以“模型建构”为思想的课堂教学课例分析

以“模型建构”为思想的课堂教学课例分析一、内涵阐述模型建构是人们按照特定的科学研究目的，在一定的假设条件下，通过研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法，是以简化和直观的形式来显示复杂事物或过程的手段。模型建构作为一种认识手段和思维方式，是科学研究中常用的重要方法之一。通过模型建构能有助于学生主动构建知识，帮助学生理解生命活动的复杂性和规律性。可见，在生物教学中，让学生结合所学内容及知识，自主构建一定的模型是很有必要的。二、操作要领在教学实践中，做到模型的科学设计、制作并合理使用，才能真正有效地培养学生自主探究的科学素养。笔者结合人教版必修一《生物膜的流动镶嵌模型》，对以“模型构建”为思想的课堂教学中的各个环节进行阐述、分析和探究。（一）优化物理模型构建，凸显生物知识的形美根据原型的结构特征，优化建构直观的物理模型，能凸显生物学科知识的形美。如果在本节内容教学中不使用模型，而是通过图片等形式直接呈现，然后就模型说模型，这种教学的“抓手”就不够有力，学生学习的积极性、自主性就不能被充分地调动，课堂氛围就会沉闷。因此，在本课中模型的建构就显得尤为重要。关于生物膜中磷脂分子的模型，结合其具有尾部疏水和头部亲水这一结构特点，以及磷脂分子在水――空气界面上单分子排列的特性，我首先选用橡皮泥捏成球状，作为磷脂分子的头部，以两根牙签模拟磷脂分子的尾部。但在研究中发现，利用上述材料在建模中有一个严重的科学性错误：磷脂分子的两条“尾巴”并不全是直的，其中一条是弯曲的。为了证实这一点，我查阅了相关资料发现：磷脂的“尾部”是两条脂肪酸链，一条是饱和的，另一条带有一个（有时两三个）双键的不饱和脂肪酸，在双键处有一个折弯，折弯的存在使得脂双层中的各脂肪酸难以组合在一起，保证了脂双层的流动性。为了模型建构的科学性，我选用弯曲的铁丝替代笔直的牙签，以保证模型的科学性。在课堂教学实践中，学生在探究磷脂分子和蛋白质分子在膜上的分布的模型建构时，通过小组讨论、合作学习的形式，对有关问题进行分析和推断，并最终在构建――修正――再构建过程完善了蛋白质分子在膜中的分布。通过物理模型的构建活动，学生对膜中各分子物质的结构理解得更为深刻、透彻，同时也符合学生由抽象到直观的认知水平。模型的建构不仅加深了学生对知识的理解，而且也很好地锻炼和培养了学生的团队合作意识。（二）优化概念模型构建，体现知识生成之妙概念模型是指以图示、文字、符号等组成的流程图形式对事物的规律和机理进行描述和阐明。对概念模型进行一定的优化，旨在能体现知识的生成之妙，让学生有一种“蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”的感觉。为此，在课堂开始之初我标示板书：“生物膜的________模型”，在之后的学生活动中，在对罗伯特森静态模型等的修正后，完善板书“流动”及“镶嵌”，这样在最适宜的时机，生成课题的关键词，有水到渠成之效。活动中，学生展示出一个生物膜平面结构模型之后，用“→”将所有模型按照探究的顺序连接为一个整体。从模型建构的角度直观地展示了生物膜流动镶嵌模型的构建历程。同时，学生又可凭借此连为一体的模型来回顾感悟。推动这一模型学说不断发展和深入的影响因素分别有：科技的快速发展带动实验技术的提升（电子显微镜、荧光染色、冰冻蚀刻技术），严谨的科学研究方法确保研究的科学性（假说演绎法），正确的研究指导方法（结构决定功能，功能与结构相适应），坚持不懈、前赴后继的研究精神。（三）优化模型构建活动，促学生能力培养模型构建的过程也是一个科学探究的过程。在此过程中，学生通过设置已知和未知，运用科学规律，一步步地检验和修正模型，从这一层面上讲，学生的学习不仅仅停留在对模型本身的结构和分布形态的探索上，而是上升到能力发展的高度，对学生探究能力的培养大有益处。因此，在教学实践中应不断地优化模型建构活动，充分提升学生的能力和科学素养。三、课例展示基于结构和功能相适应的学科思想，学生在学习了物质跨膜运输实例后，想进一步知道其他物质进出膜的方式和途径，必先了解生物膜的有关结构。对此，我以学生活动为平台，引导学生自主探究、合作学习，通过模型构建的思想开展课堂教学，以激发学生学习的积极性。【活动1】根据磷脂分子的结构特点，请你分析判断它在水――空气界面上是如何排列分布的，尝试构建相关的模型。通过该活动，一方面让学生通过对磷脂分子结构的了解，尝试解决问题，通过对问题的解决而获得科学探究成功的成就感，而在利益方面也为解决后续的深度问题做有效的铺垫。与传统教学中直接呈现“1925年，两位荷兰科学家用丙酮从人的成熟的红细胞中提取出脂质，在水――空气界面上铺成单分子层，测得单分子层的面积恰是红细胞表面的两倍”这一事实相比，能很好地构建学生对知识之间存在的联系。【活动2】请根据活动1中构建的模型，尝试构建出磷脂分子在水中的排列分布模型。提出问题：如果充分搅动液面，磷脂分子在乳浊液是呈球形还是一个平面？可能会呈现一个怎样的形态？学生针对提出的问题做出合理的假设，动手设计、建构模型，通过小组成员间的讨论与交流最终达成共识。科学探究从提出问题开始，而做出假设是科学探究的一个重要的、不可或缺的环节。该处处理的妙处在于：一是学生讨论的问题答案（磷脂分子在水溶液中的两种可能排列方式）自然形成两种假设；二是资料3的实验不是简单的呈现、告知，而是对学生提出的假设做出的强有力的实证研究。蛋白质分子在细胞膜中分布的模型建构：对于罗伯特森的电镜实验现象，若直接提问“暗――亮――暗“的三层结构分别是什么，在学生对蛋白质、脂质在电镜下的折光率大小不同这一物理学知识没有了解的情况下，根本无法判断暗带、亮带分别属于何种物质。由于认知上的这一空白，探究便成了一个空壳，有形而无实。为了更好地解决这一问题，活动3的设计就很有必要了。【活动3】根据罗伯特森在电镜下观察到细胞膜呈现“暗――亮――暗“的三层结构，以及“脂质折光性较强，在电镜下观察较亮；蛋白质折光性较弱，在电镜下观察显得较暗”这一知识原理，构建生物膜中蛋白质的分布模型。依据细胞膜呈现“暗――亮――暗”的三层结构的实验现象，学生愉快地自主建构出蛋白质――脂质――蛋白质三层静态结构模型。【活动4】修正罗伯特森提出的静态统一模型。罗伯特森关于生物膜的静态统一模型构建得是否合理，关键要看这个模型能否很合理地解释一些有关膜功能的生物学现象。（1）关于静态模型的修正。相关生物学现象（呈现PPT：变形虫的变形活动，图1所示）→质疑一：生物膜是静态的吗？→进一步实验（呈现PPT：人鼠细胞的融合实验，图2所示）→修正：生物膜不是静态的，是可以运动的。（2）关于统一模型的修正。实验现象：生物膜中的膜蛋白有的很容易分离，有的则很难……→质疑二：生物膜中的蛋白质是否都是平铺在脂质两侧？→进一步实验：冰冻蚀刻电镜技术――膜解剖手术（图3所示）→修正：膜中的蛋白质或镶在、贯穿、全部或部分嵌入磷脂双分子层中。生物膜中的主要成分是镶嵌分布的。变形虫的变形活动和“生物膜中的膜蛋白有的很容易分离而有的则很难”这两个实验现象，让学生在产生认知冲突、质疑的同时，产生了强烈的继续了解、继续学习的愿望。罗伯特森提出的细胞膜静态结构的假说无法合理解释变形虫的变形活动实验，让学生再次深刻体会“生物体的结构与功能相适应”这一生物学基本思想或观念，并认识到该假说的不足之处。适时呈现人鼠细胞的融合实验，知道了蛋白质的运动性，再结合磷脂分子的运动性，学生归纳出细胞膜结构的流动性。而冰冻蚀刻电镜技术的细胞膜解剖图也修正了蛋白质在膜上的统一分布观点，并让学生深刻认同了科学技术在生物科学研究上的重要地位。【活动5】根据前面我们提到的科学发现，用你手中的模型构建一个生物膜平面结构模型，并以小组为单位上台展示。这样历经多次的科学探究，经过不断建模、修正、完善，使学生对生物膜结构有了深刻的理解和认识。小结：分析建模的过程不难发现，模型的建构离不开问题的提出和做出合理的假说，理解假说的提出要有实验和观察的依据，需要严谨的推理和大胆的想象，并通过观察和实验进一步验证和完善。四、课例反思（一）优化模型构建，激活学生思维《高中生物课程标准（实验）》对本节内容提出了“获得生物学基本事实、概念、原理、规律和模型等方面的基础知识”的课程目标和要求。本案例通过模型的建构，促进学生学会应用逻辑和证据来构建、修改科学解释及科学模型。生物膜结构模型构建一课，相关发现、实验多且散，学生的学习研究常常停留在实验分析层面，学习容易出现断裂面，而且对生物膜流动镶嵌模型创建历程缺乏深层次的认知和感悟。因此，在设计中，通过优化物理模型建构，衍生构建概念模型以及以问题串的形式整合模型构建活动，从而更有效地解决学生学习过程中遇到的一系列问题，同时也能激活学生思维，使能力得以提升。（二）依托活动平台，活跃课堂氛围本课例在设计上，以问题为纽带，以活动为平台，让学生以探索者、研究者的身份投入学习中。学生通过思考与讨论，亲身体验科学是一个不断发展的动态过程；在科学领域没有终极真理，质疑和争论不仅是正常的，而且能促进科学的进步。教学中充分利用媒体，将一些本来不太好理解的问题简单化、直观化，取得了较好的效果，也得到了学生的认可。通过该课笔者深深体会到：教师要不断转变教学观念与教学模式，真正让学生的主体性得到充分发挥。在教师的引导下，学生能够独立地完成学习任务，能够真正地“动”起来。[参考文献][1]蔡萍.谈模型建构在初中生物学教学中的应用[J].生物学教学，2012（2）.[2]唐东辉.用学科思想指导高三生物学复习[J].生物学教学，2012（3）.[3]中华人民共和国教育部.普通高中生物课程标准[S].北京：人民教育出版社，2003.（责任编辑：符洁）