基于模型與建模法發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維

許云洲

摘 要：通過(guò)DNA分子結(jié)構(gòu)及能量流動(dòng)分析模型在高三生物復(fù)習(xí)課中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)模型和建模不僅能有效幫助學(xué)生突破學(xué)習(xí)難點(diǎn)，提高復(fù)習(xí)效率;同時(shí)還發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維，有利于提高學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：模型;科學(xué)思維;核心素養(yǎng)

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》指出生物學(xué)課程的設(shè)計(jì)宗旨要發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。生物學(xué)核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任四個(gè)方面，其中科學(xué)思維包括運(yùn)用模型與建模等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)議題?？梢?jiàn)，模型與建模在高中生物學(xué)教學(xué)中具有其獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。在高三生物復(fù)習(xí)課中，教師如果可以正確使用該方法，不僅可以幫助學(xué)生提高復(fù)習(xí)效率，還能發(fā)展其科學(xué)思維，提升其生物學(xué)核心素養(yǎng)。

模型，按照人教版生物必修1教材中的定義是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對(duì)認(rèn)識(shí)對(duì)象所做的一種簡(jiǎn)化描述，這種描述可以是定性的，也可以是定量的;有的借助于具體的實(shí)物或其他形象化手段，有的則通過(guò)抽象的形式來(lái)表達(dá)。而建模，則是根據(jù)研究的任務(wù)或目的，抽象出被研究對(duì)象的本質(zhì)特征。模型建構(gòu)過(guò)程其實(shí)是一個(gè)知行統(tǒng)一的過(guò)程，需要將已知的知識(shí)，通過(guò)一定的科學(xué)方法，建立新的模型并檢驗(yàn)之。因此，模型建構(gòu)對(duì)于提高學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)是大有益處的。

然而，筆者在高三生物復(fù)習(xí)教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)于模型和建模這一方法雖有了解，但在上生物新課時(shí)由于多種原因而未能真正理解物理模型或概念模型。正因?yàn)槿绱?，筆者在施教的兩個(gè)高三班級(jí)開展了這一方法的教學(xué)實(shí)踐與應(yīng)用，取得了理想的課堂復(fù)習(xí)教學(xué)效果。

一、建構(gòu)DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，有效克服認(rèn)知障礙，提升復(fù)習(xí)效率

首先，教師分發(fā)彩色硬性卡紙、剪刀和訂書釘給學(xué)生。然后，要求前后四個(gè)學(xué)生為一組分工合作，使用剪刀和訂書機(jī)在15分鐘內(nèi)按各自大腦中已有的DNA相關(guān)知識(shí)完成一個(gè)DNA分子的平面結(jié)構(gòu)模型拼接。最后，教師利用智能手機(jī)及實(shí)時(shí)投屏將小組的DNA結(jié)構(gòu)模型投影到黑板的大屏幕上，并邀請(qǐng)學(xué)生代表解釋各自模型的含義。

通過(guò)小組合作構(gòu)建DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，學(xué)生能快速回憶起DNA分子的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并通過(guò)相互交流及時(shí)糾正各自知識(shí)認(rèn)知上的錯(cuò)誤。例如，有些小組學(xué)生剪出了圓形代表磷酸，五邊形代表戊糖—脫氧核糖，長(zhǎng)方形代表含氮堿基;而有的小組的學(xué)生則剪出了六邊形和雙環(huán)結(jié)構(gòu)來(lái)分別代表嘧啶和嘌呤。有些小組的模型中兩條雙鏈清晰地展現(xiàn)了反向平行的特點(diǎn)，這些不同之處，在實(shí)時(shí)展示過(guò)程中，教師再進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，從而可以使得學(xué)生加深對(duì)DNA分子化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的理解，從而提高了復(fù)習(xí)效率。

學(xué)生通過(guò)分工合作拼接模型，不僅高效復(fù)習(xí)了課本知識(shí)，還培養(yǎng)了實(shí)踐能力、交流能力和合作能力。在反思交流中，學(xué)生能相互學(xué)習(xí)，潛移默化地養(yǎng)成了運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問(wèn)題的思維習(xí)慣和能力，發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維，提升了生物學(xué)核心素養(yǎng)。

二、建構(gòu)能量流動(dòng)分析模型，有效厘清能量流動(dòng)方向，強(qiáng)化復(fù)習(xí)效果

首先，構(gòu)建第一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量來(lái)源和去路。學(xué)生知道第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)——生產(chǎn)者，常通過(guò)光合作用來(lái)固定太陽(yáng)能。故教師要求每個(gè)學(xué)生在2min內(nèi)利用A4紙和剪刀，剪出一個(gè)10cm×10cm見(jiàn)方的紙片，然后提問(wèn)該部分和剩余部分分別代表什么。學(xué)生能根據(jù)面積大小說(shuō)出見(jiàn)方紙片代表生產(chǎn)者固定的太陽(yáng)能，另一部分代表未固定的能量。教師補(bǔ)充植物僅能利用1%～2%的太陽(yáng)能，然后請(qǐng)學(xué)生討論、思考如何剪開10cm×10cm見(jiàn)方的紙片？此問(wèn)可幫助學(xué)生厘清第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量去路：用于自身呼吸消耗的能量（R）和用于自身生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖的能量（NP）。即10cm×10cm見(jiàn)方紙張可以先剪成大小不等的兩部分，可標(biāo)上“呼吸消耗量”和“凈初級(jí)生產(chǎn)量”。

有學(xué)生提出流向下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)和流向分解者，師生共同分析：代表用于生長(zhǎng)發(fā)育繁殖的那部分紙片才能再剪出三部分：流向下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)、流向分解者和未利用。教師再進(jìn)一步提問(wèn)：未利用的這一小片紙最終會(huì)怎樣？學(xué)生思考后得出最終會(huì)流向分解者和下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)。

其次，構(gòu)建第二個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量來(lái)源和去路。有了第一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的紙片模型，第二個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的分析學(xué)生便有跡可循。教師巡視并及時(shí)利用手機(jī)拍攝學(xué)生的裁剪情況。再利用投屏將學(xué)生成果進(jìn)行展示并請(qǐng)學(xué)生相互評(píng)價(jià)。教師應(yīng)該加以強(qiáng)調(diào)該營(yíng)養(yǎng)級(jí)的攝入量和糞便量，以區(qū)別于生產(chǎn)者營(yíng)養(yǎng)級(jí)。另外需要注意提醒學(xué)生次級(jí)生產(chǎn)量的辨析。

最后，構(gòu)建最高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量來(lái)源和去路。該營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量來(lái)源與第二個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)相同，但能量去路卻少了流向下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)。紙片大小根據(jù)十分之一法則，只有1cm×1cm，故處理要格外謹(jǐn)慎。

簡(jiǎn)單易操作的紙片模型，能直觀地將能量流動(dòng)的來(lái)源去路表現(xiàn)出來(lái)。學(xué)生也能清晰地掌握每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量的來(lái)龍去脈，同時(shí)通過(guò)實(shí)物紙片大小，學(xué)生真真切切感受到能量流動(dòng)“逐級(jí)遞減”的特點(diǎn)，并深刻理解營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間能量傳遞效率為10%～20%的原因。

高三復(fù)習(xí)課，如果教師一味地利用講授法，教學(xué)效率和質(zhì)量都會(huì)大打折扣。若能結(jié)合教學(xué)實(shí)際，利用自制模型或者和學(xué)生一起建構(gòu)模型，不僅能提高學(xué)生課堂的參與度，促進(jìn)學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)向主動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，從而提高復(fù)習(xí)效率;而且學(xué)生能在復(fù)習(xí)中主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)，并能夠基于生物學(xué)事實(shí)運(yùn)用模型和建模方法，發(fā)展科學(xué)思維，提升生物學(xué)核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

楚昕穎.構(gòu)建模型深化教學(xué)[J].中學(xué)教學(xué)參考，2018（8）：83-84.

編輯 杜元元