建構(gòu)模型發(fā)展思維

摘 要：文章深入研究“細(xì)胞器之間的分工合作第二課時”這節(jié)內(nèi)容，通過分析教材和學(xué)情，整合與補(bǔ)充此教材內(nèi)容與素材等，運用多種模型來探討高中生物使用建模教法發(fā)展學(xué)生思維之策略。

關(guān)鍵詞：建構(gòu)模型;科學(xué)思維

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）認(rèn)為“建模思維和建模能力是學(xué)生必備的科學(xué)素質(zhì)，進(jìn)行模擬實驗和模型構(gòu)建在科學(xué)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用”[1]，共17處出現(xiàn)“模型”一詞，因而建模在中學(xué)生物教學(xué)有著特殊意義。思維建模是教師創(chuàng)設(shè)建構(gòu)主義課堂的重要思想方法，教師通過設(shè)計合適的建?；顒?，學(xué)生自主建構(gòu)模型，并基于模型進(jìn)行推理，既發(fā)展學(xué)生的邏輯推理能力，亦能鍛煉他們科學(xué)思維與創(chuàng)新能力。本文以“細(xì)胞器之間的分工合作第二課時”為例，理解建模教學(xué)在生物課堂中的應(yīng)用價值。

一、分析教材，確定建模內(nèi)容

本節(jié)課為高中必修1《分子與細(xì)胞》（人教版）第3章第2節(jié)，課程標(biāo)準(zhǔn)要求：闡明細(xì)胞內(nèi)具有多個相互獨立的結(jié)構(gòu)，擔(dān)負(fù)著物質(zhì)運輸、合成與分解、能量轉(zhuǎn)換和信息傳遞等生命活動[1]。本節(jié)包括“細(xì)胞器之間的協(xié)調(diào)配合”“細(xì)胞的生物膜系統(tǒng)”，為學(xué)生認(rèn)識細(xì)胞整體結(jié)構(gòu)之內(nèi)容，在本章中占有重要地位。本節(jié)課是第二課時，主要內(nèi)容是分泌蛋白的合成和運輸，可理解細(xì)胞之生物膜系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)與功能是互相聯(lián)系。經(jīng)研究，可確定與建模有關(guān)教學(xué)目標(biāo)為：

（一）形成生命觀念：通過學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容理解細(xì)胞器之間既有分工又協(xié)調(diào)配合，進(jìn)而認(rèn)識到生物膜是一個整體，理解生物體的結(jié)構(gòu)與功能是相適應(yīng)的，從而落實“結(jié)構(gòu)與功能觀”這一生命觀念。

（二）發(fā)展科學(xué)思維和科學(xué)探究：經(jīng)學(xué)習(xí)同位素標(biāo)記法與放射自顯影技術(shù)實施于分泌蛋白合成，學(xué)會構(gòu)建思維模型并且能夠推理得出分泌蛋白合成所需要的細(xì)胞器結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)科學(xué)實驗探究能力;通過團(tuán)結(jié)協(xié)作學(xué)習(xí)，構(gòu)建分泌蛋白合成與分泌過程的物理模型、概念模型、各種膜面積變化的數(shù)學(xué)模型，發(fā)展科學(xué)思維。

（三）培養(yǎng)社會責(zé)任：通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)認(rèn)識到細(xì)胞器之間是協(xié)調(diào)配合才能高效運作，理解同學(xué)之間也是需要合作才能更好地解決問題;通過分析人工生物膜在醫(yī)學(xué)、生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用，分析其原理和研究意義，培養(yǎng)社會責(zé)任感。

通過多種模型建構(gòu)，突破兩大教學(xué)重難點，基本達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

二、分析學(xué)情，培養(yǎng)建模意識

建構(gòu)主義理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)是接受新信息，并使之與已有的原信息相融合，建構(gòu)新的知識、形成新的概念的活動。進(jìn)行教學(xué)設(shè)計時，分析學(xué)生已有的生活經(jīng)驗、知識儲備與能力水平等，課前充分了解學(xué)生的真正需求、能力水平和認(rèn)知傾向，做到因?qū)W定教，開展課堂教學(xué)活動，才能有效達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

學(xué)生在初中階段已對葉綠體和線粒體等部分細(xì)胞器有了初步的認(rèn)識，但是初二完成小中考后學(xué)生遺忘率較高，且對細(xì)胞器的種類和名稱認(rèn)識不全。本節(jié)的第一課時主要是借助希沃課件直觀認(rèn)識各種細(xì)胞器的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能。由于課堂時間有限，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生利用課外與假期，小組討論選擇合適的材料按照一定比例構(gòu)建各種細(xì)胞器的物理模型。學(xué)生構(gòu)建的是一個一個獨立的細(xì)胞器，因此可能會認(rèn)為各個細(xì)胞器是相互獨立，無任何聯(lián)系的。我們應(yīng)要求學(xué)生帶著自制物理模型進(jìn)入第二課時進(jìn)行學(xué)習(xí)，經(jīng)第二課時學(xué)習(xí)分泌蛋白之合成與運輸進(jìn)一步理解各個細(xì)胞器之間存在協(xié)調(diào)配合，進(jìn)而理解細(xì)胞的生物膜系統(tǒng)。課后模型的建構(gòu)既讓學(xué)生及時小結(jié)本節(jié)知識，又為第二課時的課堂教學(xué)提供模型，提高教學(xué)效率。

三、實施教學(xué)，構(gòu)建模型

高中生物的學(xué)習(xí)中，學(xué)生對生物學(xué)知識的總體感覺就是零散、雜亂，學(xué)了新知識，忘了舊知識，在新授課和復(fù)習(xí)課中都非常頭疼，尤其是復(fù)習(xí)課教師和學(xué)生四目相對，一問三不知，常常無語。模型方法不僅可以調(diào)動學(xué)生積極性，還能及時解決和掌握各重難點的知識，指導(dǎo)他們在階段復(fù)習(xí)時構(gòu)建模型形成體系，有效地開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造潛能。

（一）創(chuàng)設(shè)情境，構(gòu)建思維模型

關(guān)于利用豚鼠胰腺腺泡細(xì)胞，用3H標(biāo)記的亮氨酸進(jìn)行實驗研究的有關(guān)內(nèi)容教材介紹比較少，而且整個實驗過程非常抽象，學(xué)生很難理解。如果能把整個實驗過程完整呈現(xiàn)，那么更易學(xué)生理解吸收，從而促進(jìn)他們發(fā)展科學(xué)思維與探究能力。教師可向?qū)W生展示資料：現(xiàn)代細(xì)胞學(xué)之父帕拉德及其同事曾利用豚鼠胰腺腺泡細(xì)胞，用3H標(biāo)記的亮氨酸進(jìn)行實驗研究，證實了分泌蛋白的合成、運輸及分泌途徑，由此獲得諾貝爾獎[2]。然后分組討論：1.科學(xué)家為什么選擇豚鼠胰腺腺泡細(xì)胞作實驗材料？2.科學(xué)家主要采用的研究方法是什么？3.該探究實驗的大致流程如何進(jìn)行？要解決第2題，教師可在學(xué)案中補(bǔ)充放射自顯影技術(shù)的資料。學(xué)生閱讀一段專業(yè)術(shù)語較多的資料，常常感覺這么復(fù)雜而表現(xiàn)出不耐煩。這時教師利用課件展示同位素標(biāo)記法的具體流程圖（圖1），此圖一目了然，順勢引導(dǎo)他們用模型來理清知識重難點。

討論題3的難度比較大，在學(xué)生思考交流的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)，師生共同構(gòu)建出該實驗探究流程的思維模型：

①選擇同位素3H標(biāo)記的。

②將實驗細(xì)胞放入培養(yǎng)液中培養(yǎng)。

③隨后將細(xì)胞轉(zhuǎn)入不含3H-亮氨酸的培養(yǎng)液中繼續(xù)培養(yǎng)。

④不同的時間、多次取樣，制備組織切片利用技術(shù)追蹤。

（二）角色扮演，構(gòu)建物理模型

在構(gòu)建實驗探究的思維模型后，教師拋出以下問題串： 1.分泌蛋白是在哪里合成？2.分泌蛋白從合成至分泌到細(xì)胞外，經(jīng)過了哪些細(xì)胞器或細(xì)胞結(jié)構(gòu)？各起什么作用？3.分泌蛋白合成和分泌的過程中需要能量嗎？能量由哪里提供？學(xué)生通過閱讀教材內(nèi)容和分析實驗結(jié)果曲線圖，雖比較容易得出答案，但對學(xué)生而言還是抽象難懂，并未真正理解。因此，我們可讓其代表上臺將上節(jié)課后制作之細(xì)胞器模型進(jìn)行展示，可分小組對此模型開展扮演活動，模擬分泌蛋白的合成和運輸過程。通過角色扮演活動，把枯燥無味又抽象的圖文內(nèi)容直觀具體化、形象化，使他們在愉快輕松課堂之中獲取知識，亦鍛煉他們創(chuàng)新與團(tuán)隊協(xié)作能力。

（三）合作交流，建構(gòu)概念模型

每屆學(xué)生學(xué)完本節(jié)內(nèi)容后，在不久的測試中經(jīng)常把細(xì)胞器漏填或答錯，而且都是隨意填寫，沒有按照合成和分泌的過程來回答。歸根結(jié)底在于新課教學(xué)后大部分學(xué)生只記得一段一段零散模糊的碎片、一個一個游離的知識點，沒有教師的適時引導(dǎo)，我們學(xué)生基本不會整理周小結(jié)和階段小結(jié)，所以對生物學(xué)知識無法形成長久記憶。我們可引導(dǎo)他們完成概念模型之構(gòu)建，學(xué)生就會發(fā)現(xiàn)原來的知識變得富有條理、系統(tǒng)全面，記憶更加深刻，慢慢地學(xué)生就會對構(gòu)建概念模型產(chǎn)生興趣，養(yǎng)成主動建模的意識和學(xué)習(xí)習(xí)慣。本節(jié)授課中，教師先借助希沃白板展示圖片、演示動畫，刺激學(xué)生感官，增強(qiáng)直觀性，再布置任務(wù)：各小組協(xié)作構(gòu)建“分泌蛋白的合成和分泌過程”的概念模型，圖中要含有細(xì)胞器的名稱、作用和產(chǎn)物。學(xué)生分組構(gòu)建模型，教師巡視選出典型作品通過手機(jī)希沃白板拍照技術(shù)上傳現(xiàn)場展示，學(xué)生代表匯報模型，生生互評，相互學(xué)習(xí)和借鑒，教師用紅色批注補(bǔ)充完善概念模型（圖2）。

（四）拓展提升，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

新課標(biāo)指導(dǎo)中指出要將客觀生物學(xué)現(xiàn)象和概念翻譯成用數(shù)學(xué)符號以及方程式來建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，并能領(lǐng)悟數(shù)學(xué)模型建立的科學(xué)方法。在現(xiàn)今高中的生物學(xué)教學(xué)中，選擇合適的教材內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，促進(jìn)他們對知識吸收，以及應(yīng)用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行邏輯推理和運算，很大程度上提高他們解決真實情境中遇到生物學(xué)問題之水平。

此節(jié)在學(xué)生完成構(gòu)建物理與概念模型層層遞進(jìn)之上，進(jìn)行拓展提升，通過構(gòu)建膜面積變化的多種數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步發(fā)散思維，呈現(xiàn)“一點多變”。例題：圖3是研究分泌蛋白合成與運輸過程的數(shù)學(xué)模型，據(jù)圖分析寫出a、b、c、d、e、f、g、h、i分別屬于哪一種類型的膜。

通過分析曲線圖和柱形圖等數(shù)學(xué)模型，有助于學(xué)生理解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、高爾基體膜和細(xì)胞膜在結(jié)構(gòu)上具有間接聯(lián)系，即膜之間通過囊泡進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化。然后借助希沃白板拖動圖片直觀觀察生物膜系統(tǒng)之間的直接聯(lián)系和間接聯(lián)系，最后引出生物膜系統(tǒng)的概念，并完善概念模型（圖4）。

四、思維建模教學(xué)實踐的思考

經(jīng)新教材必修1和必修2有關(guān)內(nèi)容之課堂建模學(xué)習(xí)嘗試，筆者發(fā)現(xiàn)，建模有著廣闊的實踐摸索空間。還需關(guān)注如下幾個關(guān)鍵點：

（一）教學(xué)前端的學(xué)情分析。學(xué)生剛進(jìn)入高一，初步接觸建模內(nèi)容，因此教師應(yīng)注意把握由易到難的構(gòu)建原則。例如：第一次介紹概念模型時，先讓學(xué)生填空補(bǔ)充概念模型，幾次訓(xùn)練后，學(xué)生逐漸有了建模意識后再增大難度，讓學(xué)生小組討論建模，相互交流不斷改正。當(dāng)大部分學(xué)生都掌握時方可設(shè)計自主建模，有些學(xué)生能構(gòu)建一個相對復(fù)雜系統(tǒng)的概念模型，甚至比參考書更完整。

（二）合理選擇建模內(nèi)容。新教材必修1和必修2適合建模的內(nèi)容比較多，也不是所有知識點皆應(yīng)建模，有些亦不適合建模，只有對教材進(jìn)行深度學(xué)習(xí)研討，最好發(fā)揮生物組全體教師的力量，梳理出一套建模內(nèi)容。模型能夠推廣應(yīng)用，除了能解決類似問題，亦讓他們深刻體會到生物與實際生活之關(guān)聯(lián)性和學(xué)科知識價值之所在。

（三）教學(xué)過程中提供支架。為了降低學(xué)生在構(gòu)建模型中的難度，我們應(yīng)運用問題驅(qū)動之思路或利用導(dǎo)學(xué)案、圖片和動畫直接提供素材等方式幫助學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)，特別是設(shè)計學(xué)生自主建構(gòu)模型的環(huán)節(jié)，將一些隱性的重要信息提問外顯化，亦能促進(jìn)他們科學(xué)思維的發(fā)展。

（四）課后及時批閱學(xué)生構(gòu)建的模型。由于課堂時間的限制，教師可安排部分模型課后自主完成。但教師一定要及時批閱學(xué)生的模型并反饋給學(xué)生。由此不僅能找出自己在教學(xué)期間之疏忽，還能發(fā)現(xiàn)學(xué)生沒有掌握和易錯易混的知識點，及時幫助學(xué)生進(jìn)行補(bǔ)缺補(bǔ)漏和加以修正，并給予肯定或鼓勵性評價，促進(jìn)學(xué)生自信心提升，推動教與學(xué)發(fā)展。

總而言之，高中生物建模實施期間，要求教師重視課堂教學(xué)，精心準(zhǔn)備、耐心打磨，堅持培養(yǎng)學(xué)生的建模意識，合理設(shè)計模型構(gòu)建，從學(xué)生興趣的引發(fā)、學(xué)習(xí)方法的積累、動手建模的訓(xùn)練等，以及到培養(yǎng)邏輯推理與處理問題能力，將模型構(gòu)建與生物教學(xué)有機(jī)結(jié)合，從各個方面落實提升生物學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：實驗[S].北京：人民教育出版社，2017.

[2]王江麗.細(xì)胞器：系統(tǒng)內(nèi)的分工合作[J].生物學(xué)教學(xué)，2020（6）.

作者簡介：孫玉惠（1981—），女，漢族，福建福安人，大學(xué)本科，福建省寧德市民族中學(xué)高級生物教師。研究方向：中學(xué)生物教學(xué)與研究。