中学生物学模型构建教学的应然分析与实践意义

［摘要］ 首先对模型构建描述功能、解释功能、预测功能进行概述，进一步分析中学生物学模型构建教学的动机，重点关注外部因素与内部因素的关联，尝试激发并维持学生的建模动机。通过一系列实践探索，得出模型构建教学有利于学生表征个人知识、完善知识体系和实现学习迁移，同时还有助于学生观察能力、思维能力的培养。

［关键词］ 模型构建教学；教学功能；教学实践；中学生物学

近年来，世界各地对模型构建的关注日趋增强，并且许多国家在教育计划中多次提及建模能力（Modeling capability）。比如，20世纪80年代的美国，就将“建模”这一概念引入了“2061计划”，并在教育纲领文件中详细阐述了不同教育年龄层次应掌握的模型教育目标。生物学课程有自成体系的学科特征、思维方式和价值理念。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》提到，科学思维是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。“模型与建模”是科学思维的重要方法之一，其中模型具有描述、解释、预测科学现象的重要功能，它可以帮助学习者理解抽象、不可即时观察的科学概念；建模则是通过模型构建辅助学习者建构知识的一种手段，其能帮助学习者对所学概念进行协商，最终达成学习目标。因此，以模型为基础的建模式教学是教师在教学中可以广泛运用的策略。

一、中学生物学模型构建的功能与应用概述

1.模型的描述功能与应用

模型主要是通过抓住原型的本质特征，并依据类比原则，经过简化、纯化过程构建而成的。所以，借助模型可以有效地描述原型的本质特点，以及各组成成分和要素之间的关系，从而帮助人们更好地理解原型。比如，细胞膜的流动镶嵌模型（图略），很好地描述了细胞膜的组成成分，以及其具有一定流动性的结构特点、选择透过性的功能特点等。

2.模型的解释功能与应用

模型作为科学解释的一种工具，可以将逻辑、证据和现有知识建立关联，然后就认识对象的因果联系、结构与功能属性，以及这一对象的起源和发展给出合理的解释。模型解释的对象可以是一个过程、观点、想法、定律和原理等，如孟德尔基因分离定律、基因自由组合定律的遗传图解、达尔文自然选择学说的解释模型等。现代生物进化理论的解释模型如图1所示。

3.模型的预测功能与应用

模型的预测功能是指通过研究模型可以推测有关原型的未知属性等。模型的预测功能主要体现在科学知识的发展过程中。从认知规律角度来审视，模型是科学研究的核心工作，而基于模型的科学研究则是推动科学知识发展的动力，是人们不断地构建模型、修改模型，甚至完全推翻原有的模型再重新构建新的模型的过程。当一个科学模型成为科学范式的时候，它会直接提高科学家的认知，并且使他们倾向于运用此模型来预测和发现新的事物。其实，模型的预测功能还表现在通过研究模型来揭示事物的发展趋势和发展规律，从而预测事物将来的发展状态或者预测新事物的产生。例如，根据测绘的种群S形曲线，为合理地控制种群数量、适时采伐、捕获等提供理论指导，为害虫的预测及防治提供科学依据，为保护珍稀、濒危物种提供切实可行的方法等（见表1）。

二、中学生物学模型构建教学动机的应然分析

中学生物学模型构建教学的动机是激励学生在建模活动中充分发挥手脑协作功能，是推动学生解决实际问题的动力源泉。中学生学模型构建教学同外部因素与内部因素有着密切的关联。

1.外部因素与内部因素

教师在教学中重视生物学知识的应用和建模。学生在这样的教学活动中经历了生物学知识应用与建模的过程，感受到生物学知识应用于实际生产生活的意义。教师为学生创设的生物学建模的环境与条件，以及在教学中教师对学生提出的各种要求，这些方面共同形成了学生对生物学知识进行应用与建模的外部动机。

中学生兴趣爱好较为广泛。在课余科普读物中，学生可能阅读到与生物学知识应用与建模有关的内容，并对其产生兴趣，或者从本校的或外校的同学参加生物学知识应用与建模活动中受到启发，获得自己认知结构中所没有的新信息。由此，学生会产生一种好奇心，产生想进一步了解它的愿望，并且会产生自己也想用所学过的生物学知识去解决实际问题的需求。所以，学生生物学建模内部动机的最大特征就是成就动机。有的学生出于对生物学的爱好，有一种把生物学这门学科学好的认知心理需求。有的学生由于参加过生物学知识应用与建模的活动并取得了一些成绩，对生物学建模有了切身体验，获得了一些成功的经验。他们通过运用自己掌握的生物学知识解决实际问题，在克服重重困难后终于取得成功，由此在心理上获得一种满足感，并产生自我发展的需求。

2.外部因素与内部因素的关联

外部动机与内部动机是相互联系、相互补充的，并且是可以互相转化的。学生在外部动机作用下，完成教师布置的生物学知识应用与建模作业，正确回答教师提出的问题，对实际情境中的数量关系作出合理的解释，从中逐渐产生了对生物学建模的兴趣，此时外部动机就转化为内部动机。相对而言，外部动机是短暂的，其作用是有限的，而内部动机则是持久的、强烈的。事实证明，仅靠建模的外部动机，学生生物学知识应用建模活动难以长久地开展下去，也不太可能取得良好的效果。只有不断激励并保持学生建模的内部动机，建模活动才能良性地开展下去。

3.激发并维持学生的建模动机

为了激发并保持学生的建模动机，教师在教学活动中应做到以下几点。第一，创设问题情境，激发求知欲，培养兴趣。在生物学知识应用与建模教学活动中，教师要创设丰富、生动的问题情境，并用富有感染力的教学语言激发学生的求知欲，以便培养学生的建模兴趣。第二，防止焦虑。学生参加生物学知识应用与建模活动，会遇到各种各样难以预料的困难和挫折，这些紧张、担心、害怕、怀疑都是焦虑心理的表现，一定的焦虑能促进学生建模的积极性，但是过度的焦虑却会导致建模动机的动摇甚至丧失。为此，教师在建模活动中要密切关注学生建模工作的进展、心理活动的状态，并设法就不同学生产生的问题，有针对性地鼓励他们迎接困难和挑战，给他们提供一些解决困难的具体帮助和建议。第三，及时评价，激励成就动机。教师要认可学生好的想法和做法，肯定学生工作中取得的成果，同时用合情合理的方式指出学生在建模中存在的问题。这种及时、恰当的评价，有助于激励学生建模的成就动机。

三、中学生物学模型构建教学的实践意义

模型构建教学的意义主要体现在学生可以借助模型对生命现象做出解释，通过模型对科学探究做出猜测，凭借模型对科学本质做出判断。越来越多的国家将模型引入课程，旨在借助模型促进学生加深对事物的理解，引导学生学会运用模型来解释客观事物发展和运转方式。其实践意义主要有以下两点：

1.表征个人知识、完善知识体系和实现学习迁移

思维建模的方式有很多种，包括语义网络、概念图、知识图谱、意象图式等，当下最为流行的是思维导图。知识体系的建构表现在，学生借助教师创设的情境与提供的建模工具，在解决问题的过程中，进一步调整自己的概念模型结构，并通过多种形式的认知呈现，丰富和拓展内部的认知概念模型的意义，从而实现知识的进一步系统化建构。各学科教学的一个重要目的是帮助学生形成终身受用的关键能力和必备品格，其中知识迁移是一种重要的学习能力，而指向问题解决的思维建模方式能帮助学生形成在其他情境下灵活地应用、转变、改造相关知识的能力，从而实现学习的迁移。表征自己的知识，完善知识的建构，实现学习的迁移的过程，这些都是需要学生主动完成的。同时，随着在不同情境下问题解决能力的提高，学生进一步感受到学科知识运用的意义，从而形成真正意义上的价值认同。

2.模型构建有助于观察和思维能力的培养

观察是人们认识世界、增长知识的重要手段。建模活动中问题的提出、变量的筛选、生物学模型的建立和识别、规律的发现等，都依赖反复而认真的观察。不仅如此，思维和想象、模型的计算也都以观察为基础。对于中学生物学模型构建教学中的观察，首先是观察全局，问题情境呈现了一些什么现象，这些现象中有哪些因素在相互作用、相互影响，哪些因素可以用数量来描述，其中哪些是常量、哪些是变量；其次是观察哪些量彼此相关，是一种什么关系，在确定了研究对象之后，则要深入局部，侧重观察研究对象与哪几个量有关，其中对研究对象影响较大的量有哪些；当学生通过调查掌握了一些数据之后，最后要观察这些数据是怎样变化的、有无规律可循、是什么样的规律等。

这里的思维主要指生物学思维，它贯穿于生物学知识应用与建模活动的始终。学生生物学思维的发展大致分为两个阶段。第一阶段，学生处于形象思维的初级阶段。在这一阶段，对观察到的材料加工、整理，并将感知到的数量关系及结构或空间形式，转换成生物学的语言，如符号语言、图形语言、表格语言、算法语言等。第二阶段，一般是逻辑思维阶段和形象思维的高级阶段。学生将所感知到的材料与自己已有的认知结构相比较，根据观察感知到的材料的性质与特点，将问题归类，确定建模的方向，创造性地建立生物学模型。如果说，学生已有的生物学知识和方法不足以研究解决所面临的问题，则需要学习新的知识和方法，或者重新观察、分析材料，通过抓住主要因素，舍去次要因素，进一步简化问题，形成新的认知，在一个新的层面上重新建模并求解。

综上所述，中学生物学中的模型构建教学是课程教学改革背景下的应然取向。开展模型构建教学，不仅有利于中学生物学课程改革的落地，还有利于学生核心素养的培养。

[本文系江苏省教育科学“十三五”规划课题“模型构建：聚焦中学生物学科探究式教学的研究”（项目编号：JS/2020/YZ-c/2020/13）研究成果]

［参考文献］

［1］左开俊.模型与建模：中学生物学模型教育[M].苏州：苏州大学出版社，2003.

［2］朱正威，赵占良.普通高中教科书·生物学·必修2：遗传与进化[M].北京：人民教育出版社，2019.

［3］左开俊.以跨学科知识渗透深化生物学教学育人价值[J].天津师范大学学报（基础教育版），2021，22（01）：88-92.

［4］左开俊.以结构化情境创设驱动生物学模型构建教学[J].教学与管理，2023（13）：49-53.