生物學模型構建教學研究

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摘要：通過結構化情境驅動生物學模型構建教學的思辨推演，以及“水鹽平衡、體溫平衡、血糖平衡”模型構建課例的實踐印證，結果表明：情境本真內涵可驅動建模活動的具身化、情境創設原則可驅動建模認知的序列化、情境創設過程可驅動建模思維的科學化。在實際的中學生物學教學中，可依據結構化情境體驗達成整體化模型的構建，其顯性化的表達方式一方面能幫助學生深度理解抽象知識的內隱式涵義，另一方面又能充分調動學生學習的積極性和主動性，在潛移默化中實現培育學生高階思維的目標。

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）在“教學建議”中指出：教師可以借助相關的圖文信息與影像資料、生物學標本與模型、學生的生活經驗與經歷、社會關注的生物學熱點問題等創設結構化情境開展教學[1]。創設結構化情境旨在測評生物學科核心素養的水平層級，故新課標將其定位為教學轉型的關鍵要素之一。模型構建作為一種可視化、程序式的科學思維樣態，從知識整合的角度審視，旨在利用新情境串聯新舊知識的關聯，幫助學生重塑知識體系，實現認知升級；從目標達成的角度審視，旨在通過由簡入繁的情境結構化創設，幫助學生在模型與情境交匯的體悟中實現知識的升維。由此可見，以結構化情境創設為教學載體，可以驅動學生有組織、有規律地構建生物學模型，厘清顯性與隱性之間的知識脈絡，逐步獲取由表及里、由淺入深的深度認知。

一、以結構化情境創設驅動模型構建教學的優勢

1.情境本真內涵可驅動建模活動的具身化情境的本真內涵可用“形真、情切、意遠”六字來概括。情境這種物質化的存在是以信息的形式作用于人的感覺器官，通過神經傳輸系統傳到人腦之中，人腦對這些信息進行加工、處理，從而獲得了關于客觀事物的認識[2]。以情境創設開展教學，近年來受到國內外基礎教育界的極力推崇和推廣。分析其傳播廣、影響深的原因，可以歸納為以下兩點：第一，從心理學角度審視，其本義就是借情化人、以境感人，通過可觸化、可視化的視域氛圍，引領學生抽絲剝繭般地由淺層認知過渡到深度認知，其體驗式、親民化的教學屬性明顯比傳統的灌入式、注入式教學更具吸引力；第二，從方法論角度審視，其理論基石是反映論原理，即人的認識是人在與客觀世界的接觸和實踐中，逐漸形成的一種積極的、主動的、后天性的腦中產物。情境式教學中涉及的情境，通常都是教師深思熟慮后創設的，其收放有度的物質化樣態呈現有利于通過辨別加工、信息處理，最終輔助學生獲取高階認知，而建模活動也是一種視覺化、物質化的，配合類比、思考等方法將日常問題的表征做進一步創造性轉換的過程。勾連情境創設與建模活動可發現，情境式教學中的情境創設恰恰驅動了學生模型構建的各類學習活動，并且能夠讓學生在親身經歷、關聯實際與拾級而上中不斷達成具身化的學習過程，這就是情境式教學實踐模型構建課教學的優勢之一。

2.情境創設原則可驅動建模認知的序列化情境式教學源起于捷克教育學家夸美紐斯的《大教學論》，國內集大成者首推李吉林先生。結構化情境教學就是指根據教學內容層次和學生認知水平，科學化地創設一定梯度的認知情境，循序漸進地開展教學的一種模式[3]。情境創設需要遵循哪些原則呢？趙占良教授在《生物學概念教學論》一書中給出了情境創設的四原則，即引發問題原則、目標一致原則、真實可信原則、難度適宜原則。情境創設原則可幫助學生通過單一主題的系列活動，或完整項目的連環設計來助推模型構建過程，其過程大致可概括為：第一步，借助情境初體驗，構建分析解決問題的可視化心智模型；第二步，借助情境次體驗，修正心智模型；第三步，借助情境終體驗，構建科學化模型解決問題。透過系列情境體驗實施模型構建教學課可以發現：一方面，結構化情境可以縮短人與時空的交流距離，幫助學生在參與和體驗中憑借已有的學習經驗或知識貯備，收獲從熟悉的生命世界中獲取認知規律的喜悅；另一方面，以結構化情境鋪展模型構建還能夠讓學生體味到模型構建的連貫性與系統化，明白當下科學世界的建構均源自不斷挖掘蘊藏于現實表象間真理的螺旋式上升。總而言之，結構化情境教學中的情境創設原則可以助推學生從認知到建模這一過程中的條件的序列化。3.情境創設過程可驅動建模思維的科學化情境創設的過程不僅是學生獲取知識的通道，還是實現有效交流與表達的途徑，而凸顯“化觀為思、化思為行”特性的結構化情境創設過程映射的是科學思維、科學探究的核心素養底色。化觀為思就是把可視化、可觸化的表象轉化為思考發展問題的學術觀和方法觀，在深入的思想交流、交融中形成思想共識；化思為行就是將學習思考的成效應用于現實操作，通過科學的實踐手段來檢驗真知。其實，受限于東方文化中含蓄、內斂的傳統特性，以及強調努力學習的傳統教學文化，我國多數的科學課堂教學并不熱鬧，其中學生學習模型構建的思維是默會性與內隱性的，在論證模型構建合理性的時候往往會因思維的淺層或偏頗導致模型構建的囫圇吞棗[4]。“化觀為思、化思為行”的情境創設過程則不然，它可以將學生錯誤的思維邏輯顯性化暴露出來，并依據系統化、連貫性的結構化情境得到不斷完善與修正，學生在此過程中便可以進行基于生物學事實和證據（這里特指結構化情境），運用批判性思維、演繹與推理、歸納與概括、創造性思維等方法，逐層、逐級地完成模型構建的科學化探索歷程。想要通過情境創設過程促進這些思維的不斷生成、完善，乃至于科學化，必然需要一個不斷學習與探索的過程，而模型構建教學恰恰印證了這一過程。由此可見，“化觀為思、化思為行”的情境創設過程可達成學生建模思維的科學化。

二、以結構化情境創設驅動模型構建教學的策略

在教學的多變環境中，教師采用的教學方法時刻影響著學生的知識理解、思維深化與拓展應用，而學生在教學場域中的反饋也影響著教師對教法的改進[5]。上文雖然從文獻梳理與理論思辨的角度得出了用結構化情境創設實施模型構建教學存在很大優勢，但課堂是一個特殊的“生態系統”，如何實現情境結構化與模型構建在同一個教學軌道上同向而行、高度關聯，則需要在教學中設置階梯性的問題，將推理任務合理分配，培養良好的傾聽者（聽清楚別人的論證并積極思考），更需要調適混亂的學生討論環節，適時適度地改變教師的角色。正因如此，筆者以“下丘腦功能知多少”一輪專題復習課為例，自主創生并實施了模型構建課的情境式教學活動，以期完成教學向縱深方向鋪展、知識向深度方向延展、思維向科學方向拓展的目標。

1.以結構化情境創設驅動模型構建教學的設計思路在“下丘腦功能知多少”專題復習課中，下丘腦如何參與水和無機鹽的調節、體溫的調節、血糖的調節是重點；如何將這三種調節方式有機地串聯起來，幫助學生形成正確的穩態和平衡觀是難點。科學、合理地創設結構化情境，承前啟后地推進模型構建教學，恰能將整個單元的核心概念在這一節課中融會貫通。整個教學思路體系如圖1所示。設計意圖：以新聞視頻創設結構化情境體驗，將幸存者的感受與學生的生活體驗有序結合，探尋隱藏于生物學表象背后的生命規律。然后借助歸納與概括、分析與推理等科學思維，將隱藏于生物學表象背后的生命規律用概念模型直觀化地表現出來。以情境創設驅動模型構建過程不僅能引起學生的共情，完成三個主要模塊知識體系的建構，還能使模型與建模的思維綻放于課堂，培養學生的科學探究精神。

2.以結構化情境創設驅動模型構建教學的課堂實踐（1）以渴覺情境創設驅動生物學模型構建活動教學過程：第一步，情境展示。屏幕展示沉船事件的新聞采訪視頻，聚焦幸存者在海上漂浮時的第一感受：“非常口渴，想喝淡水。”第二步，情境交互。師提問：幸存者身處海洋，口渴時為什么不直接飲海水呢？生應答：直接喝海水會導致人體內滲透壓失衡。師又問：誰是水和無機鹽調節的神經中樞？哪種激素起主導作用？生應答：下丘腦中的渴覺中樞；促進腎小管、集合管對水分重吸收的抗利尿激素。第三步，模型構建。師說：所以，水和無機鹽平衡的調節是神經-體液共同作用的結果。參考教材圖解，結合幸存者海上漂浮的情況，每位同學單獨完成學習單上的模型構建（如圖2）后，再以小組為單位討論，完善各自的模型構建圖；然后每組各派一個代表，用磁力貼在黑板上共同構建“體溫調節”的概念模型；最后借助構建的模型，陳述幸存者口渴的原因。根據漂浮者口渴脫水這一情境，自然引出水和無機鹽平衡的調節，在復習了神經調節中樞和激素等相關知識的基礎上，要求學生在學習單上獨立完成模型構建、小組討論完善模型構建、在黑板上用磁力貼動手完成模型構建，重在培養學生合作學習的協作能力、獨立自主的學習能力和動手操作的實踐能力。（2）以冷覺情境創設驅動生物學模型構建活動教學過程：第一步，情境展示。屏幕展示沉船事件的新聞采訪視頻，聚焦幸存者在海上漂浮時的第二感受：“到了晚上的時候，海水很涼，我們所有人都冷得發抖。”第二步，情境交互。師提問：為什么會發抖？生應答：發抖是為了產熱，維持體溫。師又問：我們可以看到體溫調節是一個反射活動，效應器有哪些？生應答：皮膚血管、汗腺、骨骼肌、立毛肌、甲狀腺。師再問：甲狀腺是通過什么來調節的？生應答：下丘腦分泌的促甲狀腺激素釋放激素作用于垂體后，繼而促使垂體分泌促甲狀腺素，而促甲狀腺素又促使甲狀腺分泌甲狀腺素，該過程屬于激素調節。第三步，模型構建。師說：所以，體溫恒定是通過神經和體液共同調節的。請參考教材圖解，結合幸存者海上漂浮的情況，每位同學單獨完成學習單上的模型構建（如圖3）后，再以小組為單位討論，完善各自的模型構建圖；然后每組各派一個代表，用磁力貼在黑板上共同構建“體溫調節”的概念模型；最后借助構建的模型，陳述幸存者發抖的原因。由于體溫調節的模型較復雜，故嘗試通過分解式引導，先幫助學生梳理構成反射弧的五個環節，區別腎上腺和甲狀腺調節的差異，揭示體溫相對恒定是通過神經-體液調節共同維持的。最后，再將以上貌似分散的問題轉換成結構化的模型形式，幫助學生完成該單元知識點的體系建構。這既鍛煉了學生的歸納與概括、邏輯與推理的科學思維能力，又同時彰顯了學習活動的目的性、針對性與系統性。（3）以餓覺情境創設驅動生物學模型構建活動教學過程：第一步，情境展示。屏幕展示沉船事件的新聞采訪視頻，聚焦幸存者在海上漂浮時的第三感受：“在海上漂浮了30多個小時，人很餓、頭很暈，全身沒力。”第二步，情境交互。師提問：幸存者在海上漂浮了30多個小時，人很餓、頭很暈，全身沒力，這主要跟幾乎沒有進食有關。請猜測，此時他們的血糖濃度如何？血糖濃度的調節受什么激素影響？生應答：血糖濃度偏低，受胰島素和胰高血糖素影響。師又問：胰高血糖素和胰島素分別促進哪些途徑，從而調節血糖濃度的穩定？生應答：胰島素促進血糖的三個去路，胰高血糖素促進血糖的兩個來源（分別在課件中指出）。師再問：人體血糖濃度的調節除了受激素的調節，是否也受神經調節？生應答：當血糖濃度低于3.33mmol/L時，或由于激動而過度興奮，都會引起下丘腦糖中樞的反射性興奮。第三步，模型構建。師說：綜上所述，我們知道血糖濃度的調節是受神經-激素共同調節的，那么獲救前血糖濃度較低，體內血糖是如何調節的呢？獲救后，幸存者進食導致血糖濃度升高，又是如何恢復的呢？請同學們先在白板上分步搭建，完成白板上相應的模型圖（如圖4）。每組搭建好后，交流展示，糾錯評價。最后借助構建的模型進行陳述：獲救前，由于長時間未進食，導致血糖濃度偏低，刺激胰島A細胞分泌胰高血糖素，同時通過神經調節，引起下丘腦糖中樞興奮，作用到腎上腺髓質分泌腎上腺素、腎上腺皮質分泌腎上腺皮質激素，促進血糖的兩 個來源，從而調節血糖濃度的相對平衡。獲救后，幸存者通過進食，導致血糖濃度升高，進而刺激胰島B細胞分泌胰島素，促進血糖的三個去路（描述過程由多位學生指正并補充）。根據幸存者血糖濃度偏低這一情境，較自然地銜接到血糖平衡的調節，同時兼顧復習血糖的激素調節與神經調節。然而，這并不是這一模塊的核心內容，能否分析真實情境并將此應用于實踐才是這節課的目標。這一部分內容是本節課的難點，通過學生小組合作完成，引導學生分別循著實線和虛線箭頭的方向搭建幸存者在獲救前和獲救后的血糖調節模型圖，并正確描述過程，做到學以致用。（4）以渴覺-冷覺-餓覺的結構化情境創設驅動模型的整體化構建教師與學生一起構建模型并歸納總結：通過渴覺-冷覺-餓覺情境串聯本單元的三大知識模塊，以情境探究為引子，讓學生在共情中積極思考、主動參與到模型構建的體系中來，發揮其思辨力的層次性、思維力的邏輯性。最后，在黑板上展現用磁力貼構建的“水鹽平衡、體溫平衡、血糖平衡”的整體化模型（如圖5）。

三、以結構化情境創設驅動模型構建教學落實的關鍵

隨著2017年高中生物學科新課標的修訂與落地，模型的內涵也隨之高維拓展，已從模型的初始定義（教具、掛圖等）上升至模型構建的科學思維范疇。可見，我國教育界對“模型與建模”引領當代教學改革產生的重要性價值給予了充分的肯定。那么，以結構化情境創設驅動模型構建教學有哪些地方是教學中的落實關鍵？

1.以適切性、結構化的情境創設助力生物學模型構建教學在進行生物學模型構建教學時，應從知識背景的現實性、適切性和延展性的角度思辨。模型構建常起始于一個真實的情境，這些情境要符合學生的認知，貼近學生的生活，使學生在以情境體悟實施模型構建時具有強烈的支配感與支持度。因此，在以情境創設驅動模型構建時，要根據學生的知識貯備情況，以適切性原則關注學生的模型構建能力，漸進性、序列化地完成知識體系的模型構建。所有的建模活動都出自某種目的，如情境體驗、原因追尋或預測趨勢等，其背后一定遵循知識的延展性。只有科學合理地構建和運用模型，才能幫助學生實現知識概念的轉變以及動手與合作能力的提升，使其獲取分析和解決實際問題的能力，進而改善其學習的態度。所以，以結構化情境創設驅動模型構建教學要基于學生的最近發展區進行教學活動，多從學生的認知角度出發，多從學生的思維角度出發，多從學生的貯備知識出發，開發和探究易于讓學生接受的模型，如此才能使模型內化于學生的頭腦，成為他們分析和解決問題時心智操作的工具[6]。

2.以模型構建價值的追問促進教學觀念變革以結構化情境創設驅動模型構建教學并非單純教授模型構建的知識，還應幫助學生構建與優化心智模型。因此，教師要不斷追問模型構建的育人價值，將學科教學的教學觀念轉型為課程育人的觀念[7]。模型構建教學旨在面向全體學生，倡導探究性學習，注重通過生活模型來搭建樸質現實與抽象思維之間的聯系。在以生為本的教學主張下，要充分調動學生的學習熱情與參與廣度，深度喚醒學生的動手與動腦意識，積極引導學生進行理性批判與學術反思，廣泛開展生生互動與師生交流，以形成高質量、高品質的生物學課堂為第一目標。這種教學模式因基于學生的情境體驗、生活認知而發生，能充分調動學生學習的主動性和積極性。以結構化情境這一載體驅動模型構建過程體現了人類社會發現和認識新事物的規律。從培養學生“以人為本”的價值觀的視角來看，以結構化情境創設驅動生物學模型構建這一教學模式促成了學生對結構化情境與模型構建關系規律的認識，加強了學生從生活情境中探尋建模元知識的能力，有助于幫助學生建立科學的本質觀。綜上所述，在以結構化情境創設驅動模型構建教學中，結構化情境創設是感性認知的平臺，模型構建是認知進階的載體，以結構化情境創設驅動模型構建教學是歸納與概括、演繹與推理、模型與建模的科學探究歷程，是用科學思維深度開發與轉化生物學學科育人價值的探索路徑，是當下生物學教學改革的必由之路。

參考文獻

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[6]左開俊.聚焦“數學模型建構”的生物學教學研究[J].天津師范大學學報：基礎教育版，2020，21（03）：91.

[7]翟小銘，郭玉英.美國科學建模教育研究三十年概述及啟示[J].全球教育展望，2015，44（12）：81-95.

作者:左開俊 單位:江蘇省震澤中學