)模型的基本規(guī)律是該教學(xué)活動的關(guān)鍵，根據(jù)具體情景抽象出數(shù)學(xué)規(guī)律，并用公式或圖表的形式表達是該活動的思維要點。

教師可以用瀕危動物華南虎數(shù)量驟減這一實例導(dǎo)入，引發(fā)學(xué)生對種群數(shù)量變化的關(guān)注，進而引導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)學(xué)方法揭示生命現(xiàn)象的規(guī)律。教師借助生活實例、數(shù)學(xué)模型建構(gòu)、小組探究等教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生學(xué)會建立數(shù)學(xué)模型，讓學(xué)生理解生態(tài)系統(tǒng)通過自我調(diào)節(jié)保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，進而形成穩(wěn)態(tài)與平衡的生命觀念。并借助探討“J”型曲線、“S”型增長曲線之間陰影面積的生物學(xué)意義，提高學(xué)生探究能力，促進學(xué)生用學(xué)到的知識解釋相關(guān)社會問題，增強學(xué)生的社會責(zé)任感，從而達到培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的目的。

2.3 基于核心素養(yǎng)的概念建模教學(xué)

構(gòu)建概念模型時.教師可以引導(dǎo)學(xué)生基于生物學(xué)現(xiàn)象挖掘出其內(nèi)在本質(zhì)，并用概念的形式將這些關(guān)系加以表述。例如，在學(xué)習(xí)“建立血糖調(diào)節(jié)的模型”時容，教師先將難以直接觀察到的過程形象化，再在此基礎(chǔ)上抽象出該過程的關(guān)鍵特點是該活動的思維要點。模擬過程簡明扼要，分析抽象出調(diào)節(jié)過程的規(guī)律，即獲得概念模型的過程是該教學(xué)活動的關(guān)鍵.

該教學(xué)內(nèi)容可以小組合作的形式開展，每位學(xué)生都有明確的學(xué)習(xí)任務(wù)，從而提高學(xué)生的探究能力。教師可引導(dǎo)學(xué)生小組合作構(gòu)建血糖調(diào)節(jié)的過程，并歸納總結(jié)出馬拉松運動員運動時血糖調(diào)節(jié)模式圖。教師要及時捕捉，并挑選學(xué)生在探究過程中產(chǎn)生的新的核心問題在課堂上解答。學(xué)生構(gòu)建完概念模型后，教師可以借助黑板、多媒體、圖片、道具等方式讓學(xué)生進行多樣化的交流展示。學(xué)生回顧血糖調(diào)節(jié)的過程，掌握本節(jié)課的核心概念——反饋調(diào)節(jié)并且能類比推理體內(nèi)其他激素調(diào)節(jié)過程，從而促進結(jié)構(gòu)與功能、穩(wěn)態(tài)與平衡的生命觀念形成，并發(fā)展演繹與推理、批判性思維。最后，學(xué)生嘗試舉例說明生活中反饋調(diào)節(jié)的實例，在了解預(yù)防日常疾病知識的過程中，形成健康生活、關(guān)愛生命理念，發(fā)展社會責(zé)任素養(yǎng)。

3 基于核心素養(yǎng)的建模教學(xué)評價

在完整的教學(xué)體系中，教學(xué)評價是一個重要的組成部分。新課改背景下，教師要將學(xué)生核心素養(yǎng)的形成放在首位，而非單純片面的強調(diào)知識的掌握情況。關(guān)于模型和建模，Justi和Gilbert提出了科學(xué)教育的三個主要目標(biāo)：①學(xué)習(xí)主要的科學(xué)模型;②了解模型和建模的性質(zhì);③學(xué)習(xí)使用模型。教師要多關(guān)注學(xué)生對模型的理解和學(xué)生建模能力的評估，應(yīng)該增加模型的生成、評估和修改之間的系統(tǒng)循環(huán)，而不是只流于學(xué)生表面的動手操作，以此促進學(xué)生對生物模型和建模的更復(fù)雜的理解，從而促進學(xué)生對生物學(xué)本質(zhì)的更深入的理解。

此外，加拿大學(xué)者Saari和Viiri發(fā)現(xiàn)，接受了一系列建模指導(dǎo)的七年級學(xué)生對模型的概念比沒有接受任何模型指導(dǎo)的九年級實驗組學(xué)生更加先進。因此，在建?；顒忧?，教師應(yīng)講授模型的建構(gòu)方法，引導(dǎo)學(xué)生主動建構(gòu)模型。在學(xué)生建模活動過程中，教師要積極關(guān)注學(xué)生的課堂表現(xiàn)，仔細觀察學(xué)生對模型的的構(gòu)建、使用、修改和評價情況，對學(xué)生做得不好的地方進行啟發(fā)、點撥，對做得好的學(xué)生給予表揚、鼓勵。模型完成后，教師還要引導(dǎo)學(xué)生回顧建模過程，鼓勵學(xué)生對模型持懷疑批判態(tài)度，找出存在的問題并進行查漏補缺。學(xué)生通過教師的評價指導(dǎo)有針對性地對模型進行優(yōu)化改進，積極探究、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，體驗建立模型的思維過程，發(fā)展科學(xué)思維，形成生命觀念。

模型建構(gòu)能夠讓學(xué)生親歷從現(xiàn)象到本質(zhì)的過程，學(xué)生既可以獲得基礎(chǔ)的生物學(xué)知識，又能領(lǐng)悟生物學(xué)家在研究過程中所持有的觀點以及解決問題的思路和方法。在某種意義上，理解模型和進行模型建構(gòu)活動是學(xué)生理解生物學(xué)的一把鑰匙。教師真正要做的就是讓學(xué)生使用好這把鑰匙，以此促進生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成，真正發(fā)揮生物學(xué)教學(xué)對發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的作用。