高中生物教学中物理模型的建构

高中生物教学中物理模型的建构【摘要】科学思维是生物学科核心素养的重要方面之一，《普通高中生物学课程标准（2017

年版

2020

修订版）》中明确指出“模型与建模”是一种科学思维方法。物理模型是模型中的一种重要类型，其建构过程是一种既需要动手又需要动脑的学习过程，开展物理模型建构教学有利于培养学生的生物学科核心素养。【关键词】模型物理模型模型建构新修订的《普通高中生物学课程标准（2017

年版》就指出“中国学生发展核心素养是党的教育方针的具体化、细化。”2020

年修订版依然沿用该内容。高中生物学课程的基本理念之一就是以“核心素养”为宗旨，发展学生的学科核心素养要从生命观念、科学思维、科学探究和社会责任等方面进行，这一“学科核心素养”是“学生发展核心素养”在学科课程中的进一步分解。而在新的课程标准中明确指出“模型与建模”是一种科学思维方法，学生在学习过程中需要运用模型和建模的方法来探讨、阐释生命现象及规律。因此，在教学中进行“模型建构”有利于培养学生的生物学科核心素养。一、什么是模型？2003

版课程标准中共有

17

处提到“模型”一词，而新修订的课程标准中多达

36

处提及“模型”一词。人教版新教材《分子与细胞》一册

P.57

中明确指出“模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所做的一种简化的描述，这种描述可以是定性2的，也可以是定量的；有的借助于具体的实物或其他形象化的手段，有的则通过抽象的形式来表达”。模型的形式有很多，包括物理模型、概念模型、数学模型等。二、什么是物理模型？以实物或图画形式直观地表达认识对象的特征，这种模型就是物理模型。通俗的讲，物理模型就是根据相似的原理，按照比例将真实的事物放大或缩小制成的模型。三、用活不同类型的物理模型当前的教育倡导要转变教师的教学观念和学生的学习观念，从而转变学生的学习方式，化被动为主动，尤其提倡以“学生”为核心的科学探究过程中科学方法的学习，特别是建模的方法尤为重要。物理模型作为模型中的一种重要类型，在高中生物教学中扮演着十分重要的角色。而物理模型的建构是一种既需要动手又需要动脑的过程，学生可以通过建构物理模型主动地掌握相关的生物学概念。由此看来，开展物理模型建构教学非常符合“倡导学生主动学习”的教育理念。（一）实物物理模型的建构活化了抽象知识在高中生物学教材中，我们常常会看到一些结构模式图、结构示意图、原理过程图解等，这些插图具有将生物学知识简化、直观化的作用。这些教材插图，可以称得上是生物学的第二语言,具有直观形象,简明生动的特点,能够表达出丰富的生物学信息,是生物学教学内容的重要组成部分。3但是教材插图大多是平面的，缺乏空间感和实物感，学生往往会在理解插图中各结构之间的位置关系时感到困难。那么，如果教师能够引导学生动手操作，建构实物模型，不但对于在学生头脑中形成空间概念以及达到全面掌握和深刻理解起到事半功倍的作用，而且对于提高学生的动手能力和培养学生对生命科学的兴趣具有及其重要的意义。【案例

1】在学习《细胞的基本结构》这部分内容时，教师引导学生利用橡皮泥、超轻黏土、硬油泥、扭扭棒（作为磷脂分子的尾部）、电线、铁丝（用来固定磷脂双分子层）等实验材料构建“真核生物细胞的亚显微结构模型”、“生物膜的流动镶嵌模型”等。4【案例

2】《DNA

分子的结构》一节中，“DNA

分子的双螺旋结构”是本节学习的重点和难点。在教学过程中，教师引导学生合理利用物理模型构建的过程，加深对概念的理解。

1．利用彩纸制作

DNA

分子结构的平面模型①利用小纸条，按照折星星的方法折成“脱氧核糖”；②剪一些圆形作为“磷酸”；③按照以下图样制作

4

种碱基，其中

A

的数量等于

T

的数量，C的数量等于

G

的数量；④利用订书钉代替化学键，组装脱氧核苷酸；⑤按照碱基互补配对原则，将一个个脱氧核苷酸进行组装，最终5构建出

DNA

分子结构的平面模型。但是，真正的

DNA

分子并不是平面的，那么怎么才能展现DNA

立体的双螺旋结构呢？学生们利用橡皮泥或超轻黏土制成磷酸，用吹塑纸剪出脱氧核糖和碱基，用铁丝代替化学键，来构建

DNA

分子的双螺旋结构模型，方法是可行的，但是不容易展示和携带，最终教师通过在网络上搜集资料，发现了可以用纸折叠成

DNA

双螺旋结构的方法，纸样如下：将上述纸样（左图）直接打印在

A4

纸上，一张

A4

纸打印6一面，就可以折叠起来做一个

DNA

分子的双螺旋结构模型（右图）了。操作过程简单方便，一张

A4

纸就可以解决问题，成果展示也更加直观。（二）图画物理模型的建构提升了识图水平实物物理模型在大小、色彩、视觉等方面有着一定的局限性，在日常教学中使用不是很广，但是以图画形式构建物理模型则比较普遍，通过这样的物理模型的构建，学生养成了一种思维习惯，凡遇抽象的结构或过程，都会尝试用简易的图画协助理解、思考。如上面利用实物建构的“真核生物细胞的亚显微结构模型”、“生物膜的流动镶嵌模型”等，同样可以通过绘图的方式呈现。78再如，分泌蛋白的合成和运输、兴奋在神经元之间的传递等过程，都是高中生物教学中的重难点。教学过程中，教师可以利用多媒体动画辅助教学，但大部分学生往往只是看“热闹”，对这些过程掌握的并不扎实，印象也不深刻，这是导致在实际做题过程中经常出错的重要原因之一。鉴于这种情况，教师可以引导学生利用课余时间亲自画一画这些过程，帮助学生突破重难点。9四、物理模型的建构在高中生物教学中的意义（一）建构物理模型，改变学生的学习方式学生在学习生物的过程中，往往会认为生物是理科中的“文科”，只要死记硬背就行，特别是对于微观世界的认知，也都只是机械地记忆。在高中生物教学的过程中，教师通过引导学生建构物理模型，转变教学模式，改变学生的学习方式，变“被动”为“主动”，这样既能培养学生的创新意识与创新能力，也有利于学生养成科学思维的习惯。（二）建构物理模型，激发学生的学习兴趣兴趣是学生学习的内在动力，正如布鲁纳所说：“学习最好的刺激乃是对所学材料的兴趣。”模型能够将复杂的事物简单化，静止的事物生动化，抽象的事物形象化，学生在建构物理模型中既体验科学家的探究过程，又能理解和掌握知识，提升学习兴趣。10同时，对于学生建构的模型，教师可以为其搭建展示的平台，充分肯定学生的劳动成果，能更加有效地激励学生学习生物的热情。（三）建构物理模型，软化生物教学过程高中生物知识中，有大量复杂的、抽象的知识，学生面对这些内容，抓不住学习的要点。教师如果只是为学生详细地讲解一番，学生可能很难听懂；如果为学生播放多媒体视频，学生看完视频可能就忘了。面对这样的情况，教师可以引导学生建构物理模型。掌握了建构物理模型的方法，不仅能深刻地理解知识，还能使学生的认知水平从感性思维上升到理性思维。在建模过程中个，教师引导学生寻找适合的材料，揭示现象的本质，将教学重、难点化繁为简。【案例

3】“细胞分裂”历来都是生物教学中的重点和难点，为了帮助学生理解这部分知识，教师利用“扭扭棒”作为材料，边讲解边让学生分组构建细胞有丝分裂或减数分裂的过程，培养学生主动探究的意识，真正体现学生的主体地位，使得抽象的知识形象化，原本难懂的微观世界仿佛栩栩如生，历历在目。11（四）建构物理模型，提高学生的探究能力苏霍姆林斯基认为：“让学生体验到一种自己在亲自参与掌握知识的情景，乃是唤起青少年特有的对知识的兴趣的重要条件。”物理模型的建构就为学生提供了这样的情境，在建构模型时，学生首先要确定建模对象，选择合适的建模方法，通过亲历思考和探究完成知识体系的建构，领悟科学探究的方法，感受科学探究的乐趣，最终检验所建构模型的科学性和准确性。【案例

4】在讲述

DNA

分子复制方式的特点时，如果教师直接阐明“DNA

分子复制的方式具有半保留复制的特点”，学生虽然可以较快地掌握这一结论，但却是被动地接受知识，失去了科学探究的乐趣。于是，教师引导学生利用“扭扭棒”这一材料，来探究

DNA

分子的复制方式。通过层层分析，学生不仅能够自己得出结论：DNA

复制方式具有半保留复制的特点，同时还能感受科学探究的魅力，制作出如图

2

的物理模型。总之，