2024年10期
论思维建模在高中生物学深度学习中的应用
【关键词】 ；
【正文】 摘 要：近年来，关键能力与学科素养的考查已逐渐成为高考实现学科育人价值、落实立德树人的主要手段。高中生物学情境源复杂、信息众多、知识联系广泛，是学生提升解决问题能力的重要载体。真实情境下的思维建模是研究高中生物学核心概念的一种重要方法，通过构建概念模块之间的联系可有效突破高中生物学问题领域的思维难点，搭建知识框架的过程中，帮助学生迅速掌握知识的本质、内涵、外延，提高学生解决问题的能力，真正做到“知识为基，能力为重”。
关键词：思维建模；关键能力；学科素养
由中国高考报告学术委员会编撰的2023年度高考蓝皮书《中国高考报告（2023）》中指出，信息识别与加工、科学探究与思维建模、独立思考与批判性思维等关键能力已经成为高考考查的重点，这充分表明以批判性思维为代表的关键能力已经成为高考命题的主要方向和要求。高考评价体系指导下的高考命题，呈现出“无价值，不入题；无思维，不命题；无情境，不成题”的典型特征。
图1思维模型构建示意图
面对开放的设问方式、复杂的情境，如何聚焦关键能力实现“解题”到“解决问题”的转变？如何提高解决问题的层次，实现“给方法”到“悟方法”的转变？深度学习的研究表明通过构建思维模型可有效将低阶概念系统化，有助于快速找到“题眼”，生成高阶概念的同时提升学习力[1]。通过归纳、总结、概括、演绎等形式建构思维模型，不仅生动地再现了知识生成的过程，便于记忆、理解；在重塑概念模块之间的关联时，还可以真正做到将知识内化、迁移。笔者在前人基础上，总结提炼出高中生物学思维模型构建的一般方法以及三种类型，可进一步将问题化繁为简，为解决实际问题提供方法指导。
1、思维模型建构的方法
概念是高中生物学情境源中最常见的一种形式，是基于事实逐渐归纳所产生的反应事物一般的本质特征[2]。概念往往以文字表述或概念图来抽象概括事物的本质以及生物学核心概念之间的联系。构建概念模块之间的思维模型的方法多种多样，高中生物教材中并没有给出其构建的具体方法和步骤。笔者结合教学实际，提出思维建模的一般方法（见图1）。
2、思维模型的类型
根据高中生物学研究的问题领域，将思维模型大致分为三种：包含式模型、作用式模型、变化式模型，再根据模块间的关系细分多个子模型（见表1）。在不同情境的问题中，可分别尝试选择合适的模型来解决问题。
表1 高中生物思维模型汇总表
3、建构思维模型解决不同层次试题的案例分析
高中生物学研究的问题小到细胞大到生态系统，从分子到细胞、从微观到宏观、从结构到功能、从生产生活到科技前沿，学科特色鲜明。可尝试在不同情境下采用构建思维模型的方法来找准问题的方向，运用所学的知识提高解决问题的能力，真正做到深度学习。
3.1 包含式模型——适用于解决知识框架等记忆类问题
例1．用体外实验的方法可合成多肽链。已知苯丙氨酸的密码子是UUU，若要在体外合成同位素标记的多肽链，所需的材料组合是（ ）
①同位素标记的tRNA ②蛋白质合成所需的酶 ③同位素标记的苯丙氨酸 ④人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸 ⑤除去了DNA和mRNA的细胞裂解液
A．①②④ B．②③④ C．③④⑤ D．①③⑤
参考答案：C
本题聚焦基因表达，考查翻译过程。归纳提取翻译过程中各低层级的特征，采用包含式模型对各层级节点构建知识体系，过程如下：
3.2 作用式模型——适用于解决演绎推理等理解类问题
例2．瘦素是一种由脂肪细胞合成的蛋白质类激素，可作用于下丘脑中的某些细胞，并通过复杂调节最终抑制摄食行为。瘦素是在对有关遗传性肥胖小鼠的研究中发现的，科学家发现A、B两只小鼠都会不停摄食，导致其体重长到正常小鼠的3~4倍。现利用A、B两只小鼠做如下实验：
实验一：通过外科手术将A小鼠和正常小鼠的血管连通，使两者的血液可流动到对方体内。
结果一：正常小鼠无明显变化，A小鼠食欲下降到与正常小鼠基本相同的水平。
实验二：通过外科手术将B小鼠和正常小鼠的血管连通，使两者的血液可流动到对方体内。
结果二：B小鼠仍然保持肥胖状态，而正常小鼠食量明显减少，基本不摄食。
请根据以上实验结果回答下列问题：
实验一中A小鼠摄食行为恢复正常的原因是 ，如果将A小鼠和B小鼠的血管连通，预测结果是 。
参考答案：正常小鼠体内的瘦素通过血管进入A小鼠体内与相应受体作用，发挥了抑制摄食的作用；A小鼠食欲下降，B小鼠仍保持肥胖。
此题是一个探究实验类试题。根据动物激素体液运输的特点，可知血管连通后A、B小鼠与正常小鼠间的瘦素可互相进入对方体内，而位于质膜上的瘦素的受体则不能。解决该题需要从结果推导原因，明确第一空的答案后对第二空进行递进式推理。采用作用式模型对激素作用过程进行演绎推理，过程如下：
作用原理模型
3.3 变化式模型——适用于解决生理变化等应用类问题
例3．回答下列与生态系统相关的问题：
通常，对于一个水生生态系统来说，可根据水体中含氧量的变化计算出生态系统中浮游植物的总初级生产量（生产者所制造的有机物总量）。若要测定某一水生生态系统中浮游植物的总初级生产量，可在该水生生态系统中的某一水深处取水样，将水样分成三等份，一份直接测定O2含量（A）；另两份分别装入不透光（甲）和透光（乙）的两个玻璃瓶中，密闭后放回取样处，若干小时后测定甲瓶中的O2含量（B）和乙瓶中的O2含量（C）。据此回答下列问题。
在甲、乙瓶中生产者呼吸作用相同且瓶中只有生产者的条件下，本实验中C与A的差值表示这段时间内 ；C与B的差值表示这段时间内 ；A与B的差值表示这段时间内 。
参考答案：生产者（浮游植物）净光合作用的放氧量；生产者（浮游植物）光合作用的总放氧量；生产者（浮游植物）呼吸作用的耗氧量。
本题考查光合强度的测定方法——黑白瓶法。水生生态系统中的浮游植物可以通过光合作用生产有机物，同时细胞呼吸将消耗部分有机物，植物体内的有机物含量可采用物质变化模型进行推理，过程如下：
物质变化模型
由上述分析不难得出以下结论：
A-B：代表生产者（浮游植物）呼吸作用的耗氧量；
C-A：代表生产者（浮游植物）净光合作用的放氧量；
C-B=（C-A）+（A-B）=生产者（浮游植物）净光合作用的放氧量+生产者（浮游植物）呼吸作用的耗氧量，代表生产者（浮游植物）光合作用的总放氧量。
4、教学反思
近年来，通过构建思维模型来简化教学过程，提升教学效果已引起教育学者及中学教师群体的广泛关注。然而，研究大多囿于原理晦涩难懂、方法可操作性不强、实际解决问题的效果不显著等。目前，高考选拔越来越倾向于能力和学科素养的培养。教师在教学中应及时解决学生在实际建构过程中易出现的候选概念收集不全、无关概念处理不恰当、概念间关联描述不准确等问题，补齐深度思维的短板，提升模型教学的教学效果。
参考文献：
[1]陈欣.2018.概念模型在高中生物学重要概念教学中的应用.中学生物教学，10：16~18
[2]陈亚羡.2018.浅谈模型方法在高中生物概念教学中的应用.文理导航，317（10）：67~68
作者简介： 许建平（1986~），女，四川广元人，西南大学硕士研究生，研究方向为环境生态。
关键词：思维建模；关键能力；学科素养
由中国高考报告学术委员会编撰的2023年度高考蓝皮书《中国高考报告（2023）》中指出，信息识别与加工、科学探究与思维建模、独立思考与批判性思维等关键能力已经成为高考考查的重点，这充分表明以批判性思维为代表的关键能力已经成为高考命题的主要方向和要求。高考评价体系指导下的高考命题，呈现出“无价值，不入题；无思维，不命题；无情境，不成题”的典型特征。
图1思维模型构建示意图
面对开放的设问方式、复杂的情境，如何聚焦关键能力实现“解题”到“解决问题”的转变？如何提高解决问题的层次，实现“给方法”到“悟方法”的转变？深度学习的研究表明通过构建思维模型可有效将低阶概念系统化，有助于快速找到“题眼”，生成高阶概念的同时提升学习力[1]。通过归纳、总结、概括、演绎等形式建构思维模型，不仅生动地再现了知识生成的过程，便于记忆、理解；在重塑概念模块之间的关联时，还可以真正做到将知识内化、迁移。笔者在前人基础上，总结提炼出高中生物学思维模型构建的一般方法以及三种类型，可进一步将问题化繁为简，为解决实际问题提供方法指导。
1、思维模型建构的方法
概念是高中生物学情境源中最常见的一种形式，是基于事实逐渐归纳所产生的反应事物一般的本质特征[2]。概念往往以文字表述或概念图来抽象概括事物的本质以及生物学核心概念之间的联系。构建概念模块之间的思维模型的方法多种多样，高中生物教材中并没有给出其构建的具体方法和步骤。笔者结合教学实际，提出思维建模的一般方法（见图1）。
2、思维模型的类型
根据高中生物学研究的问题领域，将思维模型大致分为三种：包含式模型、作用式模型、变化式模型，再根据模块间的关系细分多个子模型（见表1）。在不同情境的问题中，可分别尝试选择合适的模型来解决问题。
表1 高中生物思维模型汇总表
3、建构思维模型解决不同层次试题的案例分析
高中生物学研究的问题小到细胞大到生态系统，从分子到细胞、从微观到宏观、从结构到功能、从生产生活到科技前沿，学科特色鲜明。可尝试在不同情境下采用构建思维模型的方法来找准问题的方向，运用所学的知识提高解决问题的能力，真正做到深度学习。
3.1 包含式模型——适用于解决知识框架等记忆类问题
例1．用体外实验的方法可合成多肽链。已知苯丙氨酸的密码子是UUU，若要在体外合成同位素标记的多肽链，所需的材料组合是（ ）
①同位素标记的tRNA ②蛋白质合成所需的酶 ③同位素标记的苯丙氨酸 ④人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸 ⑤除去了DNA和mRNA的细胞裂解液
A．①②④ B．②③④ C．③④⑤ D．①③⑤
参考答案：C
本题聚焦基因表达，考查翻译过程。归纳提取翻译过程中各低层级的特征，采用包含式模型对各层级节点构建知识体系，过程如下：
3.2 作用式模型——适用于解决演绎推理等理解类问题
例2．瘦素是一种由脂肪细胞合成的蛋白质类激素，可作用于下丘脑中的某些细胞，并通过复杂调节最终抑制摄食行为。瘦素是在对有关遗传性肥胖小鼠的研究中发现的，科学家发现A、B两只小鼠都会不停摄食，导致其体重长到正常小鼠的3~4倍。现利用A、B两只小鼠做如下实验：
实验一：通过外科手术将A小鼠和正常小鼠的血管连通，使两者的血液可流动到对方体内。
结果一：正常小鼠无明显变化，A小鼠食欲下降到与正常小鼠基本相同的水平。
实验二：通过外科手术将B小鼠和正常小鼠的血管连通，使两者的血液可流动到对方体内。
结果二：B小鼠仍然保持肥胖状态，而正常小鼠食量明显减少，基本不摄食。
请根据以上实验结果回答下列问题：
实验一中A小鼠摄食行为恢复正常的原因是 ，如果将A小鼠和B小鼠的血管连通，预测结果是 。
参考答案：正常小鼠体内的瘦素通过血管进入A小鼠体内与相应受体作用，发挥了抑制摄食的作用；A小鼠食欲下降，B小鼠仍保持肥胖。
此题是一个探究实验类试题。根据动物激素体液运输的特点，可知血管连通后A、B小鼠与正常小鼠间的瘦素可互相进入对方体内，而位于质膜上的瘦素的受体则不能。解决该题需要从结果推导原因，明确第一空的答案后对第二空进行递进式推理。采用作用式模型对激素作用过程进行演绎推理，过程如下：
作用原理模型
3.3 变化式模型——适用于解决生理变化等应用类问题
例3．回答下列与生态系统相关的问题：
通常，对于一个水生生态系统来说，可根据水体中含氧量的变化计算出生态系统中浮游植物的总初级生产量（生产者所制造的有机物总量）。若要测定某一水生生态系统中浮游植物的总初级生产量，可在该水生生态系统中的某一水深处取水样，将水样分成三等份，一份直接测定O2含量（A）；另两份分别装入不透光（甲）和透光（乙）的两个玻璃瓶中，密闭后放回取样处，若干小时后测定甲瓶中的O2含量（B）和乙瓶中的O2含量（C）。据此回答下列问题。
在甲、乙瓶中生产者呼吸作用相同且瓶中只有生产者的条件下，本实验中C与A的差值表示这段时间内 ；C与B的差值表示这段时间内 ；A与B的差值表示这段时间内 。
参考答案：生产者（浮游植物）净光合作用的放氧量；生产者（浮游植物）光合作用的总放氧量；生产者（浮游植物）呼吸作用的耗氧量。
本题考查光合强度的测定方法——黑白瓶法。水生生态系统中的浮游植物可以通过光合作用生产有机物，同时细胞呼吸将消耗部分有机物，植物体内的有机物含量可采用物质变化模型进行推理，过程如下：
物质变化模型
由上述分析不难得出以下结论：
A-B：代表生产者（浮游植物）呼吸作用的耗氧量；
C-A：代表生产者（浮游植物）净光合作用的放氧量；
C-B=（C-A）+（A-B）=生产者（浮游植物）净光合作用的放氧量+生产者（浮游植物）呼吸作用的耗氧量，代表生产者（浮游植物）光合作用的总放氧量。
4、教学反思
近年来，通过构建思维模型来简化教学过程，提升教学效果已引起教育学者及中学教师群体的广泛关注。然而，研究大多囿于原理晦涩难懂、方法可操作性不强、实际解决问题的效果不显著等。目前，高考选拔越来越倾向于能力和学科素养的培养。教师在教学中应及时解决学生在实际建构过程中易出现的候选概念收集不全、无关概念处理不恰当、概念间关联描述不准确等问题，补齐深度思维的短板，提升模型教学的教学效果。
参考文献：
[1]陈欣.2018.概念模型在高中生物学重要概念教学中的应用.中学生物教学，10：16~18
[2]陈亚羡.2018.浅谈模型方法在高中生物概念教学中的应用.文理导航，317（10）：67~68
作者简介： 许建平（1986~），女，四川广元人，西南大学硕士研究生，研究方向为环境生态。
- 【发布时间】2023/12/7 18:01:07
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