摘要：以人教版七年級《生物學》下冊（2012年版）「人體內廢物的排出」為例，闡述開展建模教學時，應圍繞教學重點設計建模教學目標，合理選擇、有機組合不同屬性、表徵方式及類型的模型，通過觀察、分析、討論、建構、評價及修正等一系列方式，指導學生使用模型、建構模型、評價模型及修正模型，促進學生深度學習，建立、理解與應用生物學概念，提高建模能力、批判性思維能力，發展生物學核心素養。
關鍵詞：模型；建模教學；生物學核心素養；批判性思維能力
隨著中學生物學課程改革的深入推進，建模教學日益受到重視。建模是建構模型的簡稱，是指在問題情境中形成實體、符號或抽象表徵的過程和產物。建模的科學實踐要素包括模型使用、模型建構、模型評價及模型修正。凡涉及模型使用、模型建構、模型評價及模型修正等過程的教學即為建模教學。［1］本文以人教版七年級《生物學》下冊（2012年版）第五章「人體內廢物的排出」為例，探討建模教學策略，促進學生運用模型與建模的科學思維方法認識生命現象及生命規律，解決生活中的實際問題，習得生物學概念，促進生命觀念的形成、建模能力及社會責任感的提高。［2］
圍繞課時教學重點設計建模教學目標。根據《義務教育生物學課程標準（2011年版）》的課程內容要求，「人體內廢物的排出」教學應幫助學生建立重要概念「泌尿系統包括腎臟、輸尿管、膀胱和尿道，其功能是排除廢物和多餘的水」，其中「腎臟是形成尿液的器官」「腎單位是腎臟結構和功能單位」等次位概念是建立該重要概念的關鍵，是本節學習重點。［3］因腎單位的結構微觀，其功能相對複雜、抽象，也是學習難點。
為了突出學習重點、突破學習難點，擬定「人體內廢物的排出」建模教學目標是：①通過建構、評價與修正腎單位尺度模型，學生能夠形象、直觀地認識腎單位的結構，推測腎小球、腎小囊及腎小管的功能。②通過建構、評價與修正尿的形成與排出系統模型，以及觀察、分析與討論相關「概念-過程」模型、尺度模型及數學模型等，學生能夠描述人體泌尿系統的組成及其他排洩途徑，分析尿液形成時物質的變化，概述尿的形成與排出，認同「生物體的結構與功能相適應」「廢物的形成與排出有利於維持人體的穩態與平衡」等生物學觀念。③討論、分析有關數學模型，解決生活中的實際問題，認同「人體各個系統相互聯繫、相互協調，以完成生命活動」等生物學系統觀點，並關注泌尿系統的衛生保健，養成健康生活的習慣。
為了達成建模目標，選擇模型及建模方式時，應根據具體教學內容、學生認知水平、教學條件、課時及模型的功能，考慮模型的類型、表徵方式及其屬性等因素。［4］
「人體內廢物的排出」建模教學選擇的模型與建模方式是：①學生觀察靜態的細胞的生活視覺方式系統模型、動態的排洩視覺方式「概念-過程」模型、靜態的泌尿系統、腎臟、腎單位等組成與結構視覺方式尺度模型、靜態的腎臟實物方式尺度模型、靜態的肺泡、小腸絨毛視覺方式尺度模型、動態的尿液的形成視覺方式系統模型。②學生小組建構、評價與修正靜態的腎單位混合實物方式尺度模型、學生課後獨立建構、評價與修正靜態的混合視覺方式的尿液的形成和排出系統模型。③學生討論分析靜態的混合視覺方式數學模型。
選擇不同屬性、表徵方式及類型的模型並有機組合、靈活運用，通過觀察、分析、討論、建構、評價及修正等一系列建模方式，幫助學生建立、理解與應用生物學概念，鍛鍊學生的推理、判斷、歸納、演繹及批判性思維等科學思維能力，促進生命觀念與社會責任感的形成。
使用細胞的生活系統模型，指導學生觀察、回顧已學的有關人體細胞生活需要物質和能量，呼吸系統和消化系統為細胞生活提供氧氣和有機物，循環系統將氧氣和有機物運輸到細胞，細胞在分解有機物釋放能量的時候，會產生代謝廢物等知識。設問：「你知道這些廢物是什麼嗎？」由此導入本節「人體內廢物的排出」教學，潛移默化地進行人體是一個統一的整體的系統觀教育。
使用排洩「概念-過程」模型，指導學生觀察、思考「人體內廢物是通過什麼途徑排出體外的？」了解與糾正學生的「排便、流眼淚是人體內廢物排出體外的途徑」等前科學概念，幫助學生建立對排洩概念以及人體內排洩途徑有呼吸、排汗、排尿等三種形式的正確認識。在此調整教科書相關內容的教學順序，將排洩概念與「其他排洩途徑」等內容進行整合，為學習本節重點內容「尿的形成與排出」奠定知識基礎，並提供充裕的時間。
以腎臟的功能為教學的切入點開展尿的形成與排出建模教學。
①使用泌尿系統尺度模型，導入本環節教學。指導學生觀察視覺方式尺度模型泌尿系統的組成示意圖，聯繫已有知識與經驗，初步建立「尿的形成和排出與泌尿系統、特別是腎臟密切相關」的認識。
②使用腎臟、肺泡及小腸絨毛尺度模型，進行觀察與推測。指導學生重點觀察豬的腎臟標本上的腎動脈與腎靜脈，以及腎臟血管造影圖，分析有關資料，促進學生初步得出「血液流經腎臟時代謝廢物減少，以尿液的形式排出了」的結論。指導學生進一步思考與討論「腎臟具有怎樣的結構，才能完成形成尿液的功能？腎臟的毛細血管可能發生物質交換嗎？腎臟以什麼結構收集所形成的尿液？」學生推測「腎臟各具有一條血液通路與尿液通路」。通過觀察肺泡結構示意圖和小腸絨毛結構示意圖，指導學生複習人體內完成物質交換的結構特點是具有毛細血管、增大表面積、壁薄等，為腎臟具有血液通路、能進行物質交換等提供證據、奠定知識基礎。
③使用腎臟、腎單位結構尺度模型，進行觀察與論證。通過觀察腎臟內部結構示意圖、腎實質結構模式圖、光學顯微鏡及電鏡下腎單位結構示意圖等一系列尺度模型，幫助學生逐步深入地了解腎臟、腎實質、腎單位的組成與結構，證實腎臟具有血液通路與尿液通路。學習從外部形態到內部結構、從宏觀到微觀的生物學觀察方法，了解推測是需要觀察、實驗、模型等提供事實證據的，觀察、實驗、模型等是生物學研究的重要的方法和手段。有目的、有計劃地進行生物體結構與功能相適應的生物學觀點教育。
④使用數學模型，進行分析與提升。指導學生分析有關人體在完全休息和運動情況下，通過汗液、尿液及呼出氣體等途徑所喪失水分的數學模型，小組討論「運動時尿液為什麼減少？為什麼運動時通過呼氣喪失的水量增多？運動時汗液顯著增多的意義是什麼？運動時我們應該怎樣做？」等問題。促進學生加深對人體內廢物的排出的認識，綜合應用所學的有關呼吸系統、皮膚、泌尿系統、循環系統等知識解決生活中的真實的問題，形成「人體是一個統一的整體，人體各個系統相互聯繫、相互協調，以完成生命活動」的系統觀，養成健康生活的習慣。
①建模與討論。根據教科書中腎的內部結構示意圖，學生利用教師提供的紅色、藍色毛線網、橡皮管及小漏鬥等材料，四人一小組建構腎單位模型。並思考、討論「腎小球及腎小管周圍環繞毛細血管有何意義？」
②觀察、分析數學模型。指導學生觀察、分析「健康人腎動脈中的血漿、腎小囊中的液體和尿液中主要成分」數學模型，了解排尿主要排出多餘的水與尿素等廢物，初步建立「腎小球和腎小囊壁具有過濾作用、腎小管具有重吸收作用」等認識。
③觀察、分析動態模型。指導學生觀察尿的形成動態模型，以動態的、形象的系統模型，幫助學生了解排尿時、特別是過濾作用、重吸收作用時腎單位血路和尿路中主要物質的變化，明確腎小球及腎小管周圍環繞毛細血管的意義。
④標識模型。指導學生將製作好的腎單位模型用透明膠固定在卡紙上，用黏貼紙標註腎單位各部分結構名稱及其功能特點。（如圖1）
學生帶著問題動手製作模型、觀察與分析模型，加深對腎單位結構特點的認識，同時明確腎單位具有過濾作用和重吸收作用等生理功能。製作模型的目的不是讓學生記住腎單位結構與功能特點，而是通過「動手」「動腦」「動口」的製作、分析、解釋、評價等建模活動，進行深度學習，使得學生對學習重點與難點「腎單位是腎臟結構和功能單位」做到「知其然，知其所以然」，提高學生建模能力，認同「生物體結構與功能相適應」「廢物的形成與排出有利於維持人體的穩態與平衡」等生物學觀點。
尿的形成與排出建模教學過程中，教師以概念圖的形式在黑板上逐步建構尿的形成與排出系統模型，突出尿形成時腎小球、腎小囊及腎小管處的物質變化情況，體現腎單位的過濾作用和重吸收作用。總結腎臟、輸尿管、膀胱、尿道等泌尿器官在尿的形成與排出時所發揮的作用，並進行泌尿系統的衛生保健教育。（如圖2）要求學生課後獨立在學案中表達對尿的形成與排出的認識，表達方式不限，促進學生運用模型總結所學的生物學知識，形成結構與功能觀、穩態與平衡觀，提高歸納能力與表達能力。圖3為學生建構尿的形成與排出系統模型。
腎單位尺度模型的評價標準是：①是否合理運用紅色、藍色毛線網、橡皮管及小漏鬥等建模材料表徵腎小球、腎小囊及腎小管；②是否正確標識腎單位各部分結構名稱及其功能特點，且模型製作美觀；③是否運用模型正確表達對腎單位結構與功能的認識；④是否及時、正確修正模型。如表1。
尿的形成與排出系統模型的評價標準是：①是否獨立運用合理的模型類型、表徵方式等表達對尿的形成與排出的認識；②對尿的形成的認識是否正確、全面；③對尿的排出的認識是否正確、全面；④是否及時、正確修正模型。（如表2）
根據模型評價標準及學生建模學習經驗開展學生自評、互評及教師評價。
①腎單位尺度模型評價時，重點評價學生是否能運用模型正確表達對腎單位結構與功能的認識。即是否能運用小組建構的模型，並結合對「健康人腎動脈中的血漿、腎小囊中的液體和尿液中主要成分」數學模型、尿的形成動態模型的觀察與分析，正確闡述對「腎小球及腎小管周圍環繞毛細血管有何意義」的認識。
②尿的形成與排出系統模型評價時，重點評價學生是否合理運用模型的類型與表徵方式。有自己的想法或創意，而不是模仿教師或其他同學的模型，並運用模型正確、全面地闡述對尿的形成的認識。這要求對於學生而言難度較大，具有挑戰性，但可以促進學生靈活應用建模方法，提高建模能力。
通過模型評價，促進學生學會運用模型表達對概念的認識，豐富有關模型與建模知識。同時，有利於外顯內隱的思維過程及錯誤概念，及時糾正教與學中存在的問題。
根據模型自評、互評及教師評價結果，學生課後修正模型，下一節課進行展示與評價。
①要求學生以表3為線索進行腎單位尺度模型修正。
②要求學生以表4為線索進行尿的形成與排出系統模型修正。
通過模型修正，促進學生反思模型與建模活動中存在的問題，勇於改正概念性的、方法性的錯誤，提高批判性思維能力。同時，加深學生對生物學知識的理解，促進學生了解生物學知識是在不斷修正中完善與發展的，初步形成科學本質觀。
建模是一個複雜的、循環反覆的過程，學生建模能力的形成與提高是一個持續的、緩慢的過程。為此，開展建模教學時，教師必須明確教學內容是否適合開展建模活動；根據模型的功能進行合理的評價、選擇，並優化模型之間的組合，靈活運用多種模型進行教學；基於真實的問題情境進行建模，讓學生像科學家那樣，通過建模，促進思考、表達與交流觀點，而不僅僅是手工製作；要傾聽學生的描述，如用什麼建構模型、怎麼建構、為什麼建構等，以及解釋、推理或陳述理由、支持證據等等；了解學生有關模型與建模的認識及其存在的錯誤，激發學生修改模型的需要；將建模教學與小組合作學習、探究學習等有機地整合，讓模型和建模有效地融入學生的經歷和實踐中。
總之，在初中生物學教學中，應重視開展模型與建模教學的實踐與研究，深入了解模型的類型、功能、表徵方式及屬性等，根據課程標準要求、具體教學內容、學生實際水平及教學條件，設計與實施建模活動，促進學生理解、建立與應用生物學概念，形成生命觀念，學習有關模型與建模知識，理解科學本質，提高科學思維能力、實踐能力，有效地發展學生生物學核心素養。
參考文獻：
［1］趙萍萍，趙博，劉恩山. 建模教學研究進展及其對理科建模教學的啟示——基於學科教學視角［J］. 教育導刊，2015（2）：42-45.
［2］人民教育出版社課程教材研究所生物課程教材研究開發中心. 生物學（七年級下冊）［M］. 北京：人民教育出版社，2012.
［3］教育部. 義務教育生物學課程標準（2011年版）［S］. 北京：北京師範大學出版社，2012：17.
［4］趙萍萍，劉恩山. 科學教育中模型定義及其分類研究述評［J］. 教育學報，2015（1）：46-53.
作者：陳欣 福建教育學院理科研修部；左勤勇
建甌第一中學
基金項目：2017年福建省中青年教師教育科研項目（基礎教育研究專項）「基於思維外顯的中學生物學建模教學實踐研究」（課題編號：JZ170398，福建教育學院資助）。
文章來源：福建基礎教育研究2019年第5期
圖片來源：網絡