新課程背景下學(xué)生模型建構(gòu)能力的進階式培養(yǎng)

一、課題提出的背景

《普通高中生物學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》中對學(xué)科核心素養(yǎng)有如下描述：學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確的價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任。根據(jù)課程標準的要求，教師在生物學(xué)學(xué)科的教學(xué)過程中應(yīng)時刻關(guān)注學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。而在生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中，科學(xué)思維和科學(xué)探究更是彰顯高中生物學(xué)學(xué)科的理科屬性。模型建構(gòu)能力是鍛煉科學(xué)思維的方法之一，是高中生物學(xué)常用的提升學(xué)生理解力和思維力的手段。在最新的人教版普通高中教科書生物學(xué)必修1“分子與細胞\"中就介紹了建構(gòu)模型這一科學(xué)方法。新課程背景下，筆者嘗試在課堂上從模型建構(gòu)能力培養(yǎng)的角度，來提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

布魯姆把認知教學(xué)目標分為知識、理解、應(yīng)用、分析、綜合和評價六個層次，由低到高形成學(xué)生認知發(fā)展學(xué)習(xí)進階。受布魯姆認知發(fā)展學(xué)習(xí)進階理論的啟發(fā)，筆者根據(jù)前人對學(xué)生模型建構(gòu)能力的研究進行適應(yīng)本校學(xué)生的修改，將模型建構(gòu)能力的進階由低到高分為4個水平：識別模型、利用模型、轉(zhuǎn)換模型、建構(gòu)模型，對學(xué)生思維和能力的要求逐步提高。

本文以“細胞核的結(jié)構(gòu)和功能”一課為例，嘗試運用模型建構(gòu)能力的進階式教學(xué)方式提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。本節(jié)課的教學(xué)始終貫穿兩條主線：明線是細胞核的結(jié)構(gòu)和功能等生物學(xué)核心概念的學(xué)習(xí)，暗線是模型建構(gòu)能力的進階式培養(yǎng)，最終落實到生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成，形成情景、模型建構(gòu)能力的進階以及學(xué)科核心素養(yǎng)的形成，這樣“三位一體式\"循環(huán)上升的教學(xué)路徑。課程設(shè)計模型如圖1所示。

二、著眼大概念，制訂學(xué)習(xí)目標

人教版高中生物學(xué)必修1“細胞核的結(jié)構(gòu)和功能”一課從細胞核的功能出發(fā)，探尋細胞核的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的關(guān)系，同時教材中設(shè)置了科學(xué)方法欄目，就建構(gòu)模型對學(xué)生進行整體介紹，而且在“探究·實踐”欄目中引導(dǎo)學(xué)生嘗試制作真核細胞三維結(jié)構(gòu)模型。因此，教師利用本節(jié)課的內(nèi)容培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力是水到渠成的。本課隸屬于大概念1：細胞是生物體結(jié)構(gòu)與生命活動的基本單位。而細胞核的結(jié)構(gòu)和功能是大概念1得以最終落實的最后一個環(huán)節(jié)，重點闡明遺傳信息主要儲存在細胞核中，細胞各部分結(jié)構(gòu)之間的相互聯(lián)系、協(xié)調(diào)一致，共同執(zhí)行細胞的各項生命活動。

教師從提高學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的角度出發(fā)，制訂如下學(xué)習(xí)目標：

1.通過自主設(shè)計傘藻嫁接和核移植實驗，在體驗實驗、得出結(jié)論的過程中感受科學(xué)探究的嚴謹性（科學(xué)探究）。

2.通過對教材中資料的對比分析，進一步歸納出細胞核的功能（生命觀念），體會到科學(xué)探究的思維和方法（科學(xué)探究）。

3.通過細胞核結(jié)構(gòu)模式圖，認識細胞核的結(jié)構(gòu)（生命觀念）。

4.利用自制染色體模型，幫助學(xué)生理解染色質(zhì)和染色體的結(jié)構(gòu)及相互關(guān)系（生命觀念），在此基礎(chǔ)上形成遺傳信息、DNA、染色體和細胞核之間的關(guān)系，并通過邏輯推理形成細胞核的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀念（生命觀念、科學(xué)思維）。

5.通過具體實例理解細胞核和細胞質(zhì)是統(tǒng)一的整體，細胞的完整性保證了生命活動的正常進行，感受細胞的精巧，珍愛生命（生命觀念）。

6.通過展示動植物立體模型，引導(dǎo)學(xué)生進行自制細胞結(jié)構(gòu)三維模型，并在模型評價環(huán)節(jié)幫助學(xué)生形成嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度和節(jié)約資源的責(zé)任意識（社會責(zé)任）。

三、圍繞模型建構(gòu)，展開進階式學(xué)習(xí)

（一）創(chuàng)設(shè)動態(tài)細胞模型的情境 識別模型

課堂之初，教師播放視頻“Theinnerlifeofthecell”，動態(tài)演示了細胞的結(jié)構(gòu)及細胞內(nèi)的生命活動。學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過細胞膜和細胞器的內(nèi)容，所以這個動態(tài)細胞模型中的有些結(jié)構(gòu)和過程是知道的，但有些過程不是很清楚，這就為學(xué)生架設(shè)了一個從已知到未知的“最近發(fā)展區(qū)”，極大地激發(fā)了學(xué)生的探索熱情。學(xué)生在努力識別模型的過程中，極大地激發(fā)了繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。

教師引入：細胞中分泌蛋白的合成和運輸過程，體現(xiàn)了細胞器之間的高度配合，配合的實現(xiàn)需要操縱者，是什么結(jié)構(gòu)來控制這些過程呢？

（設(shè)計意圖：教師通過動畫模型初次向?qū)W生展現(xiàn)細胞內(nèi)的動態(tài)過程，微觀的、難以理解的細胞內(nèi)的活動，讓學(xué)生有了直觀的認識。同時激發(fā)了學(xué)生繼續(xù)探索的熱情。教師通過語言引導(dǎo)，使學(xué)生對細胞中的活動能如此有序進行產(chǎn)生濃厚興趣。）

（二）利用自制傘藻模型模擬探究實驗—利用模型

細胞核的功能探索是本節(jié)課的重點之一，在教材“思考·討論\"環(huán)節(jié)給出四則資料，其中“傘藻的嫁接和核移植實驗\"是比較難理解的。因為學(xué)生第一次接觸傘藻，容易混淆傘藻的結(jié)構(gòu)，所以筆者在教學(xué)時設(shè)計通過自制傘藻模型來解決學(xué)生認知上的困難，調(diào)整教材內(nèi)容，將“傘藻的嫁接和核移植實驗\"移置前面，利用模型演示的形式重點探究。

課前，筆者利用不同顏色的磁性貼片繪制出兩種不同的傘藻，并用顏色鮮艷的磁片剪出各自的細胞核，貼在假根部位。

教學(xué)過程如下：

教師利用幻燈片呈現(xiàn)傘藻的結(jié)構(gòu)和特點等背景資料。傘藻是單細胞真核生物，出現(xiàn)了簡單的結(jié)構(gòu)區(qū)分，通常稱為“帽、柄、假根”。切去傘藻的“帽\"之后，它還會長出新的“帽”。

教師：新“帽\"的形狀與柄有關(guān)還是與假根有關(guān)？

學(xué)生討論交流。教師請學(xué)生代表利用自制傘藻模型嘗試設(shè)計實驗，并在黑板上演示自已的實驗設(shè)計過程（見圖2傘藻的嫁接模擬實驗）。

教師：通過嫁接實驗?zāi)茏C明新“帽\"的形狀就是由細胞核決定的嗎？

（學(xué)生認真思考問題）

教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計出傘藻的核移植實驗（見圖2傘藻的核移植模擬實驗）。

教師利用幻燈片呈現(xiàn)“美西螈的核移植實驗”過程。

教師：這個實驗設(shè)計思路與前面?zhèn)阍宓哪慕M實驗類似？推測實驗結(jié)果，并說說其說明了什么問題。

學(xué)生：與傘藻的核移植實驗類似，說明細胞核可以控制生物的性狀。

教師：比較“蝶螈的受精卵橫溢實驗\"和“變形蟲的切割實驗”，思考兩個問題：（1）兩組實驗設(shè)計的原理有相同之處嗎？（2）兩組資料中，你能知道細胞核對生物體的哪些方面發(fā)揮著重要作用嗎？

學(xué)生自主分析，得出細胞核在控制生長、發(fā)育、生命活動方面具有重要作用。

（設(shè)計意圖：通過對傘藻的嫁接和核移植實驗的深度思考，學(xué)生可以意識到科學(xué)結(jié)論的得出必須有嚴謹?shù)膶嶒炞C據(jù)。一連串的模擬探究活動不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，還能鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維。本環(huán)節(jié)通過對教材資料的利用和整合，提高學(xué)生的類比推理能力，歸納出實驗設(shè)計的一般原理，培養(yǎng)其科學(xué)思維。）

（三）展示自制染色質(zhì)（體）模型突破教學(xué)難點—轉(zhuǎn)換模型

在認識細胞核的結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)中，染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其與染色體的關(guān)系是學(xué)生通常難以理解的地方。筆者通過自制模型一用毛線和橡皮泥制成染色質(zhì)（體）的平面模型，利用吸管、紅色毛線和白色橡皮泥制成染色體的立體模型（見圖3），將抽象的內(nèi)容直觀、感性地呈現(xiàn)出來，幫助學(xué)生理解染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其與染色體的關(guān)系。

在這兩個模型中存在一些概念上的差異，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會模型轉(zhuǎn)換。在平面模型中，橡皮泥代表組蛋白，紅色毛線則代表DNA；在立體模型中，教師只用了紅色毛線纏繞成短棒狀結(jié)構(gòu)，這時的紅色毛線就代表染色質(zhì)絲。在轉(zhuǎn)換模型時，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)，我們所用材料或繪制的結(jié)構(gòu)不拘泥于固定的意義，制作者可為之賦予不同的定義，只要具有科學(xué)性就能為人所用。這一環(huán)節(jié)雖是教師利用自制模型幫助學(xué)生突破難點，但也在潛移默化地向?qū)W生傳達制作物理模型的一般方法，為最后一步進階學(xué)習(xí)一建構(gòu)模型提供保障。

在介紹完細胞核的結(jié)構(gòu)之后，教師引導(dǎo)學(xué)生思考遺傳信息、DNA、染色質(zhì)、細胞核的位置關(guān)系：遺傳信息主要位于DNA儲藏在染色質(zhì)位于細胞核。學(xué)生通過邏輯推理進一步明確細胞核的功能 -細胞核是遺傳信息庫，從而建立細胞核結(jié)構(gòu)和功能的概念模型。

（設(shè)計意圖：細胞核的結(jié)構(gòu)中最重要的就是遺傳物質(zhì)的載體一染色體。本節(jié)課是學(xué)生第一次接觸到染色質(zhì)（體）這一概念，對染色質(zhì)（體）的理解如果僅靠書中的圖像，是很難想象到染色質(zhì)和染色體是同種物質(zhì)在不同時期的不同呈現(xiàn)形式的，更不清楚為什么染色質(zhì)（體）是遺傳物質(zhì)的載體。通過模型建構(gòu)，學(xué)生能很清晰地指明染色質(zhì)的組成。同時，由平面模型到立體模型的動態(tài)轉(zhuǎn)換能讓學(xué)生瞬間理解同一物質(zhì)的不同呈現(xiàn)形式。本來難以理解的微觀物質(zhì)，在轉(zhuǎn)換模型的幫助下，變得通俗易懂，突破了教學(xué)難點。）

（四）指導(dǎo)學(xué)生自己制作動植物細胞結(jié)構(gòu)模型建構(gòu)模型

教師在說明“細胞各部分結(jié)構(gòu)之間的相互聯(lián)系、協(xié)調(diào)一致，共同執(zhí)行細胞的各項生命活動\"這一重要概念時，可遵循“現(xiàn)象一本質(zhì)一現(xiàn)象”的規(guī)律，選擇哺乳動物成熟的紅細胞以及精子的存活時間等典型實例進行歸納概括、得出結(jié)論，再聯(lián)系導(dǎo)入新課的視頻內(nèi)容，首尾呼應(yīng)。教師應(yīng)說明細胞內(nèi)各組分的相互聯(lián)系、分工合作，必須保持其完整性才能進行各項生命活動。

接下來，教師順理成章地引導(dǎo)學(xué)生展開物理模型的建構(gòu)。具體過程如下。

教師展示動植物細胞亞顯微結(jié)構(gòu)的實物模型。

學(xué)生感嘆：真是太漂亮了！

教師：我們是不是也可以利用身邊的材料，自己動手制作細胞的亞顯微結(jié)構(gòu)模型呢？

學(xué)生非常感興趣，紛紛討論用什么材料制作。教師適當?shù)匾龑?dǎo)學(xué)生選用一些環(huán)保材料、廢棄材料制作，增強學(xué)生節(jié)約能源、保護環(huán)境的社會責(zé)任感。

學(xué)生的想法非常豐富：有的說用薯片做內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、用蛋黃做細胞核、用巧克力豆做核糖體，想做一個“食物系列\(zhòng)"的細胞亞顯微三維模型；有的說用橡皮泥捏成各種細胞結(jié)構(gòu)；還有的說要用吸管、毛線等制作細胞的三維模型·（如圖4）

當然，教師一定要告訴學(xué)生模型制作的根本原則是要具備科學(xué)性，其次才是材料的選擇和美觀性等。

（設(shè)計意圖：本節(jié)課學(xué)習(xí)到最后，學(xué)生已經(jīng)對動植物細胞的亞顯微結(jié)構(gòu)有了清晰的認識，教師順勢引導(dǎo)學(xué)生自己動手嘗試制作真實的模型，將課堂學(xué)習(xí)的熱情延伸到課后。最后呈現(xiàn)出的效果，讓筆者驚嘆于學(xué)生的創(chuàng)造力和表現(xiàn)力！圖4為學(xué)生課后利用超輕黏土制作的真核細胞的三維結(jié)構(gòu)模型，可以對模型進行自由的拆分和合并。拆分來看，體現(xiàn)了學(xué)生對細胞器、細胞核等各個細胞結(jié)構(gòu)的理解；合并起來，又體現(xiàn)了學(xué)生對細胞整體結(jié)構(gòu)和功能的理解。）

四、教學(xué)反思

生物學(xué)的研究范圍非常廣泛，有宏觀方面的生態(tài)系統(tǒng)，也有微觀方面的分子與細胞。對微觀世界的探索，教師在教學(xué)時往往需要借助物理模型來幫助學(xué)生更好地理解各種結(jié)構(gòu)。因此，模型教學(xué)是生物學(xué)教學(xué)的重要手段，模型建構(gòu)能力也是學(xué)生探索生物學(xué)的重要能力之一。在以往的教學(xué)中，物理模型更多是用來展示和識別，學(xué)生也只是能“看到”。通過“細胞核的結(jié)構(gòu)和功能”一課的教學(xué)，教師由淺入深地帶領(lǐng)學(xué)生進入模型構(gòu)建的領(lǐng)域，從最初的識別模型到利用模型，再到轉(zhuǎn)換模型，最后落實在自己動手建構(gòu)模型，進階式學(xué)習(xí)方式最終讓學(xué)生從學(xué)到用，自己動手制作模型，感受到學(xué)習(xí)的快樂！這不僅能激發(fā)學(xué)生對生物學(xué)核心概念的識別記憶，還能促進學(xué)生模型建構(gòu)能力的提升。同時，本節(jié)課在教學(xué)設(shè)計時充分挖掘?qū)W生生物學(xué)核心素養(yǎng)，尤其是促進學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計中，通過自主探究、歸納分析、模型轉(zhuǎn)換、邏輯推理等方式，處處彰顯對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)。這樣明暗兩條線的教學(xué)設(shè)計，可為今后相關(guān)教學(xué)設(shè)計提供較好的案例。

（作者單位：無錫市第六高級中學(xué)）

編輯：趙文靜