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 型—观念指向”映射框架,如表1所示。
表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 |
结 构 与 功 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 |
进 化 与 适 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 |
稳 态 与 平 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 |
物 质 与 能 量观 |
定量化物质循环与 能 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 道’”“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 系[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 念→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 体→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 果—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. |