生物学模型构建教学研究

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摘要：通过结构化情境驱动生物学模型构建教学的思辨推演，以及“水盐平衡、体温平衡、血糖平衡”模型构建课例的实践印证，结果表明：情境本真内涵可驱动建模活动的具身化、情境创设原则可驱动建模认知的序列化、情境创设过程可驱动建模思维的科学化。在实际的中学生物学教学中，可依据结构化情境体验达成整体化模型的构建，其显性化的表达方式一方面能帮助学生深度理解抽象知识的内隐式涵义，另一方面又能充分调动学生学习的积极性和主动性，在潜移默化中实现培育学生高阶思维的目标。

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）在“教学建议”中指出：教师可以借助相关的图文信息与影像资料、生物学标本与模型、学生的生活经验与经历、社会关注的生物学热点问题等创设结构化情境开展教学[1]。创设结构化情境旨在测评生物学科核心素养的水平层级，故新课标将其定位为教学转型的关键要素之一。模型构建作为一种可视化、程序式的科学思维样态，从知识整合的角度审视，旨在利用新情境串联新旧知识的关联，帮助学生重塑知识体系，实现认知升级；从目标达成的角度审视，旨在通过由简入繁的情境结构化创设，帮助学生在模型与情境交汇的体悟中实现知识的升维。由此可见，以结构化情境创设为教学载体，可以驱动学生有组织、有规律地构建生物学模型，厘清显性与隐性之间的知识脉络，逐步获取由表及里、由浅入深的深度认知。

一、以结构化情境创设驱动模型构建教学的优势

1.情境本真内涵可驱动建模活动的具身化情境的本真内涵可用“形真、情切、意远”六字来概括。情境这种物质化的存在是以信息的形式作用于人的感觉器官，通过神经传输系统传到人脑之中，人脑对这些信息进行加工、处理，从而获得了关于客观事物的认识[2]。以情境创设开展教学，近年来受到国内外基础教育界的极力推崇和推广。分析其传播广、影响深的原因，可以归纳为以下两点：第一，从心理学角度审视，其本义就是借情化人、以境感人，通过可触化、可视化的视域氛围，引领学生抽丝剥茧般地由浅层认知过渡到深度认知，其体验式、亲民化的教学属性明显比传统的灌入式、注入式教学更具吸引力；第二，从方法论角度审视，其理论基石是反映论原理，即人的认识是人在与客观世界的接触和实践中，逐渐形成的一种积极的、主动的、后天性的脑中产物。情境式教学中涉及的情境，通常都是教师深思熟虑后创设的，其收放有度的物质化样态呈现有利于通过辨别加工、信息处理，最终辅助学生获取高阶认知，而建模活动也是一种视觉化、物质化的，配合类比、思考等方法将日常问题的表征做进一步创造性转换的过程。勾连情境创设与建模活动可发现，情境式教学中的情境创设恰恰驱动了学生模型构建的各类学习活动，并且能够让学生在亲身经历、关联实际与拾级而上中不断达成具身化的学习过程，这就是情境式教学实践模型构建课教学的优势之一。

2.情境创设原则可驱动建模认知的序列化情境式教学源起于捷克教育学家夸美纽斯的《大教学论》，国内集大成者首推李吉林先生。结构化情境教学就是指根据教学内容层次和学生认知水平，科学化地创设一定梯度的认知情境，循序渐进地开展教学的一种模式[3]。情境创设需要遵循哪些原则呢？赵占良教授在《生物学概念教学论》一书中给出了情境创设的四原则，即引发问题原则、目标一致原则、真实可信原则、难度适宜原则。情境创设原则可帮助学生通过单一主题的系列活动，或完整项目的连环设计来助推模型构建过程，其过程大致可概括为：第一步，借助情境初体验，构建分析解决问题的可视化心智模型；第二步，借助情境次体验，修正心智模型；第三步，借助情境终体验，构建科学化模型解决问题。透过系列情境体验实施模型构建教学课可以发现：一方面，结构化情境可以缩短人与时空的交流距离，帮助学生在参与和体验中凭借已有的学习经验或知识贮备，收获从熟悉的生命世界中获取认知规律的喜悦；另一方面，以结构化情境铺展模型构建还能够让学生体味到模型构建的连贯性与系统化，明白当下科学世界的建构均源自不断挖掘蕴藏于现实表象间真理的螺旋式上升。总而言之，结构化情境教学中的情境创设原则可以助推学生从认知到建模这一过程中的条件的序列化。3.情境创设过程可驱动建模思维的科学化情境创设的过程不仅是学生获取知识的通道，还是实现有效交流与表达的途径，而凸显“化观为思、化思为行”特性的结构化情境创设过程映射的是科学思维、科学探究的核心素养底色。化观为思就是把可视化、可触化的表象转化为思考发展问题的学术观和方法观，在深入的思想交流、交融中形成思想共识；化思为行就是将学习思考的成效应用于现实操作，通过科学的实践手段来检验真知。其实，受限于东方文化中含蓄、内敛的传统特性，以及强调努力学习的传统教学文化，我国多数的科学课堂教学并不热闹，其中学生学习模型构建的思维是默会性与内隐性的，在论证模型构建合理性的时候往往会因思维的浅层或偏颇导致模型构建的囫囵吞枣[4]。“化观为思、化思为行”的情境创设过程则不然，它可以将学生错误的思维逻辑显性化暴露出来，并依据系统化、连贯性的结构化情境得到不断完善与修正，学生在此过程中便可以进行基于生物学事实和证据（这里特指结构化情境），运用批判性思维、演绎与推理、归纳与概括、创造性思维等方法，逐层、逐级地完成模型构建的科学化探索历程。想要通过情境创设过程促进这些思维的不断生成、完善，乃至于科学化，必然需要一个不断学习与探索的过程，而模型构建教学恰恰印证了这一过程。由此可见，“化观为思、化思为行”的情境创设过程可达成学生建模思维的科学化。

二、以结构化情境创设驱动模型构建教学的策略

在教学的多变环境中，教师采用的教学方法时刻影响着学生的知识理解、思维深化与拓展应用，而学生在教学场域中的反馈也影响着教师对教法的改进[5]。上文虽然从文献梳理与理论思辨的角度得出了用结构化情境创设实施模型构建教学存在很大优势，但课堂是一个特殊的“生态系统”，如何实现情境结构化与模型构建在同一个教学轨道上同向而行、高度关联，则需要在教学中设置阶梯性的问题，将推理任务合理分配，培养良好的倾听者（听清楚别人的论证并积极思考），更需要调适混乱的学生讨论环节，适时适度地改变教师的角色。正因如此，笔者以“下丘脑功能知多少”一轮专题复习课为例，自主创生并实施了模型构建课的情境式教学活动，以期完成教学向纵深方向铺展、知识向深度方向延展、思维向科学方向拓展的目标。

1.以结构化情境创设驱动模型构建教学的设计思路在“下丘脑功能知多少”专题复习课中，下丘脑如何参与水和无机盐的调节、体温的调节、血糖的调节是重点；如何将这三种调节方式有机地串联起来，帮助学生形成正确的稳态和平衡观是难点。科学、合理地创设结构化情境，承前启后地推进模型构建教学，恰能将整个单元的核心概念在这一节课中融会贯通。整个教学思路体系如图1所示。设计意图：以新闻视频创设结构化情境体验，将幸存者的感受与学生的生活体验有序结合，探寻隐藏于生物学表象背后的生命规律。然后借助归纳与概括、分析与推理等科学思维，将隐藏于生物学表象背后的生命规律用概念模型直观化地表现出来。以情境创设驱动模型构建过程不仅能引起学生的共情，完成三个主要模块知识体系的建构，还能使模型与建模的思维绽放于课堂，培养学生的科学探究精神。

2.以结构化情境创设驱动模型构建教学的课堂实践（1）以渴觉情境创设驱动生物学模型构建活动教学过程：第一步，情境展示。屏幕展示沉船事件的新闻采访视频，聚焦幸存者在海上漂浮时的第一感受：“非常口渴，想喝淡水。”第二步，情境交互。师提问：幸存者身处海洋，口渴时为什么不直接饮海水呢？生应答：直接喝海水会导致人体内渗透压失衡。师又问：谁是水和无机盐调节的神经中枢？哪种激素起主导作用？生应答：下丘脑中的渴觉中枢；促进肾小管、集合管对水分重吸收的抗利尿激素。第三步，模型构建。师说：所以，水和无机盐平衡的调节是神经-体液共同作用的结果。参考教材图解，结合幸存者海上漂浮的情况，每位同学单独完成学习单上的模型构建（如图2）后，再以小组为单位讨论，完善各自的模型构建图；然后每组各派一个代表，用磁力贴在黑板上共同构建“体温调节”的概念模型；最后借助构建的模型，陈述幸存者口渴的原因。根据漂浮者口渴脱水这一情境，自然引出水和无机盐平衡的调节，在复习了神经调节中枢和激素等相关知识的基础上，要求学生在学习单上独立完成模型构建、小组讨论完善模型构建、在黑板上用磁力贴动手完成模型构建，重在培养学生合作学习的协作能力、独立自主的学习能力和动手操作的实践能力。（2）以冷觉情境创设驱动生物学模型构建活动教学过程：第一步，情境展示。屏幕展示沉船事件的新闻采访视频，聚焦幸存者在海上漂浮时的第二感受：“到了晚上的时候，海水很凉，我们所有人都冷得发抖。”第二步，情境交互。师提问：为什么会发抖？生应答：发抖是为了产热，维持体温。师又问：我们可以看到体温调节是一个反射活动，效应器有哪些？生应答：皮肤血管、汗腺、骨骼肌、立毛肌、甲状腺。师再问：甲状腺是通过什么来调节的？生应答：下丘脑分泌的促甲状腺激素释放激素作用于垂体后，继而促使垂体分泌促甲状腺素，而促甲状腺素又促使甲状腺分泌甲状腺素，该过程属于激素调节。第三步，模型构建。师说：所以，体温恒定是通过神经和体液共同调节的。请参考教材图解，结合幸存者海上漂浮的情况，每位同学单独完成学习单上的模型构建（如图3）后，再以小组为单位讨论，完善各自的模型构建图；然后每组各派一个代表，用磁力贴在黑板上共同构建“体温调节”的概念模型；最后借助构建的模型，陈述幸存者发抖的原因。由于体温调节的模型较复杂，故尝试通过分解式引导，先帮助学生梳理构成反射弧的五个环节，区别肾上腺和甲状腺调节的差异，揭示体温相对恒定是通过神经-体液调节共同维持的。最后，再将以上貌似分散的问题转换成结构化的模型形式，帮助学生完成该单元知识点的体系建构。这既锻炼了学生的归纳与概括、逻辑与推理的科学思维能力，又同时彰显了学习活动的目的性、针对性与系统性。（3）以饿觉情境创设驱动生物学模型构建活动教学过程：第一步，情境展示。屏幕展示沉船事件的新闻采访视频，聚焦幸存者在海上漂浮时的第三感受：“在海上漂浮了30多个小时，人很饿、头很晕，全身没力。”第二步，情境交互。师提问：幸存者在海上漂浮了30多个小时，人很饿、头很晕，全身没力，这主要跟几乎没有进食有关。请猜测，此时他们的血糖浓度如何？血糖浓度的调节受什么激素影响？生应答：血糖浓度偏低，受胰岛素和胰高血糖素影响。师又问：胰高血糖素和胰岛素分别促进哪些途径，从而调节血糖浓度的稳定？生应答：胰岛素促进血糖的三个去路，胰高血糖素促进血糖的两个来源（分别在课件中指出）。师再问：人体血糖浓度的调节除了受激素的调节，是否也受神经调节？生应答：当血糖浓度低于3.33mmol/L时，或由于激动而过度兴奋，都会引起下丘脑糖中枢的反射性兴奋。第三步，模型构建。师说：综上所述，我们知道血糖浓度的调节是受神经-激素共同调节的，那么获救前血糖浓度较低，体内血糖是如何调节的呢？获救后，幸存者进食导致血糖浓度升高，又是如何恢复的呢？请同学们先在白板上分步搭建，完成白板上相应的模型图（如图4）。每组搭建好后，交流展示，纠错评价。最后借助构建的模型进行陈述：获救前，由于长时间未进食，导致血糖浓度偏低，刺激胰岛A细胞分泌胰高血糖素，同时通过神经调节，引起下丘脑糖中枢兴奋，作用到肾上腺髓质分泌肾上腺素、肾上腺皮质分泌肾上腺皮质激素，促进血糖的两 个来源，从而调节血糖浓度的相对平衡。获救后，幸存者通过进食，导致血糖浓度升高，进而刺激胰岛B细胞分泌胰岛素，促进血糖的三个去路（描述过程由多位学生指正并补充）。根据幸存者血糖浓度偏低这一情境，较自然地衔接到血糖平衡的调节，同时兼顾复习血糖的激素调节与神经调节。然而，这并不是这一模块的核心内容，能否分析真实情境并将此应用于实践才是这节课的目标。这一部分内容是本节课的难点，通过学生小组合作完成，引导学生分别循着实线和虚线箭头的方向搭建幸存者在获救前和获救后的血糖调节模型图，并正确描述过程，做到学以致用。（4）以渴觉-冷觉-饿觉的结构化情境创设驱动模型的整体化构建教师与学生一起构建模型并归纳总结：通过渴觉-冷觉-饿觉情境串联本单元的三大知识模块，以情境探究为引子，让学生在共情中积极思考、主动参与到模型构建的体系中来，发挥其思辨力的层次性、思维力的逻辑性。最后，在黑板上展现用磁力贴构建的“水盐平衡、体温平衡、血糖平衡”的整体化模型（如图5）。

三、以结构化情境创设驱动模型构建教学落实的关键

随着2017年高中生物学科新课标的修订与落地，模型的内涵也随之高维拓展，已从模型的初始定义（教具、挂图等）上升至模型构建的科学思维范畴。可见，我国教育界对“模型与建模”引领当代教学改革产生的重要性价值给予了充分的肯定。那么，以结构化情境创设驱动模型构建教学有哪些地方是教学中的落实关键？

1.以适切性、结构化的情境创设助力生物学模型构建教学在进行生物学模型构建教学时，应从知识背景的现实性、适切性和延展性的角度思辨。模型构建常起始于一个真实的情境，这些情境要符合学生的认知，贴近学生的生活，使学生在以情境体悟实施模型构建时具有强烈的支配感与支持度。因此，在以情境创设驱动模型构建时，要根据学生的知识贮备情况，以适切性原则关注学生的模型构建能力，渐进性、序列化地完成知识体系的模型构建。所有的建模活动都出自某种目的，如情境体验、原因追寻或预测趋势等，其背后一定遵循知识的延展性。只有科学合理地构建和运用模型，才能帮助学生实现知识概念的转变以及动手与合作能力的提升，使其获取分析和解决实际问题的能力，进而改善其学习的态度。所以，以结构化情境创设驱动模型构建教学要基于学生的最近发展区进行教学活动，多从学生的认知角度出发，多从学生的思维角度出发，多从学生的贮备知识出发，开发和探究易于让学生接受的模型，如此才能使模型内化于学生的头脑，成为他们分析和解决问题时心智操作的工具[6]。

2.以模型构建价值的追问促进教学观念变革以结构化情境创设驱动模型构建教学并非单纯教授模型构建的知识，还应帮助学生构建与优化心智模型。因此，教师要不断追问模型构建的育人价值，将学科教学的教学观念转型为课程育人的观念[7]。模型构建教学旨在面向全体学生，倡导探究性学习，注重通过生活模型来搭建朴质现实与抽象思维之间的联系。在以生为本的教学主张下，要充分调动学生的学习热情与参与广度，深度唤醒学生的动手与动脑意识，积极引导学生进行理性批判与学术反思，广泛开展生生互动与师生交流，以形成高质量、高品质的生物学课堂为第一目标。这种教学模式因基于学生的情境体验、生活认知而发生，能充分调动学生学习的主动性和积极性。以结构化情境这一载体驱动模型构建过程体现了人类社会发现和认识新事物的规律。从培养学生“以人为本”的价值观的视角来看，以结构化情境创设驱动生物学模型构建这一教学模式促成了学生对结构化情境与模型构建关系规律的认识，加强了学生从生活情境中探寻建模元知识的能力，有助于帮助学生建立科学的本质观。综上所述，在以结构化情境创设驱动模型构建教学中，结构化情境创设是感性认知的平台，模型构建是认知进阶的载体，以结构化情境创设驱动模型构建教学是归纳与概括、演绎与推理、模型与建模的科学探究历程，是用科学思维深度开发与转化生物学学科育人价值的探索路径，是当下生物学教学改革的必由之路。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：57.

[2]朱秀英，祝新颖，秦修业，等.论信息在认识发生中的作用[J].德州学院学报：哲学社会科学版，2004（03）：16-18.

[3]崔志钰.教学情境结构化：特征·策略·朝向[J].职业教育：下旬刊，2019，18（07）：14-22.

[4]左开俊.立足生物学模型构建的论证式教学研究[J].天津师范大学学报：基础教育版，2022，23（02）：55-58.

[5]丁奕然，吕立杰.论教法定势的二重实践样态及其固化突破策略[J].教育学报，2019，15（03）：40-47.

[6]左开俊.聚焦“数学模型建构”的生物学教学研究[J].天津师范大学学报：基础教育版，2020，21（03）：91.

[7]翟小铭，郭玉英.美国科学建模教育研究三十年概述及启示[J].全球教育展望，2015，44（12）：81-95.

作者:左开俊 单位:江苏省震泽中学