模型建构·素养导向：跨学科视角下的“细胞模型工坊”教学设计

模型建构·素养导向：跨学科视角下的“细胞模型工坊”教学设计一、教学内容分析

本节课内容源自初中生物学课程“细胞是生命活动的基本单位”这一核心大概念，具体对应于苏教版七年级上册中关于“植物细胞和动物细胞基本结构”的深入学习。从《义务教育生物学课程标准（2022年版）》看，其坐标清晰：在知识技能层面，要求学生能阐明细胞各结构的功能，并辨识动植物细胞的异同，这构成了后续理解细胞分裂、分化乃至个体生理活动的基石。过程方法上，课标强调“探究实践”，明确提出“通过模型制作，直观表达对科学概念的理解”。这不仅仅是一项手工活动，更是“模型与建模”这一关键科学思维与方法的外化实践。其素养价值深远：通过亲手建构，学生得以将微观抽象的结构转化为宏观具体的模型，深化结构与功能相适应的生命观念；在小组协作、材料选择与创意设计中，发展科学探究、合作沟通与创新实践能力，实现从知识记忆到素养生成的关键跃迁。因此，本课设计超越了传统识图认结构，定位为一次整合科学、工程、美术等多学科元素的“设计制作评价”项目式学习。

从学情诊断看，七年级学生已通过前序学习，对细胞有了“生命基本单位”的宏观认识，并能初步识别细胞膜、细胞核等部分结构名称，这构成了教学的“最近发展区”。然而，学生普遍存在的认知障碍在于：对细胞器空间排布的立体感知模糊；对“结构如何支撑功能”的理解停留在机械记忆层面；同时，模型建构的科学方法与评价标准认知空白。此外，学生在动手能力、创意表达和小组协作水平上呈现显著差异。基于此，教学对策是：提供分层“脚手架”，如呈现标准图、动态视频、半成品组件，降低空间想象门槛；设计驱动性问题链，引导学生将材料特性与细胞功能关联思考，促进深度理解；引入清晰的量规，让建模过程“有法可依”。课堂中将通过追问、草图设计分享、过程性观察等形成性评价，动态把握各组理解进程与协作状态，及时提供个性化指导，确保不同起点的学生都能在挑战中获得成长。二、教学目标

知识目标：学生能够系统阐述植物细胞与动物细胞各主要结构（如细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞核、叶绿体、线粒体等）的名称与核心功能，并能在模型上准确标注；能通过对比自己制作的模型与标准示意图，清晰辨析两类细胞在结构上的本质区别与联系，构建起关于细胞基本结构的系统性认知框架。

能力目标：学生能够以小组为单位，经历“明确问题—设计方案—选择材料—制作调试—展示讲解”完整的模型建构流程；能够基于“结构与功能相适应”的观点，论证所选模拟材料的合理性；能够依据评价量规，对自我及同伴的模型作品进行有依据的描述与评估，并流畅地进行成果汇报与答辩。

情感态度与价值观目标：在小组协作建模过程中，学生能主动承担角色任务，积极倾听、有效沟通，尊重不同的创意观点，体验团队合作的价值与乐趣；通过从微观世界获取创作灵感，感受生命结构的精巧与和谐，激发探索生命奥秘的内在好奇与持久兴趣。

科学（学科）思维目标：重点发展“模型与建模”思维。学生能理解科学模型是表征、解释和预测科学现象的工具，并能评估所建模型的优点与局限性；强化“结构与功能观”，能自觉运用该观点分析细胞各组成部分的作用，并将其迁移至材料选择的决策中。

评价与元认知目标：学生能够借助教师提供的多维量规，在建模过程中进行自我监控与调整；在作品展示与互评环节，能依据标准给出建设性反馈，并能反思本组模型建构过程中的策略得失，如“我们为何调整最初方案？”“哪些设计更好地体现了功能？”，初步形成对学习过程的规划与反思习惯。三、教学重点与难点

教学重点：引导学生基于“结构与功能相适应”这一核心生命观念，完成动物细胞或植物细胞三维实体模型的创意设计与制作。重点的确立，源于其在学科大概念体系中的枢纽地位：对细胞结构的认知是理解所有生命活动的基础，而“结构与功能观”是贯穿生物学始终的基本思想。将观念转化为具体的设计与制作行动，是达成深度理解、实现素养落地的关键一步，这一过程综合运用了知识、思维与实践能力，是评测学生是否真正内化核心概念的重要标尺。

教学难点：难点一在于学生如何将二维的平面示意图转化为合理、科学的三维立体模型，并体现各结构间的空间位置关系。这涉及空间想象与工程转化的能力，对部分学生构成挑战。难点二在于学生在选择模拟材料时，能否超越外形相似，深入论证材料特性与所模拟细胞器功能之间的逻辑关联。预设难点成因是学生易满足于“像”，而缺乏“为什么用它”的深层思考。突破方向在于：提供多层次范例与类比启发，搭建“功能—材料特性”匹配的思维脚手架，并通过追问和量规引导，将评价焦点从“美观”引向“科学性与创意性并重”。四、教学准备清单1.教师准备

1.1媒体与教具：交互式白板课件（含高清动植物细胞结构图、结构功能简介动画、优秀模型案例图集）；实物投影仪。

1.2材料与工具包：为各小组提供基础材料包（如不同颜色的超轻黏土、橡皮泥、塑料薄膜、细铁丝、彩色卡纸等），并在教室设立“跨学科材料自助站”，提供海绵、谷物豆子、塑料瓶盖、果冻盒、毛线等开源材料。

1.3学习支持工具：《“细胞模型工坊”项目任务书》（含驱动问题、步骤引导、记录页）；《细胞模型科学性、创意性评价量规》表。2.学生准备

复习教材中细胞结构示意图；以小组为单位，提前从生活中搜集12种可用于模拟特定细胞器的创意材料，并思考理由。3.环境布置

教室桌椅调整为68个小组合作岛屿式布局；白板预留“模型设计理念分享区”和“我们的疑问”板块。五、教学过程第一、导入环节

1.情境创设与认知冲突：教师通过白板展示一幅极度精美的细胞内部艺术想象图，随后切换至电子显微镜下的真实细胞照片。“同学们，左边这幅图恢弘如宇宙，右边这张照片却看似平淡。但科学告诉我们，右边这个微小的空间里，每时每刻都在进行着比任何科幻大片都精密的生命活动。我们如何能‘看见’并理解这个神奇的微观世界呢？”

1.1提出核心驱动问题：“今天，我们将化身细胞建筑师，开启‘细胞模型工坊’。我们的核心任务是：如何利用身边的材料，建造一个既科学准确又富有创意的细胞三维模型，来向他人解释细胞的结构与功能？”（板书核心问题）

1.2明晰学习路径与唤醒旧知：“要完成这个挑战，我们需要三步走：第一，当好‘解码员’，精确把握细胞结构的图纸；第二，成为‘材料工程师’，为每个结构找到最合适的‘替身演员’；第三，担任‘建造师与解说员’，动手建造并精彩展示。我们先来快速回顾一下，动植物细胞这座‘微型城市’里，有哪些关键的‘功能区’？”（通过快速提问，引导学生回忆细胞膜、细胞核、叶绿体等基本结构名称，为新课学习锚定起点）。第二、新授环节任务一：解构与聚焦——从图纸到设计清单

教师活动：首先，引导学生分组观察动植物细胞高清示意图与三维动画，提出引导性问题：“请大家对比一下，动植物细胞这座‘城市’的‘城墙’和‘能源站’有何不同？哪些结构是植物独有的‘特色建筑’？”接着，发放《项目任务书》，指导各小组选择一种细胞类型（植物或动物）作为建模对象，并完成“设计清单”第一部分：列出必须呈现的核心结构（如细胞膜、细胞核、线粒体），并简要写出其核心功能。教师巡视，重点关注学生对“细胞质”这一动态区域的理解，适时插入点评：“有小组把细胞质比作‘城市的内部环境’，这个想法很棒！它可不是空的，里面忙碌着呢。”

学生活动：小组成员共同观察、讨论，完成对比分析。通过协商确定本组建模的细胞类型，并合作填写“设计清单”，明确需要制作的结构条目及其功能，初步形成统一的目标认知。可能产生争论，例如关于线粒体是否在植物细胞中必须呈现。

即时评价标准：1.清单是否清晰区分了动植物细胞的异同。2.对结构功能的描述是否准确，能否用自己的话进行解释，而非照抄课本。3.小组讨论时，成员是否均有机会表达观点，并最终达成一致。

★核心概念：动植物细胞基本结构的共性与差异。共性结构（如细胞膜、细胞质、细胞核、线粒体）是维持细胞基本生命活动所必需的。▲关键区分：植物细胞特有结构。细胞壁（支持保护）、叶绿体（光合作用）、大液泡（储存营养和废物）。★易错点辨析：“线粒体是动植物细胞共有的‘动力工厂’，植物细胞也需要它来提供能量。”教师需强调，避免学生误以为只有动物细胞才有线粒体。任务二：跨学科材料库的建立与选择

教师活动：组织“材料论证会”。邀请23个小组分享他们从生活中搜集的创意材料及模拟设想。教师引导学生聚焦论证：“为什么选择这个材料？它的什么特性匹配了该细胞器的功能或形态？”例如，有学生用透明保鲜膜模拟细胞膜，教师追问：“很好，透明且柔软。但怎么体现它‘控制物质进出’这个更重要的功能呢？能否在模型上做些创意表达？”随后，介绍“材料自助站”，鼓励学生在基础材料包外进行创新组合。提供思维脚手架：“想想看，模拟细胞核的材料，是应该坚硬还是柔软？为什么？模拟线粒体的材料，如何体现它‘能量转换站’的内涵？”

学生活动：各组展示预选材料，并接受其他小组和教师的提问，在答辩中完善自己的选择理由。各小组根据论证和启发，最终确定用于模拟各细胞结构的具体材料，并记录在“设计清单”第二部分。这是一个充满思辨和创意碰撞的过程。

即时评价标准：1.材料选择理由是否紧密结合“结构与功能”，论证是否合理、有逻辑。2.是否能吸收他人建议，优化本组方案。3.是否考虑到了材料加工和组装的可行性。

★学科方法：模型建构中的“表征与对应”原则。科学模型不追求完全复制，而是抓住关键特征进行表征。★思维提升：从“形似”到“神似（功能相似）”。引导学生思考，一个包裹着豆子的塑料袋（模拟细胞核与核膜），比单纯一个圆球，更能体现“控制遗传信息出入”的功能隐喻。▲教学提示：肯定学生天马行空的创意，但需用科学原理将其“锚定”，防止模型成为纯粹的艺术品。任务三：草图绘制与方案可行性推演

教师活动：要求学生将设计转化为二维草图。“大家把你们的构思画在记录页上，注意结构间的相对大小和位置关系。细胞核通常不会在正中心吧？叶绿体应该分布在细胞的什么区域？”教师巡视，针对草图提供个性化指导。对设计复杂的小组，提醒注意时间管理和结构主次；对设计较简单的小组，鼓励他们思考如何增加一个能体现功能的细节，例如：“能否在细胞膜上做个‘小门’，表示载体蛋白？”

学生活动：小组共同绘制模型设计草图，标注各部分所用材料。通过绘图，进一步具象化构思，并可能发现设计矛盾（如空间不够、结构堆积），从而进行方案调整。这是一个将思维可视化的关键步骤。

即时评价标准：1.草图是否清晰展示了各结构的空间布局与相对大小关系。2.设计是否在科学性的基础上体现了小组的独特创意。3.小组成员是否就设计细节进行了有效沟通与协作绘图。

★核心概念：细胞的立体结构与空间秩序。理解细胞内部是一个动态、有序的空间，细胞核并非总是居中，细胞器分布于细胞质中。★实践能力：设计思维与方案规划。将抽象构思转化为可执行的方案，是工程实践的重要环节。▲易错点：学生易忽略各结构的大小比例，教师需提供近似比例参考（如细胞核约占细胞体积的1/10），但允许为突出特征进行适度艺术夸张。任务四：动手建构与实时调试

教师活动：宣布“工坊”正式开工，明确制作时间（约15分钟）。教师转变为顾问和支持者，在各组间巡回。提供技术支持（如如何固定材料），更通过提问促进深度思考：“你们用绿色绿豆模拟叶绿体，那怎么区分同样是颗粒状的线粒体呢？”“这个毛茸茸的材质代表什么？是为了增加表面积吗？这个想法太妙了！”同时，观察小组分工协作情况，鼓励每个成员参与。

学生活动：各小组根据草图分工合作，使用选定材料动手制作模型。在制作过程中，可能会遇到技术难题或产生新的灵感，对原方案进行实时调整与优化。这是一个手脑并用、协作解决问题的核心实践阶段。

即时评价标准：1.制作过程是否基本遵循设计方案，调整是否有合理理由。2.小组成员分工是否明确，合作是否高效、有序。3.能否在遇到困难时主动尝试解决或寻求帮助。

★核心素养：科学探究与实践。将设计方案付诸实践，在动手操作中深化理解，培养解决问题的能力。★情感态度：团队协作与工匠精神。在共同完成一件“作品”的过程中，学会配合、妥协与坚持。▲教学提示：教师应容忍过程中的“混乱”与试错，关注过程性成长而非仅仅追求完美的成品。任务五：展示准备与解说词打磨

教师活动：在制作尾声，分发《评价量规》，简要讲解科学性、创意性、工艺与协作等维度的要求。“请大家对照量规，为你们的模型准备一段1分钟的‘导览解说’。重点不是复述课本，而是讲出你们最独特的设计巧思和科学考量。”教师可示范：“比如，我们可以这样开头：‘我们组建造的是一个植物细胞城市，最引以为傲的设计是用层层滤网模拟了细胞膜的选择透过性……’”

学生活动：小组对照量规，从外旁观者的角度审视自己的作品，进行最后微调。共同商讨、撰写并练习展示解说词，推选出主要解说员或决定分工解说。这个过程促使学生对整个项目进行复盘和提炼。

即时评价标准：1.解说准备是否围绕模型的设计亮点与科学逻辑展开。2.能否依据量规进行初步的自我评估。3.小组成员是否共同参与了解说词的构思。

★能力目标：科学表达与交流。将实践过程和科学思考清晰、有条理地表达出来，是科学探究的重要环节。★元认知目标：基于标准的自我评估。引导学生利用工具反思学习成果，培养批判性思维。▲方法提炼：优秀的科学展示应做到“重点突出、理由充分、表达清晰”。第三、当堂巩固训练

1.基础层（全员参与）：模型展示与互评。每个小组限时1分钟展示解说本组模型。其他小组作为“评审团”，依据《评价量规》的某一指定维度（如科学性），进行倾听并准备一句话点评或提问。教师随机抽取评审团成员发表意见，如：“请问第三组，你们用弹簧模拟线粒体内膜褶皱以增大面积，这个设计非常棒！你们是怎么想到的？”

2.综合层（小组深化）：教师提出情境化应用问题：“假设我们要为一个盲人朋友讲解你们的细胞模型，你们会如何调整展示方式或模型本身，让他也能‘看见’细胞的结构？”引导小组在短时间内讨论并分享策略（如强调触感差异、用不同纹理材料、增加可活动部件等）。这训练学生在新的约束条件下迁移应用知识。

3.挑战层（个体思考）：教师提出反思性问题：“所有的科学模型都是不完美的。请思考一下，你们小组的模型最大的局限性是什么？它可能传递了哪些不准确或容易让人误解的信息？”鼓励学有余力的学生进行批判性思考，认识到模型的工具属性及其边界。例如，静态模型无法展示细胞质的流动和物质运输。

反馈机制：教师在整个过程中汇集共性亮点与待改进点，进行集中点评。不仅点评作品的科学性、创意，更点评互评环节中体现出的倾听质量与提问水平，将巩固环节本身也作为学习过程。第四、课堂小结

知识整合与元认知反思：邀请学生代表（而非教师）总结本节课的核心收获。“今天‘细胞模型工坊’即将收官，哪一位建筑师愿意分享一下，通过这次建造，你对细胞有了哪些新的认识？”引导学生从知识（结构功能）、方法（建模步骤）、思维（结构与功能观）等多维度进行总结。教师在此基础上，用板书勾勒出“观察解构—设计论证—动手建构—展示评价”的模型建构一般流程，并点明其背后的科学思维价值。

作业布置与延伸：公布分层作业。必做（基础性）：完善《项目任务书》记录，并根据课堂互评反馈，用一段话反思本组模型的优点与一个可改进之处。选做A（拓展性）：尝试为你制作的细胞模型添加一个“动态功能”说明卡，用图文解释某一结构是如何行使其功能的（如：线粒体“燃烧”养分释放能量）。选做B（探究性）：查阅资料，了解科学家目前最前沿的细胞模型（如3D生物打印细胞、计算机模拟细胞），写一份简要介绍，并思考它与我们今天做的实体模型有何异同。

“模型的魅力在于，它让我们无限接近真理。希望今天的工坊经历，能在你心里种下一颗用创造探索科学的种子。下课！”六、作业设计

基础性作业（必做）：1.完成并提交《“细胞模型工坊”项目任务书》，确保设计清单、草图、反思记录完整。2.绘制一张简单的对比表，列出植物细胞与动物细胞在结构上的三个主要区别。

拓展性作业（选做A）：选择一种细胞器（如叶绿体或线粒体），为其制作一个更精细的“子模型”或设计一张宣传海报，突出其“结构与功能相适应”的特点。要求图文并茂，解释清晰。

探究性/创造性作业（选做B）：以“如果细胞是一个____”为题（如“如果细胞是一个国家/工厂/社交网络”），撰写一篇短文或绘制一组漫画，用比喻的方式系统阐述各细胞结构如何协同工作。要求比喻合理，能体现科学逻辑。七、本节知识清单及拓展

★1.细胞的基本单位地位：除病毒外，生物体均由细胞构成，细胞是生命结构和功能的基本单位。

★2.植物细胞与动物细胞共有结构：细胞膜（边界，控制物质进出）、细胞质（进行生命活动的主要场所，胶状物质）、细胞核（控制中心，含遗传物质）、线粒体（呼吸作用场所，动力车间）。

★3.植物细胞特有结构：细胞壁（最外层，支持和保护，成分为纤维素）、叶绿体（光合作用场所，能量转换站，含叶绿素）、液泡（内含细胞液，储存营养物质和废物）。

▲4.细胞核的结构细节：内含遗传物质DNA，外被核膜，核膜上有核孔实现核质间物质交换。

▲5.线粒体与叶绿体的比较：均为能量转换相关细胞器，但叶绿体将光能转化学能（储能），线粒体将化学能释放（供能）。均具有双层膜，以增加膜面积。

★6.“结构与功能相适应”实例：细胞膜由磷脂双分子层构成，作为柔性屏障；叶绿体含大量基粒片层，极大扩展受光面积。

▲7.真核细胞与原核细胞（拓展）：本节课所学的动植物细胞均为真核细胞，有以核膜为界的细胞核。细菌等原核细胞无成形细胞核。

★8.科学方法：模型建构：模型是帮助理解和研究实物的一种手段，可分为物理模型、概念模型、数学模型等。本节课构建的是物理模型。

★9.模型评价的维度：科学性（是否符合客观事实）、创意性（材料与设计的新颖性）、工艺性（制作精细度）、阐释性（解说是否清晰）。

▲10.现代细胞模型技术：包括3D打印细胞模型、计算机三维建模与仿真等，能更动态、精确地模拟细胞行为。八、教学反思

一、教学目标达成度分析

（一）预设目标的实现证据：从课堂展示与解说环节看，绝大多数小组能准确呈现目标细胞的核心结构，并能用“因为……所以……”的句式解释部分材料选择理由，表明“结构与功能观”有了初步的实践内化。学生填写的项目任务书显示，对结构异同的辨析较为清晰。能力目标方面，小组均完成了从设计到制作的全过程，尽管作品精度不一，但流程得以完整经历。情感目标在热烈的讨论和协作中得以彰显，学生表现出较高的参与度。元认知目标通过基于量规的自我反思环节得以部分落实。

（二）存在的差距与原因：部分小组在论证材料功能时仍停留在表面相似性（如“因为它是圆的，所以当细胞核”），对功能特性的挖掘深度不足。原因在于，虽然提供了思维脚手架，但对“功能特性”的范例引导不够充分，部分学生思维转换需要更长时间。此外，课堂时间紧，一些复杂创意未能完全实现，影响了作品的完整度，可能挫伤部分学生的成就感。

二、教学环节有效性评估

（一）成功之处：1.“材料论证会”环节效果超出预期，生生之间的提问与答辩有效激发了深度思考，例如有学生反问“你用塑料袋当细胞膜，那物质怎么进出？”，直接触及功能核心，这种同伴互教互学的力量比教师单向讲解更强。2.提供“跨学科材料自助站”极大激发了学生的创作热情，将科学与生活、艺术自然连接，课堂上不时听到“这个可以当……！”的惊喜呼声。3.将评价量规前置并用于指导展示准备，使学生目标明确，展示的聚焦度提高。

（二）待改进环节：1.任务三（草图绘制）时间分配略显仓促，部分小组草图较为潦草，未能充分发挥其规划与预演的作用。若增加12分钟，或提供简化的模板框架，效果会更好。2.在分层指导上，对能力较强小组的挑战性引导不足，他们提前完成后出现短暂“空闲”。应准备更具挑战性的延伸问题卡片，如“如何用模型展示细胞膜的流动性？”

三、学生表现的深度剖析

学生表现呈现明显光谱分布：约三成学生（多为空间想象和动手能力强、或善于领导协调者）成为小组的核心推动者，思维活跃，承担关键设计与制作；约五成学生能积极参与讨论、配合制作，在引导下能表达观点；约两成学生（可能因性格内向、动手信心不足或相关知识薄弱）参与度相对被动，多从事辅助性工作。差异化策略发挥了作用，如清单、量规和教师巡视时的个别提问，为后两部分学生提供了参与支点。但如何让被动参与者更早、更深入地卷入核心思维任务，而非仅执行操作，是后续需重点研究的课题。或许在分组时可以有意识地进行角色初分配，并设立“思维贡献”的专项记录与鼓励。

四、教学策略