模型构建步骤及其在公定生生物教材中的分布

前言在公定生生物学教学中，他们与普通高中生的生物教学是存在许多不同的。公定生的生物教学内容往往较为基础，与人教版教材相比，有很多内容都不需要进行讲解，这就造成了在生物学习过程中，公定生遇到的会比普通高中生更多[1]。虽然在对各种概念的原理的面前，公定生能做到倒背如流，但一到平时的做题过程其并不能实现将所学知识进行转化[2]。这种现象是何种原因导致的呢？如何让学生更加合理地分析归纳各知识之间的联系，从而更好地提高其分析问题和解决问题的能力呢？笔者认为问题出现的主要原因还是在于平时的生物教学中，教师在模型和建构模型方法的讲授环节是缺失的，进而学生在建模思想方面的意识也是比较缺乏的。公定生虽然与普通高中生的要求不一样，但在能力培养方面的要求还是一样的[3]。所以，论文研究主要从生物教学中模型建构的角度思考出发，进一步分析得出如何提高学生有效进行学习和应用知识的能力，从而打造高效课堂，更重要的是，教师也能通过模型构建的过程对教学方法进行创新和完善。1模型建构的必要性《普通高中生生物课程标准（实验）》明确要求：教师应指导学生了解建模的科学方法及其在科学研究中的作用、培养学生建模思想和建模能力，获得生物学的基本事实、概念、原理、规律和模型等方面的基础知识[4]。可见，模型建构在生物教学中具有重要地位。此外，除了我国在生物教材上将模型建构作为教学的课程目标，美国在《国家科学教育标准》中也明确提出要把模型和科学事实、概念、原理、理论列为各科学主题的重点，并将构建、修改、分析、评价模型作为学生的基本科学探究能力[5]。可见，在与国际接轨的道路上，模型构建也是一种比较重要的途径[6]。同时在课堂教学上，几乎学生现阶段所学的各个科目中都有运用到常见的物理模型、概念模型和数学模型这三大类模型。所以公定生对于模型的概念这一点的认识还是存在的的，只是平时没有注重了解模型构建的方法和注重相关思维的培养[7]。在平时的生物教学中，存在着许多模型构建的知识点，因此做到把模型建构教学应用于生物教学不为是一种有效的学习方法[8]，而且也很符合公定生该学习阶段的发展特点。2公定生生物教学模型建构调查现状目前，在湖南省内，公定生所使用的生物教材中并未明显提到物理模型、概念模型和数学模型这三大类模型的使用教学。在实际的教学中，由于各地升学考试的导向作用和教学时间的限制，以及各个学校对生物教材的改编，在内容上普遍比较基础[9]。再者，公定生实行的分段培养方案明确要求他们要比普通高中生少一年的学习时间学完高中阶段各科的内容[10]。一方面，学生对生物的学习首先在观念上已经放松了心态，认为只要对各科多背记就可以了，不需要花太多时间去听课[11]。另一方面，为提高上课速度，教师在模型建构教学这一块并没有引起重视，而是以直接讲授的方式让学生进行背记，完全使学生适应应试教学。而所谓的课堂模型教学也仅仅是参考人教版生物教材简单一笔带过，或者直接利用现有的模型，这就导致教师缺乏对模型教学的深入发掘和研究，同时在具体的教学中也缺失了对学生模型建构思维的锻炼[12]。同时，由于学校提供的教学资源不足，教师和学生无法获得提供充足的教学模具料和相关的活动场所，加之部分教师一如既往的采取比较老套、缺乏研究和创新的教学方法，所以当学生遇到一些有关与实际相联系的模型操作问题时，教师往往是纸上谈兵，学生此时无法获得实用的课本知识[13]。也就导致了公定生在对抽象知识的理解上出现不透彻，缺乏建模方法和建模思想的现象，从而不能很好地建立起各知识之间的联系，更不用说准确地运用所学知识解决具体的问题了[14]。所以他们更需要高效课堂的打造。3模型构建步骤及其在公定生生物教材中的分布3.1模型构建的一般步骤关于模型建构的模式，按照国内现有的说法，一般分为：观察原型现象—提出模型假设—验证模型—得出结论等程序[15]。这与科学探究的过程也是极为吻合的。具体过程则包含以下几步：1）观察研究生物学原型；2）对模型提出合理假设，去除非本质、次要的因素，得出原型内部的本质联系；3）构建生物学模型；4）对模型进行检验和修正。3.2模型构建在公定生生物教学中的分布首先，与人教版新教材相比，人教版新教材共安排了4个明确提出的物理模型建构，分别是：“尝试制作真核细胞的三维结构模型”、“模拟减数分裂过程中染色体的变化”、“制作DNA双螺旋结构模型”、“建立血糖调节的模型”[16]。以上所提到的是明确提出的模型，还有许多并没有明确指出，但在授课教材或相关的章节练习或课外拓展中会有涉及到：如有关蛋白质练习题中出现的概念图和建构种群增长的数学模型[17]。对于以上所提到这三大类模型，他们互相是存在相互联系的，比如减数分裂的物理模型可以上升为概念模型和数学模型。具体可通过观察物理模型，总结出相关的概念，之后找出染色体与DNA的变化规律，最后抽象转化到数学模型上进行分析[18]。针对根据人教版教材和苏教版等其他教材改编而来的公定生教材中，并没有明显提到任何模型的构建内容，但以上提到的模型内容也是在公定生平时的生物学习中是属于重点的考察内容。所以在平时的生物教学中，教师在模型建构教学这一块起到非常大的作用。因此，在平时的生物教学中，教师应注重把模型构建的方法应用于平时的教学当中[19]。4模型构建在提高学习能力方面的意义4.1模型构建教学有利于提高学生学习兴趣，培养学习动机兴趣是学习的良师益友。模型建构教学可以让学生开发自己的想象力，积极参与到自制模型的活动中，从而激发其学习兴趣，培养其学习动机，树立其良好的学习态度，从而提高其课堂上的注意力[20]。不管是对于公定生还是普通高中生的生物学课程中，他们首先接触到的是都是不能用肉眼观察到的分子与细胞。那么教师怎样才能将做到将这些抽象的内容进行直观、形象和系统化地展现给学生，让学生体会其中的趣味性呢？生物模型的构建往往可以呈现不一样的效果。比如，课堂上在学习了分子与细胞的相关知识之后，教师可以积极引导学生思考，并以小组合作的方式利用合适的材料制作“动植物细胞亚显微结构”等模型，然后在班级内，各小组依次进行展示、讲解和讨论。在汲取其他同学的建议时，学生能够对自制模型进行再一次的修改和完善，从而加深自己对细胞的结构以及各结构功能的理解，也便于更好的学习后面的内容，跟上老师的思维[21]。在模型制作的过程中，学生也可以体会到团队合作的乐趣以及提高自己的沟通能力，当自己的作品展现在同学面前，并得到班上其他同学的认同和欣赏时，学生自身会有产生一定的成就感。从而在课堂上能够达到实现三维目标的积极作用，更有利于教师营造积极活跃的课堂氛围，打破传统式教学的现状[22]。4.2模型构建教学有利于发挥学生的主体作用，提高学生的思维能力中学生物学要求培养学生的生物学科学素养。同理，公定生的生物学教学也是如此。模型的建构过程可以让学生将平时课本上学到的比较抽象的概念、原理、方法等理论知识有效合理地联系起来，并通过把这些抽象的知识进行进一步的综合、分析和应用，最后再通过建立模型，完成创新过程[23]。而在模型构建的过程中，学生可以综合发展其各方面的思维能力，例如推理，分析，概括等能力，从而提高学习效率。4.3模型构建教学有利于教师教学理念的更新首先，模型构建教学明确要求教师在设计教学环节的相关活动时，必须要做到充分挖掘和利用现有教材中可运用模型方法教学的内容，并积极分析和解决相关生物学问题以提高教学效率，打造高效课堂。其次，模型构建教学可以使教师和学生之间的互动有效地加强，学生能充分发挥主体作用，从而打破传统教学模式让其实现质的转变，真正在课堂上实现以学生为主体、教师为主导的新课程教学理念。总之，合理运用模型和实施模型教学有助于学生直观、形象、更系统地学习和理解课本上的理论知识，有效建立各知识之间的联系，更好地解决生物学习中的抽象问题[24]；同时也有助于教师的专业成长和发展，更好遵守终身学习的职业道德规范，朝着提高教学质量、打造高效课堂的方向迈进。5模型建构教学在初等教育学院运用的现状调查5.1调査的对象及内容调查的对象：衡阳师范学院初等教育学院18级以及19级的150名学生。调查的内容：问卷共有14道选择题，其中单项13道、多项１道。本次问卷以选择题为主，主要在于更好地了解学生对模型建构的认识情况。本次问卷维度设计参考孙白珍的模型建构论文[25]。（调查问卷见附录Ａ）。抽样与回收：由于疫情原因，问卷调查时间为5月10日-5月12日，为了保证调查数据的准确性且学生们能认真作答，特利用当天上网课的休息时间督促学生在线填写，最终参与调查问卷的学生为150人。5.2问卷调查数据统计5.3问卷调查结果分析从问卷的调查结果分析可得，公定生在模型及模型构建的方法上的认识情况是不理想的，具体的数据结果分析如下：首先，在了解教师对上课运用模型和模型构建的情况上，特设置了1-5题。从第一题的数据显示来看：超过一半以上的同学不确定模型构建自己是否知道，根本不知道的人数也超过了20%，而真正知道的学生也没超过14%。由此可以看出关于模型建构的知识在初教院具体的教学上并未真正普及全体学生。这也反映出了公定生的生物教材存在一定的缺陷。同时，教师也没有在平时的教学中重视培养学生在模型及模型的构建中应具备的能力和方法。针对现有改变教材中生物（一）和生物（二）中隐藏着的模型，例如问题中所提到的蛋白质的合成过程属于什么模型时，在本人发放问卷之前，对于早在前阶段学生已经在生物（一）第二章的第二节学习了蛋白质的相关知识，并且这节内容的重难点是蛋白质的结构和合成过程。生物课程标准也建议教师在讲解这一块内容时，必然用到模型或者是用视频动画的形式来演示蛋白质合成的过程。但是还是存在有不到一半的同学根本不确定蛋白质的合成究竟属于物理模型、数学模型还是概念模型。因此，从这个实例也可以看出在平时的生物课堂中，教师即便使用了相关的模型，学生还是不清楚是否使用了模型，所以在对于蛋白质的合成属于哪一类模型的问题上出现不确定的情况也是正常的。这也可以从第3题有超过60%以上的同学认为老师从来不用生物模型讲解可以再次说明模型建构在生物课堂上的运用不够理想这一问题上的。根据以上分析可以得出以下几个结论：在教师所认为的模型教学已应用于课堂，实际上教师对模型的观念是不太明确的。再者，教师在平时的课堂教学上往往只注重要使用模型，而没有注重传授给学生模型构建方面的知识和方法，更不用说让学生积极参与到模型建构过程中来了。对于第本次问卷中的6个问题，从数据上分析可以得出：学生对模型方法的认识和理解存在明显的不足，更重要的是，存在有大部分学生对于模型方法是一种最基本的科学方法也是一概不知的。其次，对问题7-14的调查研究可以得出：学生其实很期待模型建构的。从第8题来看，超过一半的同学更喜欢以自己为主体来学习模型建构的方法，超过30%的同学喜欢自己建构，自己能够亲自动手参与，这也说明了公定生与普通高中生在这个年龄段很希望自己亲自参与实践探究活动来获得知识。从最后一道多选题可以看出：五个选项中的每一个选项都有超过一大半的人选择，这也说明了此次模型建构在衡阳师范学院初等教育学院生物教学应用的现状调查是想让教师能够在模型建构教学重视通过各种强有力的手段来进行，重视培养学生该方面的思维。除了以上所提到的第8题和第14题的数据分析，可以发现超过一半的学生觉得涉及模型的生物试题是较难的，学生自己平时也不明确是否会用模型建构的方式解生物试题。对教材涉及的是几种模型的问题上，有将近40%的学生不确定对自己对哪一种模型印象深刻，或者说这三种模型都差不多，又或者说是由于各种原因，教师并没有将生物模型的建构应用于教学实践，使得学生对模型及模型建构的认识、分析和运用及相关的能力欠缺。公定生进入中职阶段后，尽管与普通高中生相比存在不同，但生物课程的编排与呈现方式都是明显不同于初中的，而且对学生自身所要具备的学习方式和能力要求都很高。加上公定生的生物教学与普通高中生相比是偏向比较基础的，这就需要教师在平时的课堂教学中要注重训练学生的发散思维，满足学生对知识获得和能力提高的渴求。这样，学生能够很好的运用自己参与建构的模型来学习生物的相关规律、内容和现象，注重与生活上的联系。同时，教师也应该做到对新课标要求的落实，及时改变以往只注重给学生传授知识的旧观念，重视把学生能力的培养放在头条上来。同时认清目前要求课改的多种形式，能够有效的落实每节课的教学三维目标，确保不要把它落空。教师需要明白，以学生为主体的模型建构方式是培养学生科学探究能力、落实教学三维目标的有效途径。最后，综上分析，初教院的学生是普適缺乏模型与模型方法方面的知识的，学生建模参与感不够，模型建构意识薄弱，对考试设计的模型题目往往也感到比较不知所措。笔者认为最主要的原因在于：教师在对于模型建构的优越性这方面的考虑意识不强。6模型建构教学实践6.1模型建构教学的案例使用-“DNA分子的结构”一、教材分析《DNA分子的结构》是生物（二）第七章第二节的内容，在教材中起着承上启下的作用，首先，本节内容是对基因的本质的认识是建立在从分子水平上；其次，又为生物（二）关于基因的表达、生物的遗传和变异、以及生物进化等章节的学习做好了一定的铺垫。本节课以沃森、克里克两位科学家的研究历程为导线，逐步展示分析DNA双螺旋结构模型的特点，学生不仅能更好的了解到DNA双螺旋结构的主要特点，而且还能领悟到科学家们坚持不懈的科学精神。二、学情分析学生在生物（一）第三章第二节学习了有于DNA和RNA的基本组成单位，大部分学生能完全做到并能正确说出核苷酸的种类、组成等知识，这为本节课的学习奠定了良好的基础。由于各种专业班级，比如除化学专业以外的学生目前尚未学习有机化学的相关知识，因此对于理解DNA分子具有两条反向平行的脱氧核苷酸链是较为困难的，因此，本节课的设计注重于引导学生对科学实验进行分析和总结，在相关有机化学的原理部分进行淡化，以便于除化学专业以外的学生便于更好理解本节课的知识点。三、教学目标知识目标（1）能准确说明DNA分子双螺旋结构的特点。（2）能正确说出DNA分子的特性。能力目标：通过利用教师给定的材料或自己准备的材料完成DNA双螺旋结构模型的建构，提高学习能力。情感态度价值观：认同科学研究是一个不断发展、需要坚持不懈精神的过程。四、教学重难点教学重点：（1）DNA分子的双螺旋结构；（2）DNA分子的特性。教学难点：DNA双螺旋结构模型的建构。五、教学过程导入：PPT展示DNA指纹进行罪犯的鉴定、考古学家鉴定物种亲缘关系的进行DNA鉴定等为例，提出问题：为何DNA分子可以作为鉴定罪犯的依据呢？（学生回答：DNA分子具有特异性。），教师追问：为何DNA分子具有特异性？这与它的结构有着怎样的联系呢？引入本节课。探究一：DNA分子的基本结构模型建构一：此知识点是学生已经熟知的知识，故请学生在黑板或者笔记本上写出DNA的基本组成单位——脱氧核苷酸的分子结构，并表明各个结构的名称。展示资料一：20世纪30年代，科学家认识到：组成DNA分子的基本单位是脱氧核苷酸。总结：脱氧核苷酸的结构：一分子脱氧核苷酸包括一分子磷酸、一分子含氮碱基、一分子脱氧核糖。其中含氮碱基有四种，故脱氧核糖核苷酸也有四种类型。思考：四种脱氧核苷酸是如何构成多种多样的DNA分子的呢？探究二：脱氧核苷酸是如何构成DNA分子结构？展示资料二：科学研究表明：DNA长链是由许多个脱氧核苷酸连接而成的。模型建构二：请利用小组已经构建好的四种脱氧核糖核苷酸构建一条脱氧核苷酸长链。展示：各小组可派代表上台展示本组构建好的模型，或者在黑板上直接以图画的形式勾勒出一条脱氧核苷酸链。并说明相邻的脱氧核苷酸之间实现连接依靠一种名为磷酸二酯键的化学键进行相连的。思考：DNA分子是否就是单链结构?展示资料三：PPT展示显微镜结果：DNA分子的直径约为2nm；展示不同碱基的结构。预测：学生根据PPT展示的结果及4中不同碱基的结构来推测DNA分子是单纯的单链结构的情况是不可能的，从而引发其认知冲突。探究三：DNA分子的双螺旋结构展示资料四：PPT展示富兰克林团队提供的DNA衍射图谱故事。推测：沃森和克里克推测DNA分子为螺旋结构。展示：沃森和克里克在对各碱基在外多种模型的螺旋结构进行研究发现，无论是单螺旋、双螺旋还是三螺旋结构模型，经过DNA衍射图谱分析及相关的数据计算，证明与实际情况是不符，从而否定了这种预测。观点：由于以上发现，沃森和克里克提出碱基在内的螺旋结构，经DNA衍射图谱分析发现：碱基在内的双螺旋结构更加符合实际，故提出碱基在内的双螺旋结构。探究四：具有双螺旋结构的DNA中，各碱基之间是如何进行配对的呢？预测：沃森和克里克都赞同并提出A与A、T与T、C与C、G与G的配对方式，但化学家指出配对违反化学规律，因此该预测又被否定了。展示资料五：奥地利著名生物化学家查哥夫研究得出：腺嘌呤（A）的量总是等于胸腺嘧啶（T）的量即A=T，鸟嘌呤（G）的量总是等于胞嘧啶（C）的量，即G=C。学生得出结论：DNA的双螺旋结构中C与G配对，A与T配对。模型建构三：利用每组已经准备好的的四种脱氧核糖核苷酸纸片构建双链DNA的结构。并根据以下问题总结其结构特点：1.DNA分子中，两条链如何排列？外侧由什么连接而成？内侧是什么？2.DNA两条链中不同碱基之间的连接有什么样的规律？3.构成DNA的两条链有怎样的关系？4.每条脱氧核苷酸链具有多少个游离的磷酸基团？学生依次以小组的形式上台展示自制模型并指派小组代表对模型中其中的磷酸二酯键、氢键、碱基对、游离的磷酸等所在的位置进行解释说明。小组之间进行互评，教师不参与发言。并能指出一个DNA分子中含有两个游离的磷酸基团。在所有小组展示完模型后，教师PPT展示DNA双螺旋结构模型图，再次对模型进行讲解。六、课堂小结1.DNA分子的结构特点：（1）DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸链盘绕构成。（2）DNA分子中脱氧核糖和磷酸交替连接，位于外侧，构成DNA的基本骨架，并且碱基在内侧，通过氢键连接。DNA的两条脱氧核苷酸链各具有一个游离的磷酸基团。（3）DNA双螺旋结构中遵循碱基互补原则（即A与T配对；G与C配对）。2.通过将不同小组的制作的DNA双链结构进行对比，师生共同总结DNA双链的特性。（1）稳定性：具有规则的双螺旋结构；脱氧核糖与磷酸交替连接；遵循碱基互补配对原则（2）多样性：长链中的碱基对的排列顺序是千变万化的。（3）特异性：每个DNA分子都具有其独特的碱基数量和排列顺序。3.总结收获：学生总结本节课所学知识。七、板书设计八、教学反思本节课教学以“基本单位—单链—平面双链—立体空间结构”逐步深入。学生以小组的形式利用课前准备好的纸片和用纸片制作好的DNA分子的相关构件，以问题串的形式进行各环节的衔接，把对科学探究历程的分析作为教学主线，进行模型的构建。整个进行模型构建的过程中，学生能跟着教师的思路，主动参与到课堂活动中，学生能锻炼自己的动手能力，在小组展示的过程中，小组成员之间能积极主动的给予各自鼓励性的评价，教师也给予相应的评价，能够使学生获得一定的成就感，从而激发学习兴趣。学生通过亲自构建模型来体会分析科学家研究的方法和思维，可以从中体会到科学探究的过程是一个不断发展，需要坚持不懈精神的过程，而在本节课设置的情感目标中也强调了这一点。7实践研究的结果与分析7.1模型展示在DNA的结构中充分应用“物理模型”的构建，使得学生能够将抽象的知识转化为自己的知识，在整个模型的构建过程中真正做到把所学应用于实际生活中，把抽象的知识具体化，同时通过小组合作的方式共同参与DNA双螺旋模型的构建，学生不仅能够学到知识，同时也能体会团队合作的乐趣，教师也在这个过程中达到了以学生为主体，教师为引导的教学效果。从以上所提到的教学设计中，教师一步步引导学生对模型进行假设，再一步步对模型进行检验，使学生能够了解模型构建的方法，从而在以后的生物学习中能够应用这种方法，从而练练自己的思维，提高自己的生物素养。以下为学生制作的部分模型展示：7.2测试效果针对本次以“模型构建”为主题设计的课堂，在实践完成之后，为检测实际的效果，特制作了一套关于“DNA分子结构”的专项训练题，共10道，满分为100分。题型为选择和填空题（附录B）。本次实验的的对象为初教院1812班以及1813班；其中1812班为实验班，1813班为对照班。根据两个班的测试成绩（附录C），得出以下结果（表2所示）：从试题的结果分析可以得出以下结论：针对在测试卷设计的测试DNA分子结构的测试题来看，无论是容易题，中等题还是偏难题，实验班的学生明显准确率都要高于对照班；由此也可以看出，实验班的学生对DNA分子的结构这一节的理解和记忆更为清晰，相比对照班的同学，他们对这一节的内容的以及是很模糊，不完善的，而且还存在许多漏洞。同时本次测试题专门设计的两道偏难题中，不仅仅考察了