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摘要：为了促进学生科学思维的发展，文章首先阐述了相关理论，然后论述了高中生物学建模教学中学 生科学思维培养的路径，最后对高中生物学建模教学中学生科学思维的培养进行了反思。
随着《普通高中生物学课程标准(2017 年版 2020 年修订)》(以下简称《课程标准》) 的实施，高中生物教 学关注的焦点逐步转向对学生核心素养的培养，其中 对学生科学思维的培养是教学目标之一。而高中生物 建模教学不但能提高教学的有效性，而且能更好地促 进学生科学思维的发展。
一、相关理论
(一)科学思维与高中生物学教学
《课程标准》明确指出，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，以及运用科学思 维方法认识事物并解决实际问题的思维习惯和能力。 学生的科学思维应在学习过程中逐步发展， 对此，教 师在教学过程中应培养学生学会基于生物学事实和 证据，运用归纳与概括、演绎与推理等方法，探讨、阐 释生命现象及规律[1]。
基于《课程标准》的要求，高中生物学教师在教学 过程中， 可以从以下五点入手培养学生的科学思维。 一是学生能基于大量具体生物学事实总结规律;二是 学生能运用已知知识预测生命现象机制;三是学生能 运用基于生命活动原理建构模型等方式解释生物现 象;四是学生能在一定情境下，运用所学知识对某一 生物学问题提出疑问或进行论证;五是学生能创造性 地提出观点、方法，以解决生物学问题。
(二)科学思维与建模教学
建模教学是指教师在教学过程中指导学生通过 构建模型进行学习。在教学过程中，教师要根据特定 的教学目的， 在一定的假设条件下借助具体的实物 或其他形象化的手段， 或者思维模式等抽象的形式 指导学生自主学习探究， 以达到认识某种生物学的 本质特征的目的，从而实现教学目标，也就是在教学 过程中通过各种模型的建立过程，让学生掌握事实、 概念之间的关系， 从而达到理解事实或概念本质的目标[2]。
建模教学要求学生对学习内容进行简单的概括 性描述，或者借助具体的实物或其他形象化的手段展 示，又或是通过抽象的形式来表达 。学生要想达成这 一目标，需要对所学内容进行分析综合、比较分类、抽 象概括、科学推理、解释说明和批判创造等，此过程就 是科学思维的过程[3] 。由此可见，建模教学可有效发展 学生的科学思维。
二 、高中生物学建模教学中学生科学思维培养的 路径
(一)通过明确建模目的促进学生科学思维的培养
针对教学内容，教师希望学生通过模型的构建达 到什么样的效果，这就是建模的目的 。例如，能使微 小的、抽象的事物变得直观具体，或者是预测在一定 条件下事物发展变化的规律， 抑或是将复杂多变的 生理过程进行简化，使其便于理解[4] 。 明确建模目的 要求对教学内容有充分准确而全面的认识， 故在教 学中， 教师应引导学生在具体情境中根据掌握的资 料和信息弄清需要通过建模解决的问题及问题的具 体方面。
例如，在教学基因频率时，教师可根据课文所给资 料的假设，即昆虫种群非常大，所有雌雄个体间都能自 由交配并产生后代，没有迁入和迁出，自然选择对翅色 (A、a 一对等位基因控制) 没有作用，基因 A 和 a 都不 产生突变，引导学生用数学方法讨论基因频率的变化。 具体而言，教师应指导学生完成如表 1 所示的表格。
学生利用表 1 中的信息， 通过整理可得出如表 2 所示的配子比率与子代基因型频率关系表。
接着教师引导学生归纳： 子代 AA、Aa 和 aa 的基 因型频率分别为 p2、2pq、q2.所以 p2+2pq+q2=1.利用数 学推导得出：p+q=1→ (p+q) 2=1→p2+2pq+q2=1.由此建 立一对等位基因的遗传平衡模型。
此数学模型建立后，学生往往不知为什么要建立 该模型? 只是按照教师的要求完成，进而导致这种建 模失去了意义[5]。因此，教师应在建模前就指出课文中 所给资料的假设是一种理想条件。在这种条件下种群 的基因频率和基因型频率会发生怎样的变化? 学生建 模后即可明白遗传平衡定律适用的条件，从而理解在 自然选择的作用下， 种群的基因频率会发生定向改 变 。因此，建立遗传平衡模型的目的是让学生理解自然界中生物的进化是必然的，同时也可能出现生物的 退化。
在明确建模目的的过程中， 学生要思考建模的目 的，明确建构的方向。而只有经过思考比较分析才能确 定建构方向，此过程可有效提高学生科学思维能力。
(二)通过选择模型表征促进学生科学思维的培养
模型的表征是指利用模型表现和记载信息或知 识的方式，通俗地说就是利用何种形式来表现知识的 特征 。教学中模型的表现和记载方式包括物理模型、 概念模型和数学模型等， 也可以进行更细的划分，如 物理模型分为尺度模型、类比模型和系统模型等。
正确选择模型表征需要了解各种模型的特点及 作用。如物理模型以实物或图画的形式模拟原型的特 征和功能，可直接表征原型，其优点是可以形象直观 地表征事物; 概念模型基于对大量生物学事实的分 析，通过分类和整合，阐明不同层级概念的内涵和外 延，常用集合、思维导图、流程图或概念图等形式表 现，其优点在于可把抽象的知识点、理论或概念之间 的关系简明扼要地体现出来，让学生将零散的知识整 合成一定的体系;数学模型基于实验数据，将生物学 现象原型以表格、曲线、公式等数学形式呈现，其优点是利用数学形式体现事物发展变化的过程，有利于学 生抽象思维的培养[6]。
学生在学习中如何选择模型表征是非常重要的 过程， 教师要引导学生根据问题所需， 提取事物本 质，然后对问题进行模式化处理，从而建立模型 。选 择模型表征的过程中，学生要运用比较分类、抽象概 括和推理等方法才能完成该项工作， 这样可促进学 生科学思维的发展。
例如，在学习“细胞呼吸与光合作用”之后，教 师要求学生建立细胞呼吸与光合作用比较模型 。对 此，学生首先考虑的是选择哪种模型能更好地体现 两者的异同，以及应该如何选择。此时，教师可以指 导学生从以下三点进行考虑：①分析两个知识点具 体学习了哪些内容? 可以用哪些 模型进行比 较; ② 对比分析几种模型， 选择与本质特征相符的模 型;③确定模型的表征。
(三)通过构建模型过程促进学生科学思维的培养
模型的构建是指学生通过动手完成所选模型的 表征，使其现实化。在这一过程中，学生要根据脑海中 建立的模型和采用的依据，独立或通过小组合作完成 构建。这一过程类似把建筑图纸变成真实的建筑[7]。因 此这一过程需要小组合作成员之间相互沟通，对彼此 的关键信息进行提取和分析， 以充分理解对方的意 图，共同完成模型的构建。
例如，在教学“细胞膜的结构和功能”这一节时， 教师可通过构建模型的过程让学生在不断思考、动手 中获取知识 。在探究磷脂分子的排布规律时，教师可 为学生提供以下资料：“美国科学家朗姆瓦指出磷脂 分子的特性是其‘头部’亲水，脂肪酸‘尾部’疏水 。如 果把磷脂分子平铺在空气-水界面上， 它是如何排列 的? ”对此，教师先在黑板画出磷脂分子的简图和空 气-水界面示意图，要求学生小组讨论，并在纸上画出 磷脂分子平铺在空气-水界面上排列的模式图 。接着 教师展示荷兰科学家戈特和格伦德尔的实验及其结 论， 并提出问题：“细胞膜中的磷脂分子是连续排列 的，两细胞内外都是水环境，那么磷脂分子如何排列 成脂双层? ”并让学生分组讨论，构建纯磷脂分子的细 胞膜模型。之后教师再次展示科学家利用冰冻蚀刻技 术在电镜下观察到的细胞膜立体图，解释蛋白质在膜 上的分布状况，同时要求学生重建细胞膜的结构 。分 析学生通过建模获取知识的过程可知，以教材的史料 为抓手， 引导学生对细胞膜的结构进行不断探究，可锻炼和发展学生的科学思维。
(四)通过检验和评价模型促进学生科学思维的 培养
学生完成模型的构建后， 需要依据自己的设想 对构建的模型进行审视和检验， 然后向其他学生展 示模型，与同伴交流，听取他人对模型的评价 。此过 程涉及解释和说明， 而检验和评价需要学生具有批 判创造能力[8]。
例如，学生构建真核细胞的三维结构模型后，要 检查模型是否科学合理，与同伴交流以发现不足，或 者指出同伴模型的不足与需要改进之处 。在此过程 中，学生需要不断思考、比较、检验，从而有效提升科 学思维能力。
(五)通过修正模型过程促进学生科学思维的培养
修正模型是指学生在经过检验和评价后，认识到 原有模型存在不足需要进行修正， 从而使模型完善， 能更好地说明问题的本质。学生在此过程中要进行回 溯，在大脑中对模型进行重建，还有可能会更改模型 的表征，具体取决于学生对模型的批判创造能力[9]。
例如，在教学“生态系统的能量流动”后，教师可 要求学生根据能量流动的特点， 构建生态系统能量 流动模型 。之后学生分组探讨， 建立多种不同的模 型，主要有以下两种类型 。依据课文中“能量流经第 二营养级示意图”构建的初级消费者的能量来源与 去路图如图 1 所示，依据课文中“生态系统能量流动其中，图 3 的模型能较好地体现生态系统中能量 流动的特点，但只能是定性的反应 。教师这时可出示 图 4.并提出问题：“图中各字母代表能量值，你能写出 哪些等量式? ”
学生经过探讨与分析可总结出 A=B+C+D+E，C= F+G+H+I，H=J+K+L+M，从而得出结论，即流经生态 系统的总能量为生产者固定的太阳能。
学生在修正模型的过程中不断深化对能量流动示意图”构建的生态系统能量流动图如图 2 所示 。这 两张图说明学生对能量流动的特点并没有完全理 解，故教师可利用这两个模型图，让学生分析这两种 模型的不足，以及该如何修改 。而学生经过分析后， 大多能得出如图 3、图 4 所示的模型。
过程及其特点的理解，并对某一营养级、某一食物链、 食物网或群落的能量流动关系进行比较 、归纳与整 合，这大大促进了学生科学思维的发展。
三、高中生物学建模教学中学生科学思维培养的 反思
高中生物学建模教学能使学生在学习过程中化 繁为简，化抽象为具体，使知识完整化和系统化，即能 有效促进学生科学思维的发展，但对于在教学过程中如何应用，才能更好地实现教学目标，还需要注意以 下三点。
(一)制定规范的建模程序
科学思维的过程是一个从具体到抽象， 再从抽 象到具体的过程， 其目的是在思维中再现客观事物 的本质，达到对客观事物的具体认识 。这个认识过程 是分析和综合的过程，需要科学的方法才能实现。
在教学过程中， 教师的任务不是指导学生把知 识点呈现出来，而是引导其应用模型将所学的知识、 规律与方法，根据自己的理解构建模型展示出来 。学 生在建模的过程中若没有方法可循， 必将造成课堂 混乱，进而无所适从 。而教师若能制定相应的建模程 序，让学生按照步骤完成建模，那么学生的建模过程 一定会顺畅而高效[10]。
教学中， 教师可以通过典型的案例训练学生，促 使他们熟悉建模过程要遵循的一般步骤 。例如，建模 首先要明确建模目的， 其次要根据目的选择模型表 征，再次要按照模型的表征进行模型构建，并对构建 的模型进行检验交流，找出模型的不足之处，最后对 模型进行修正。
在建模教学的初始阶段，学生一般都会出现各种 问题，若教师能坚持在每次的建模教学过程中遵循建 模的基本方法，指导学生完成模型构建，使其掌握建 模的过程，不但能提高学生建模的成功率，更重要的 是学生的科学思维也得到极大的提升。
(二)根据不同教学内容灵活实施建模教学
高中生物学教学内容丰富， 包括分子与细胞 、 遗传与进化、生物与稳态、生物与环境等 。因此教师 在教学过程中要选择性地 、合理地实施建模教学 。 例如，真核细胞的结构内容可实施构建物理模型教 学;光合作用 、呼吸作用过程这部分可实施概念模 型教学;等等。
由于建模教学是教学方式中的一种，其具有自己 的适用范围，即具有一定的局限性。例如，有关科学史 的教学一般不使用建模教学方式。
教师根据不同教学内容灵活地开展建模教学时， 可引导学生通过构建不同的模型，从不同方面锻炼自 己的科学思维能力。
在新一轮的教改中，教师对学生的培养目标转向 核心素养的培养，对此，只要每位教师灵活实施建模 教学，就可有效地让学生实现深度学习，形成一定的 思考力，进而提升科学思维能力。
(三)构建对学生建模的评价机制
教师评价对学生的学习与思考起着很重要的作 用 。例如，教师对学生建模过程中选择的模型表征评 价是“不合格”，那么学生就需要对所学内容重新思 考，然后再次做出选择。
日常教学过程中教师对学生通常采用的是口头 评价，如“好”“很好”“很棒”等。学生一般对此类评价 没什么深刻的感受，不能深入思考学习 。对于如何在 建模教学中应用评价机制促进学生深入思考，笔者从 以下两点进行了尝试，效果颇好 。一是根据学生的心 理特点开展评价 。高中生对其他学生的评价特别在 意，因此可在评价过程中让学生相互对构建的模型进 行评价，具体可利用量化评分表，客观地对构建的模 型成果进行评价。二是学生的自我评价与他人的评价 相结合 。教师要说明做出这种评价的依据，让学生通 过对比分析，归纳自己建模的优缺点，发现不足，以期 在后期改正。这些评价机制的改变能有力地促进学生 发挥学习的主动性，在建模过程中积极思考，从而提 升科学思维能力。
综上所述，教师应用建模教学既可以培养学生的 科学思维，提高课程教学效率，也可以通过建模的过 程培养学生的其他核心素养，如解决问题能力、创新 能力等 。 同时，建模教学也为传统的教学研究提供了 新方向，可助力教师专业成长。
参考文献：
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[10] 韩志玲.高中生物探究性实验教学培养学生科学探究素养的案 例研究[D]. 昆明:云南师范大学,2020.
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