模型建构赋能生命观念培育:初中生物四维模型教学策略与实践 2025-09-22
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模型建构赋能生命观念培育:初中生物 四维模型教学策略与实践

徐珍珍


【摘要】 文章聚焦生命观念培育,整合“形象模型”“思维模型”“概念模型”“数学模型”四类建模方法, 分别对应结构与功能观、进化与适应观、稳态与平衡观、物质与能量观的培育需求,设计进阶式教学活动。实 践表明:模型建构通过具象化抽象概念、显性化思维过程、结构化知识网络、定量化生命规律,深化学生对生 命本质的理解。

【关键词】模型建构;生命观念;四维模型;教学策略


作者简介:徐珍珍(1986—),女,台州市椒江区教研室。






新课标强调科学课程实施时要科学进阶,形成有 序结构;要激发学生的学习动机,加强探究实践;要 鼓励学生在真实的探究实践过程中,由浅入深、由表 及里、由易到难地体验和形成科学知识。模型建构是 重要的科学思维方式之一,主要体现在:以经验事实 为基础,对客观事件进行抽象和概况,进而建构模型; 运用模型分析、解释现象和数据,描述系统的结构、 关系及变化过程。本文从不同类型的模型建构出发, 合理安排进阶活动,依托探究实践等多样形式以探索 建模思想在生命观念培育中的应用和意义。

一、生命观念的内涵与教学定位

( 一 )生命观念的科学本质

科学观念是在理解科学概念、规律、原理的基础 上形成的对客观事物的总体认识。生命观念作为科学 观念的下位概念,是对生命现象及其内在规律的抽象  概括,包含四大相互关联的观念群:结构与功能观、 进化与适应观、稳态与平衡观和物质与能量观等。结 构与功能观阐释生物形态结构与生理功能的统一性, 进化与适应观揭示生物对环境压力的适应性,稳态与 平衡观解析生命系统动态稳定的调节机制,物质与能 量观阐明物质循环与能量流动的耦合关系。四大观念  融合为统一认知整体,如图1所示。



图 1  四大生命观念群的耦合关系

(二) 生命观念的育人价值

生命观念需要经历“事实→概念→观念”的三级 跃迁。例如,学生理解“细胞壁限制无限吸水”这一 事实后,可逐步建构“植物细胞渗透压调节→个体水 平衡→生态水循环”的概念链,最终形成“稳态与平 衡观”的系统认知,即通过模型建构将零散概念整合 为结构化认知网络,最终将其升华为解释生命现象的 思想工具。

二、模型建构与生命观念培育的融合路径

( 一 )模型建构的教学功能

模型是科学思维的核心载体。模型可充当认知脚 手架,可实现将抽象生命现象具象化为可视、可操作 的思维产物;可实现思维显性化,外显学生的推理路 径与认知冲突,从而引导学生完善认知序;可建构结



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构化概念,优化多层次概念网络,促进知识向观念 转化。

(二)四维模型教学策略设计

基于生命观念培育目标,教师可以建构“模型类 —观念指向”映射框架,如表1所示。

1   模型类型与生命观念培育的对应关系表


模型

类别

培育观念

教学功能

典型案例

形象

模型

能观

具象化形态特征与功 能关联

植物气孔开闭 机制

思维

模型

应观

可视化演化逻辑与适 应策略

脊椎动物循环 系统进化

概念

模型

衡观

结构化层级 系统与动 态平衡

生物圈水平衡 网络

数学

模型

量观

定量化物质循环与 量传递规律

生态系统能量 流动分析


三、教学实践:四维模型在生命观念培育中的实施

( 一 )形象模型:具身认知结构与功能观

形象模型指的是借助图形、标本、模型等工具反 映原型的结构、性质和机制。教师可以带领学生寻找 模型源头、关注模型的建构和修正,借助形象模型内 化知识和思维,让学生充分认识模型建构和结构与功 能观之间的关系。

案例1:植物气孔结构与蒸腾调节。

问题驱动:叶片上应该具有怎样的结构,才可以 实现蒸腾作用快慢的调节?

初建模型:表皮细胞具有什么特点才能更好地实 现保护作用?水分散失的“通道”结构和分布具有什 么特点?

学生在功能指向的引导下,假设气孔均匀分布, 绘制“表皮通道”分布图。大多数学生猜测每个表皮 细胞内都分布有水蒸气散失的通道。部分学生认为可 以通过圆孔壁的收缩和舒张实现“通道”大小的改变 和水分散失的调节;部分学生阐述“通道”由大小不 一的双开门组成。

矛盾激发:学生对于“通道”如何实现水分散失 的调节机制不清楚;提出“气孔密集导致失水过快” 的模型缺陷。

模型修正:学生围绕“合理分布表皮上的‘通 ’”“合理解释水分散失调节机制”的主题进行讨论。 部分学生认为“通道”由相邻的四个三角形细胞围绕 而成;部分学生认为“通道”位于环状细胞内部,当 植物体内水分充足时,三角形细胞或环状细胞均膨胀 往外扩张,内部空隙变大。

质疑再生:三角形细胞或环状细胞膨胀时,理论 上内部的“通道”会变小,与设想不符。

形象模型释疑:显微镜观察鸭跖草表皮,借助实


体模型进行分析、推理和证实,揭示保卫细胞形态调 控机制。

观念生成路径:功能需求(蒸腾调节) →结构假 设(通道分布)→实证检验(显微镜观察) →修正认 知(保卫细胞控水)→形成观念(结构适配功能)。

(二)思维模型:逆向推演进化与适应观

进化思想包含生命的历史、各种生物之间的关 1。教师可尝试通过类比、推理、证实、证伪等 科学思维方法,整合表面不同而科学本质相似的问 题,初步培养学生的进化与适应观。

案例2:脊椎动物循环系统的适应性进化。

聚焦问题:脊椎动物的循环系统进化方向。

教师提示脊椎动物呼吸系统的进化方向:水生到 陆生;肺吸氧面积逐渐扩大;呼吸的机械装备逐渐完 善;呼吸道和消化道逐渐分开,发声器渐趋完善。

类比推理:呼吸系统进化(鳃 →肺)→循环系统 进化方向(单循环→不完全双循环→完全双循环)。

思维模型化:学生根据已有的推理,以循环系统 的进化为方向,经历猜想、质疑、合作和交流系列活 动,共同建构不同类型的循环系统结构图。

新问题,新探究:人类的血液循环中,哪些血管 流的是动脉血,哪些血管流的是静脉血?心脏内的四 个腔室有何异同?哪一个循环需要更大的动力,与之 对应的心脏结构又应该具有什么特点?脊椎动物从鱼 类到哺乳类的进化过程中,心脏结构发生了哪些变 化?这些变化的目的是什么?

观念生成路径:学生从脊椎动物呼吸系统的进化 历程类比脊椎动物血液循环系统进化的大致方向。如 此,可借助思维模型培养逆向分析能力,体悟进化是 生物为适应环境进行的结构性优化。

(三)概念模型:层级解构稳态与平衡观

概念模型指的是用图示、文字、符号等组成的流 程图形式对事物的活动规律和机理进行描述和阐明的 方法2。教师可让学生建立“具体事实 → 次位概 →重要概念→核心概念→生命观念”概念模型,不 断深化稳态与平衡观。

案例3:生物圈水平衡的跨尺度调控。

情境创设:教师展示生物体与非生物之间水分吸 收和散失的相关图片。学生归纳自然界中存在的水 平衡现象。

解构细胞内的水平衡:学生观察植物细胞的质壁 分离和复原实验,理解细胞失水和吸水的条件,领悟 细胞之所以不能无限吸水是因为细胞壁的弹性有限。

解构植物体内的水平衡:学生先从宏观层面复习 根系的分类和分布,再从微观层面探寻根的结构和对 应功能;分析蒸腾作用的外界影响因素和意义,再分



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析不同植株气孔的分布规律及吐水这一现象的条件和 意义。

解构自然界中的水平衡:学生在反思自然界水循 环这一概念体系的过程中,自主建构植物体在生物圈 中水循环的重要作用和生态系统的各部分结构所联结 的水循环概念模型,通过分解生态系统水循环,将水 的动态平衡以概念模型的形式显性化,从细胞 →植物 →生物圈等不同层级展示水分从局部到整体的稳态 和平衡。

观念生成路径:按照从微观到中观再到宏观的阶 梯式顺序,探讨细胞水平、生物个体水平、生态系统 水平的水分调节机制,重建富含结构化意识的概念模 型,认识水平衡的普遍性和重要性。

(四)数学模型:量化论证物质与能量观

数学模型是指用数学语言描述的一类模型。教师 可融合数学模型,引导学生从定性到定量论证生物学 现象背后的规律,促进学生物质与能量观和科学思维 的共同发展。

案例4:生态系统能量流动的数学建模。

创设情境,设置冲突:学生分组展示前置任务成 —小组制作的微型生态瓶,猜测小鱼生存时间最 久的生态瓶并阐述理由。

分享观点,形成主张:学生在相互评价中形成合 理猜想,逐步厘清并归纳生态系统中各部分的结构及 数量组成。

寻找证据,支持主张:各组先展示一段时间后的 生态瓶实际情况,以事实为依据,明确生态系统中各 部分的功能;再提出新的主张,深入思考生态瓶能长

时间保持稳定的原因。

验证主张,升华结论:学生分析物质组成的结构 层次,分析生态系统中能量流动的单位与路径,总结 能量流动的规律。

观念生成路径:学生制作成分较为稳定的生态 瓶,在猜想和事实依据的基础上,运用科学的逻辑思 维方法认识事物、解决实际问题。在此过程中,学生 运用数学归纳、数学模型分析等思想探索生命的规 律,从知识立意上升至方法立意,从定性分析上升至 定量分析,理解生态系统是由不同的生物层级和其所 在的环境共同构成的,生态系统中能量的流动离不 开物质的存在与循环,从而形成生物圈的物质与能 量观。

结语

综上所述,四维模型教学通过“具身认知—逻辑 推演—系统整合—量化实证”的路径,将抽象的生命 观念转化为可操作的实践。初中生物教学需要以核心 概念为锚点,依托模型建构深化四大生命观念的融合 培育,促进学生科学思维与核心素养的协同发展。

【参考文献】

1]谭永平 . 中学生物学课程在发展学生核心素 养中的教育价值[J]. 生物学教学,2016,41(5): 20-22.

2]肖安庆,李通风 . 浅谈高中生物建模的教学 价值和培养策略[J]. 中学生物学,2011,27(7): 10-13.

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