崔敏霞

（江陰市教師發(fā)展中心 江蘇無錫 214400）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》在學(xué)業(yè)水平考試和命題建議中指出，試題情境應(yīng)圍繞現(xiàn)實(shí)問題展開，有一定的信息量和適當(dāng)?shù)膹?fù)雜度，能夠成為學(xué)生運(yùn)用學(xué)科知識(shí)分析和解決實(shí)際問題的載體。這要求學(xué)生在具有一定生物學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)生物學(xué)問題的本質(zhì)特征進(jìn)行分析、應(yīng)用和評(píng)價(jià)，對(duì)科學(xué)思維能力的要求較高。模型建構(gòu)是將抽象復(fù)雜的生物學(xué)知識(shí)直觀呈現(xiàn)的過程，它既是處理問題的一種重要手段，也是一種思維方式。將模型建構(gòu)的思維方式應(yīng)用于解題過程，有利于學(xué)生在特定的復(fù)雜情境中提取核心信息，建立直觀、快速的解題思維，發(fā)展具有生命觀念的科學(xué)思維方式。

1 促進(jìn)新舊知識(shí)的整合

學(xué)習(xí)是在原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，是把新知識(shí)和原有知識(shí)聯(lián)系在一起，積極建構(gòu)新知識(shí)的過程。教師通過模型建構(gòu)來激活學(xué)生已有的知識(shí)，建模的過程既是一個(gè)對(duì)原有概念進(jìn)行抽取和提煉的過程，也是邏輯思維運(yùn)用和發(fā)展的過程。在此基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生比較、分析和綜合題中提供的新信息與原有模型中呈現(xiàn)的信息，尋找新舊知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)點(diǎn)和結(jié)合點(diǎn)，并對(duì)原有模型進(jìn)行調(diào)整，建立新模型；再運(yùn)用新模型對(duì)問題進(jìn)行分析、演替和推理。

【例1】神經(jīng)遞質(zhì)甲會(huì)與藍(lán)斑神經(jīng)元上的受體G結(jié)合，引起K+通道開放，使K+順濃度梯度轉(zhuǎn)移，影響幼年大鼠藍(lán)斑神經(jīng)元的興奮性。推測神經(jīng)遞質(zhì)甲的作用是什么？

模型建構(gòu)：首先，教師引導(dǎo)學(xué)生提取已知的神經(jīng)調(diào)節(jié)相關(guān)認(rèn)知建構(gòu)模型，如神經(jīng)纖維的靜息電位模型（圖1）和動(dòng)作電位模型（圖2）。學(xué)生明晰題中的新信息，把已知（靜息狀態(tài)下K+濃度膜內(nèi)高于膜外）和新知（神經(jīng)遞質(zhì)甲使藍(lán)斑神經(jīng)元K+順濃度梯度轉(zhuǎn)移）結(jié)合，拓展原有模型，建構(gòu)新模型（圖3）；再根據(jù)新模型進(jìn)行演繹推理，K+順濃度梯度轉(zhuǎn)移的結(jié)果是使神經(jīng)元的細(xì)胞膜兩側(cè)電位差加大，維持靜息狀態(tài)。學(xué)生從而推測神經(jīng)遞質(zhì)甲的作用是抑制藍(lán)斑神經(jīng)元的興奮，屬于抑制性神經(jīng)遞質(zhì)。

圖1 神經(jīng)纖維的靜息電位模型

圖2 神經(jīng)纖維的動(dòng)作電位模型

圖3 學(xué)生拓展建構(gòu)的新模型

在解決此類問題的過程中，教師先用模型激活和呈現(xiàn)原有知識(shí)，促進(jìn)學(xué)生把零散的知識(shí)結(jié)構(gòu)化、隱性的知識(shí)顯性化，使學(xué)生從生物學(xué)視角獲取相關(guān)信息，尋找到新知和舊知之間的關(guān)聯(lián)點(diǎn)，開展知識(shí)遷移，提高思維的靈活性。在已有知識(shí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生再依據(jù)新證據(jù)得出新的結(jié)論，發(fā)展思維的創(chuàng)新性。

2 厘清多因子間的邏輯關(guān)系

生物學(xué)研究的對(duì)象復(fù)雜而多樣，某個(gè)特定的生物學(xué)現(xiàn)象往往是多因子互作的結(jié)果?；诟呖荚u(píng)價(jià)體系的生物學(xué)科試題強(qiáng)調(diào)綜合性和應(yīng)用性，既有學(xué)科內(nèi)容的綜合性，也有問題情境的復(fù)雜性。而復(fù)雜的情境一般具有較長的邏輯鏈。教師先引導(dǎo)學(xué)生從生物學(xué)角度，提取相關(guān)的因子作為建構(gòu)模型的各個(gè)要素；然后，基于事實(shí)與證據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生分析各要素的本質(zhì)屬性及相互之間的關(guān)系，并通過分析、抽象和概括，用特定的符號(hào)進(jìn)行表達(dá)，構(gòu)建各要素之間的邏輯關(guān)系；再引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用模型分析和解決問題。

【例2】某研究小組發(fā)現(xiàn)，血液中含有一種名為“GDF11”的蛋白質(zhì)，其含量減少可導(dǎo)致神經(jīng)干細(xì)胞中端粒酶的活性下降。因端粒酶在細(xì)胞中可以將端粒修復(fù)延長，而讓端粒不因細(xì)胞分裂而有所損耗，使細(xì)胞分裂次數(shù)增加。據(jù)此設(shè)想治療癌癥的思路。

模型建構(gòu)：試題中的情境設(shè)置以概念和文字的形式呈現(xiàn)，涉及多個(gè)因子。教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀和獲取信息，提取相關(guān)的物質(zhì)和概念——GDF11、端粒酶、端粒、細(xì)胞增殖，把這幾個(gè)因子作為模型的各要素；再使學(xué)生明析各要素之間的關(guān)系是建構(gòu)該模型的關(guān)鍵。例如，針對(duì)端粒酶對(duì)端粒的作用是修復(fù)延長，對(duì)此進(jìn)行抽象和概括，用箭頭和“+”或“-”的符號(hào)進(jìn)行表達(dá)，建構(gòu)出相關(guān)的模型（圖4）（“+”表示提高或促進(jìn)作用；“-”表示降低或抑制作用）。

圖4 學(xué)生構(gòu)建出的模型

此模型可以直觀、清晰地呈現(xiàn)各因子之間直接或間接的相互邏輯關(guān)系，使內(nèi)容簡約化、思維顯性化，有助于厘清多因子之間的邏輯關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)思維的流暢性和整體性。學(xué)生根據(jù)此模型能迅速推測：CDF11含量減少，最終導(dǎo)致細(xì)胞分裂次數(shù)減少；若想抑制癌細(xì)胞的增殖，應(yīng)該減少CDF11的含量。在建構(gòu)此模型的過程中，學(xué)生需要對(duì)信息進(jìn)行綜合、抽象和概況，并運(yùn)用模型進(jìn)行推理、評(píng)估和解釋，這是科學(xué)思維的重要表現(xiàn)形式和鍛煉途徑。

3 聚焦問題的核心本質(zhì)

生物和生命現(xiàn)象的復(fù)雜性和多樣性決定了在分析和研究問題時(shí)，需要透過現(xiàn)象尋找其本質(zhì)屬性，才能了解紛繁現(xiàn)象背后的生物學(xué)規(guī)律。教師引導(dǎo)學(xué)生利用直觀感知獲取信息，并根據(jù)已有的生命觀念，判斷與該生命現(xiàn)象相關(guān)的生物學(xué)規(guī)律。然后，學(xué)生再根據(jù)規(guī)律對(duì)復(fù)雜事物作深刻剖析，并通過抽象的方法，把現(xiàn)象通過模型轉(zhuǎn)化為本質(zhì)，把陌生的情境轉(zhuǎn)化成熟悉的場景，把復(fù)雜的問題簡單化，利用模型對(duì)問題進(jìn)行分析和說明。

【例3】SOS1、SOS2、SOS3是擬南芥的三種高耐鹽基因，只有同時(shí)具有三種基因的個(gè)體才表現(xiàn)出高耐鹽性狀。某研究人員將這三種基因?qū)胗衩准?xì)胞，成功篩選出了高耐鹽植株。由于導(dǎo)入的基因在染色體上隨機(jī)整合，出現(xiàn)了圖5所示的甲、乙兩種植株。若甲、乙自交，子一代中高耐鹽性狀的個(gè)體占比多少？（不考慮交叉互換）

圖5 導(dǎo)入基因的植株基因組成示意圖

模型建構(gòu)：本案例中與高耐鹽性狀相關(guān)的基因有三種，且外源基因在導(dǎo)入過程中在染色體上是隨機(jī)整合的，因此導(dǎo)致了現(xiàn)象的發(fā)生是復(fù)雜且多樣的。根據(jù)已有的生命觀念判斷，該現(xiàn)象符合孟德爾遺傳定律。孟德爾遺傳定律指向的應(yīng)是等位基因和非同源染色體上的非等位基因在親子代之間的遺傳規(guī)律。學(xué)生根據(jù)孟德爾遺傳定律對(duì)案例中的現(xiàn)象綜合分析后進(jìn)行抽象，把模型簡單化、抽象化和符號(hào)化，SOS1、SOS2、SOS3三種基因合而為一，用常見的基因表示方法（如A/a、B/b）表示，進(jìn)行圖6所示的模型轉(zhuǎn)化和建構(gòu)。

圖6 學(xué)生構(gòu)建及轉(zhuǎn)化的模型

在上述案例中，轉(zhuǎn)化后的模型能更好地體現(xiàn)該遺傳現(xiàn)象的本質(zhì)，即分離定律和自由組合定律。在模型建構(gòu)的過程中，學(xué)生需要對(duì)生物學(xué)現(xiàn)象運(yùn)用科學(xué)的邏輯思維方法進(jìn)行分析綜合、加工和改造，從而揭示事物的本質(zhì)。這不僅僅完成了認(rèn)識(shí)過程中由現(xiàn)象到本質(zhì)的轉(zhuǎn)化，還能促進(jìn)從不甚深刻的本質(zhì)到更深刻的本質(zhì)的轉(zhuǎn)化，因而有利于學(xué)生建立和發(fā)展具有深刻生命觀念的科學(xué)思維。

4 呈現(xiàn)科學(xué)表述的組織

科學(xué)的表達(dá)能力是衡量核心素養(yǎng)的一個(gè)重要指標(biāo)。學(xué)生能否基于生物學(xué)觀點(diǎn)與原理，對(duì)生物學(xué)或生命現(xiàn)象作出合理的解釋和理性的判斷，多數(shù)情況下最終依賴于科學(xué)的表達(dá)反映出來。在原因解釋類表達(dá)中，把描述事實(shí)作為科學(xué)表達(dá)的第一步，根據(jù)題干信息和已知的生物學(xué)知識(shí)原理進(jìn)行表述；然后，根據(jù)生物學(xué)觀點(diǎn)和原理分析事實(shí)或概念中的本質(zhì)；再在事實(shí)和概念、知識(shí)之間建構(gòu)橋梁，找出兩者是否存在差異，并根據(jù)差異判斷結(jié)論；最后用規(guī)范、簡潔的語言進(jìn)行表述（圖7）。

圖7 科學(xué)表達(dá)的模型

【例4】DNA疫苗是直接將編碼保護(hù)性抗原的基因，通過體外重組與質(zhì)粒結(jié)合，直接肌肉注射，從而使動(dòng)物體獲得免疫力。若將來研發(fā)出豬瘟病毒的DNA疫苗，接種疫苗的豬是否可以稱為轉(zhuǎn)基因豬？原因是什么？

模型建構(gòu)：根據(jù)模型建構(gòu)的第一步，教師引導(dǎo)學(xué)生描述生物學(xué)事實(shí)：疫苗豬是通過肌肉注射重組質(zhì)粒，從而獲得免疫力的動(dòng)物（題干信息）；轉(zhuǎn)基因豬是將重組質(zhì)粒導(dǎo)入受精卵并發(fā)育成個(gè)體的動(dòng)物（已知原理）。學(xué)生再根據(jù)生物學(xué)觀點(diǎn)和原理，分析事實(shí)和概念的本質(zhì)：疫苗豬是重組質(zhì)粒進(jìn)入體內(nèi)后，保護(hù)性抗原基因刺激機(jī)體產(chǎn)生特異性免疫反應(yīng)；轉(zhuǎn)移因豬是每個(gè)體細(xì)胞都有目的基因且在特定細(xì)胞中成功表達(dá)并可遺傳。然后，構(gòu)建橋梁，差異推理：疫苗豬和轉(zhuǎn)基因豬的受體細(xì)胞不同，技術(shù)操作的不同，對(duì)機(jī)體產(chǎn)生的影響不同。規(guī)范表達(dá)為：接種疫苗的豬將部分體細(xì)胞作為受體細(xì)胞，因此不是所有細(xì)胞都有保護(hù)性抗原基因，且不能通過有性生殖遺傳，所以不是轉(zhuǎn)基因豬。

科學(xué)的表述能力是學(xué)生核心素養(yǎng)的綜合體現(xiàn)，它可以是科學(xué)探究的有機(jī)組成部分，也可以是生命觀念和科學(xué)思維的終端體現(xiàn)。無法科學(xué)有效地組織語言進(jìn)行表述是學(xué)生目前存在的普遍問題。教師通過模型建構(gòu)能把隱性的思維顯性化、模糊的概念清晰化、混亂的思維邏輯化，能幫助學(xué)生抓住事物的本質(zhì)，并建立清晰嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬯P(guān)系，從而有利于科學(xué)表達(dá)。

科學(xué)思維就是具有意識(shí)的人腦對(duì)自然界中事物（包括對(duì)象、過程、現(xiàn)象、事實(shí)等）的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及自然界中事物間的聯(lián)系和相互關(guān)系的間接的、概括的和能動(dòng)的反映。學(xué)生利用模型建構(gòu)解決生物學(xué)問題，能有助于抓住事物的本質(zhì)、相互關(guān)系及內(nèi)在規(guī)律，有效推動(dòng)科學(xué)思維的發(fā)展，并由此領(lǐng)悟生物學(xué)研究特有的一般規(guī)律和思維方式，形成并發(fā)展具有生命觀念的科學(xué)思維。