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基于科学思维进阶的高中生物建模教学实施与思考

陈颖芳张锋

摘要借助科学思维进阶的统整作用将模型建构、模型分析和模型应用等各环节进行整合，构建逐级深化的思维方式，优化建模路径，能促使学生由浅入深、由表及里地从多维角度进行探究，形成科学的认知结构，最终完成概念的自主建构。

关键词科学思维思维进阶生物建模

中图分类号G633.91

文献标志码B

模型方法是以研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法，是逻辑方法的一种特有形式。建模是科学研究的核心实践活动之一，建模过程涉及模型的构建、分析和应用，可帮助学生深入理解知识形成的过程。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》将科学建模列为科学思维的关键要素，让学生经历科学建模过程并实现模型进阶到思维发展的升华成为当前课堂上促进学生生物学学科核心素养，尤其是科学思维能力提升的重要教学策略之一。

1基于科学思维进阶的高中生物建模教学的流程

“兴奋在神经纤维上的传导”是人教版《选择性必修1·稳态与调节》第二章第三节“神经冲动的产生和传导”的教学难点之一，涉及静息电位、动作电位、电流表的偏转方向等高中生较难理解的内容，体现了物理学、化学、生物学交叉融合的特点。建模教学策略鼓励学生在尊重生物学事实和证据的基础上，运用科学思维方法，探讨和阐释有关生命现象及规律。建模教学要从建模的方法、能力的层级逐步转移关注科学思维的层级。教师出示多种证据资料，逐步引导学生基于科学思维方法构建分析相关的数学模型、物理模型，深入理解“神经细胞膜内外在静息状态具有电位差，受到外界刺激后形成动作电位，并沿神经纤维传导”这一重要概念，关注生物电所蕴含的生命活动本质，从而发展学生的科学思维。

科学思维是基于事实证据、运用科学概念、通过科学推理和论证对客观事物的本质、规律及其相互关系作出判断和解释、对客观事物的发展变化作出预测的认识方式。生物建模是一个复杂的心理和思维过程，教師可以借助科学思维进阶理论的统整作用，将其各环节进行整合，形成有效的教学序列和学习路径。整合科学思维进阶理论、生物建模教学要素得到的科学思维进阶式高中生物建模流程如图1所示。其中，归纳与概括属于低阶思维，演绎与推理、模型与建模属于中阶思维，批判性思维和创造性思维属于高阶思维。

2基于科学思维进阶的高中生物建模教学的实施

2.1设置问题，引发思考

教师展示蛙的坐骨神经—腓肠肌兴奋实验和蛙的坐骨神经表面电位差两个经典实验，创设情境。学生联系实验现象，回忆及科学表述初中生物学关于反射、反射弧和神经元相关的知识，同时根据实验结果形成推论：兴奋在神经纤维上以电信号的形式进行传导。教师引导学生从神经元的结构这一微观层面，提出关键问题：“反射发生的时候，神经细胞发生了怎样的变化导致感受器接受的刺激以电信号的形式进行传导？”

在这一阶段，学生主要通过自我体验、观察实验现象，联想相关科学概念，以激活先验知识。同时，学生通过发散性思维从多个视角针对实验现象提出不同的问题，比较和区分所提问题的可行性，进一步明确自己的研究问题，明晰学习目标。

2.2归纳概括，建构模型

教师展示乌贼巨大神经纤维的膜电位测定实验，学生建构膜电位变化的数学模型。

膜电位测定实验：用微电极、灵敏电流计测量乌贼巨大神经纤维静息状态下膜内外电位，电表上显示的数值为-60mV;紧接着给予神经纤维某个点一定强度的刺激，电表上显示的数值由-60mV变为0，并出现+40mV的峰值，随后又逐渐下降至0，最后恢复为静息时的-60mV。

学生观察实验，用横坐标表示时间，纵坐标表示膜电位，构建膜电位变化的数学模型（图2）。

数学模型能真实、系统、完整、形象地反映客观事物本质，使知识更具有外显性。在该环节，教师结合基础物理学的电学内容，为学生膜电位变化的数学模型建构提供了保障，并借鉴数学中的描点作图，勾画出电位差变化的大致趋势，有效训练学生比较、分析、综合、抽象与概括能力，增强学生对刺激会转化为电流的认同。

2.3演绎推理，分析模型

2.3.1提供事实，运用归纳推理，解释静息电位产生的机制

教师提供2个事实：

1枪乌贼巨大神经细胞内液和细胞外液中主要离子的浓度表（表1）。

2细胞处于静息状态时，细胞膜对K+通透性较大，对Na+等其他离子的通透性很小，而对A-几乎没有通透性。

学生结合物质跨膜运输的方式、内环境的化学组成及理化性质等知识基础，分析上述两个事实，对静息电位的产生作出合乎逻辑的解释：静息状态时，膜内、外离子分布静息时，由于膜对K+通透性大而对有机负离子A-无通透性，因此，K+可以顺着浓度梯度经离子通道蛋白由膜内扩散至膜外，A-不能透过膜而滞留在膜内，使得膜外具有较多的正电荷、膜内具有较多的负电荷，而使膜电子分布呈现内负外正。

2.3.2运用类比推理，解释动作电位产生的机制

教师继续提供事实：