模型能力框架及其對(duì)高中生物學(xué)模型與建模教學(xué)的啟示
——以“生殖細(xì)胞形成過程”中的模型與建模活動(dòng)為例

閆孟宸 鐘能政 魯亞平

（1.安徽師范大學(xué)生物教育研究中心 安徽蕪湖 241000）

（2.安徽省教育科學(xué)研究院 安徽合肥 230001）

模型與建模是教授科學(xué)素養(yǎng)的有效教學(xué)工具，也是公民在日常生活中參與科學(xué)討論與決策的關(guān)鍵要素。模型能力框架作為分析學(xué)生對(duì)模型的理解及其在科學(xué)中應(yīng)用的理論框架，在科學(xué)教育中占有重要地位，只有在深度分析學(xué)生模型能力框架的基礎(chǔ)上開展模型與建模教學(xué)活動(dòng)，才能促進(jìn)學(xué)生對(duì)模型的理解和建模能力的提升。生物學(xué)是科學(xué)教育的重要分支，高中生物學(xué)教學(xué)中包含豐富的建?；顒?dòng)，模型能力框架作為理解模型與建模知識(shí)的理論框架，如何將其應(yīng)用于高中生物學(xué)模型與建模教學(xué)實(shí)踐中？下面以生殖細(xì)胞形成過程中的模型與建?；顒?dòng)為例，從模型能力框架的5個(gè)維度分析。

1 模型能力框架的基本含義

2010年，德國學(xué)者Upmeier zu Belzen和Krüger通過整合關(guān)于模型的理論文獻(xiàn)和相關(guān)的實(shí)證研究，提出了模型能力框架，又稱為模型能力的理論結(jié)構(gòu)，或?qū)W生理解模型及其在科學(xué)中應(yīng)用的理論框架，用于描述學(xué)生對(duì)模型和建模的理解。Upmeier zu Belzen和Krüger定義了學(xué)生理解模型和建模的5個(gè)維度：模型的本質(zhì)、同一事物（現(xiàn)象/過程）的多元模型、模型的目的、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃托薷哪Ｐ?，每個(gè)維度又細(xì)分為3個(gè)水平，具體見表1。這三種水平代表了一種不斷增長的對(duì)模型與建模進(jìn)行反思的能力。每一個(gè)維度的第三水平都與模型作為理論重構(gòu)和科學(xué)研究的工具有關(guān)，通常，這被視為科學(xué)教育的目標(biāo)之一。因此，這三個(gè)水平描述了關(guān)于學(xué)生應(yīng)該了解的生物學(xué)或科學(xué)中的模型和建模知識(shí)，能夠理解第三等級(jí)中所描述的各個(gè)方面觀點(diǎn)的學(xué)生對(duì)模型與建模的理解更為科學(xué)。

表1 模型能力框架

Upmeier zu Belzen和Krüger的實(shí)證研究表明，只有極少數(shù)學(xué)生能夠達(dá)到第三級(jí)理解水平，多數(shù)學(xué)生處于第一級(jí)和第二級(jí)；學(xué)生對(duì)模型與建模的理解具有學(xué)科特異性，在物理和化學(xué)學(xué)科中常涉及到較抽象的模型，并且更多是運(yùn)用模型的解釋和預(yù)測(cè)功能；而在生物學(xué)科中常涉及到較具體的模型，更多的是運(yùn)用模型的描述功能。

2 學(xué)生模型能力框架對(duì)高中生物學(xué)模型與建模教學(xué)的幾點(diǎn)啟示

2.1 高中生物學(xué)模型與建模教學(xué)應(yīng)發(fā)展學(xué)生對(duì)模型本質(zhì)的理解

模型能力框架中對(duì)模型本質(zhì)的理解水平由低到高分別是原事物的復(fù)制、原事物的理想化表示和原事物的理論重構(gòu)。原事物的復(fù)制包括對(duì)原事物的精確復(fù)制和與原事物有極大的相似性。原事物的理想化表示是指根據(jù)特定的目的用模型表示原事物本質(zhì)的、核心的特征或聚焦于原事物的某一方面。原事物的理論重構(gòu)是對(duì)模型本質(zhì)最高水平的理解，將模型的本質(zhì)從具體水平上升到抽象水平，注重學(xué)生通過模型與建模強(qiáng)化思維過程，發(fā)現(xiàn)知識(shí)之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的整合與重組。以減數(shù)分裂的物理模型為例，學(xué)生僅理解為為了重現(xiàn)減數(shù)分裂的過程而制作的減數(shù)分裂各個(gè)時(shí)期放大的模型，類似于嚴(yán)格按比例放大的真核細(xì)胞細(xì)胞器的模型，屬于第一水平的理解。學(xué)生認(rèn)識(shí)到模型重點(diǎn)展示了減數(shù)分裂本質(zhì)的、核心的特征如同源染色體的聯(lián)會(huì)和分離，非同源染色體的自由組合等，屬于第二水平的理解。學(xué)生能夠通過模型將減數(shù)分裂與有絲分裂相聯(lián)系，認(rèn)識(shí)到兩者的異同；能夠?qū)p數(shù)分裂與孟德爾遺傳定律相聯(lián)系，強(qiáng)化對(duì)染色體與基因關(guān)系的理解，提升解決遺傳問題的能力，屬于第三水平的理解。

學(xué)生對(duì)模型本質(zhì)的理解是一個(gè)由形象到抽象，由刻板印象到形成復(fù)雜理解的進(jìn)階過程，發(fā)展對(duì)模型本質(zhì)的高水平理解是有效建模的基礎(chǔ)。在高中生物學(xué)模型與建模教學(xué)中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生從對(duì)模型本質(zhì)簡單形象的理解逐步過渡到復(fù)雜多層次的理解，發(fā)展學(xué)生對(duì)模型本質(zhì)的理解水平，增長對(duì)建模理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)。

2.2 高中生物學(xué)模型與建模教學(xué)應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生建立同一事物的多元模型

同一事物的多元模型是指同一事物可被多個(gè)模型表示，即模型不具有唯一性。模型能力框架中同一事物的多元模型包括原事物不同屬性的模型、聚焦于原事物的不同方面和關(guān)于原事物的不同假設(shè)三個(gè)水平。生物學(xué)教學(xué)中，學(xué)生通常從染色體水平建構(gòu)模型學(xué)習(xí)生殖細(xì)胞的形成過程，即建構(gòu)減數(shù)分裂的模型——首先建構(gòu)直觀、形象的物理模型，然后根據(jù)物理模型總結(jié)相關(guān)特點(diǎn)，建立概念模型，最后歸納染色體和DNA的變化規(guī)律，建立相對(duì)抽象的數(shù)學(xué)模型。由此可見，不同模型之間是相互聯(lián)系且可以相互轉(zhuǎn)換的，對(duì)同一現(xiàn)象可以建立不同類別的模型，屬于第一水平的理解。對(duì)于生殖細(xì)胞的形成這一過程，也可以從器官、激素的作用水平建立模型。例如，教師引導(dǎo)學(xué)生建立精子和卵細(xì)胞形成過程中激素作用的概念模型，促使學(xué)生明確相關(guān)器官和激素的作用，促進(jìn)學(xué)生理解精子和卵細(xì)胞形成過程的激素調(diào)節(jié)機(jī)制，使學(xué)生掌握生殖細(xì)胞形成過程中除了染色體的變化還有激素水平的變化，豐富學(xué)生的知識(shí)，這屬于第二水平的理解。此外，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)原事物不同的假設(shè)進(jìn)行建模。例如，在學(xué)習(xí)減數(shù)分裂時(shí)，教師提出問題：配子中是否存在同源染色體？學(xué)生可以建立兩種不同的假設(shè)：①配子中存在同源染色體；②配子中不存在同源染色體。學(xué)生基于假設(shè)建構(gòu)起點(diǎn)和終點(diǎn)細(xì)胞中的染色體模型，以驗(yàn)證哪種假設(shè)正確。在學(xué)習(xí)精子形成過程中激素的調(diào)節(jié)作用時(shí)，教師提出問題：若使用某種抑制物抑制下丘腦釋放促性腺激素釋放激素，精子的產(chǎn)生會(huì)發(fā)生什么變化？學(xué)生針對(duì)這一問題，提出假設(shè)，并通過建立模型驗(yàn)證哪種假設(shè)正確，這屬于第三水平的理解。

在高中生物學(xué)模型與建模教學(xué)中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生思考：同一事物或現(xiàn)象是否可以有多個(gè)模型？怎樣對(duì)同一事物或現(xiàn)象建立多個(gè)模型？同一事物的多個(gè)模型之間有什么聯(lián)系與區(qū)別？對(duì)同一事物或現(xiàn)象建立多個(gè)模型有什么意義？通過思考以上問題，學(xué)生豐富對(duì)同一事物多元模型的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)對(duì)原事物細(xì)節(jié)的關(guān)注。教師引導(dǎo)學(xué)生在建模活動(dòng)中建立同一事物的多元模型，以促進(jìn)對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解；并且在建立不同類別的模型基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生建立聚焦于原事物不同方面和關(guān)于原事物不同假設(shè)的模型，發(fā)展學(xué)生的發(fā)散思維，提高學(xué)生提出假設(shè)進(jìn)行論證的能力。

2.3 高中生物學(xué)模型與建模教學(xué)應(yīng)豐富學(xué)生對(duì)建模目的的認(rèn)識(shí)

模型能力框架中模型的目的包括對(duì)原事物的描述、對(duì)原事物中某些關(guān)系的解釋、對(duì)原事物中某些關(guān)系或變量的預(yù)測(cè)三個(gè)水平。這三個(gè)水平并不是相互排斥的，同一模型可能兼有三種目的。例如，根據(jù)減數(shù)分裂的物理模型，說明何為同源染色體、姐妹染色單體、四分體；描述減數(shù)分裂的過程，染色體、DNA的變化；解釋染色體變化與DNA變化的關(guān)系，減數(shù)分裂Ⅰ與減數(shù)分裂II的關(guān)系，產(chǎn)生精子和卵細(xì)胞過程的異同；預(yù)測(cè)減數(shù)分裂Ⅰ同源染色體未正常分離會(huì)導(dǎo)致什么結(jié)果？減數(shù)分裂Ⅱ姐妹染色單體未正常分離會(huì)導(dǎo)致什么結(jié)果？在減數(shù)分裂前，向原始生殖細(xì)胞注射某種抑制DNA復(fù)制的藥物會(huì)導(dǎo)致什么結(jié)果？以上結(jié)果是否會(huì)導(dǎo)致某種遺傳病的發(fā)生？

學(xué)生對(duì)建模目的的認(rèn)識(shí)可能具有局限性。在高中生物學(xué)模型與建模教學(xué)中，教師常運(yùn)用模型進(jìn)行描述和解釋而較少進(jìn)行預(yù)測(cè)，因此應(yīng)豐富學(xué)生對(duì)建模目的的認(rèn)識(shí)，使學(xué)生明確模型對(duì)原事物的描述和解釋是預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)模型描述和解釋原事物，在掌握原事物的特征和物質(zhì)變化關(guān)系的基礎(chǔ)上對(duì)某些現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.4 高中生物學(xué)模型與建模教學(xué)應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生檢驗(yàn)和修正模型的能力

建模是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、復(fù)雜的、非線性的過程，檢驗(yàn)和修改模型貫穿于整個(gè)建?；顒?dòng)。檢驗(yàn)和修改模型是緊密聯(lián)系在一起的，體現(xiàn)了模型的暫時(shí)性和發(fā)展性。檢驗(yàn)?zāi)Ｐ退?為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ捅旧?，如檢驗(yàn)材料是否體現(xiàn)姐妹染色單體及同源染色體的特點(diǎn)。水平2是比較模型與原事物，將減數(shù)分裂的模型與觀察減數(shù)分裂的顯微照片進(jìn)行比較，并對(duì)模型作出必要的調(diào)整。修改模型水平1為修正模型中的錯(cuò)誤或改進(jìn)模型。例如，當(dāng)發(fā)現(xiàn)用毛根玩具建構(gòu)減數(shù)分裂模型比紙片、鐵絲更簡便、更科學(xué)時(shí)，對(duì)原模型的材料進(jìn)行改進(jìn)。水平2是由于對(duì)原事物的新發(fā)現(xiàn)而修改模型，當(dāng)發(fā)現(xiàn)蜜蜂產(chǎn)生生殖細(xì)胞的方式與其他動(dòng)物的不同時(shí)，修改模型以展示蜜蜂產(chǎn)生生殖細(xì)胞的方式。檢驗(yàn)和修改模型的水平3與第二維度的水平3有關(guān)，它們組合成一個(gè)完整的“提出假設(shè)—建立模型—檢驗(yàn)假設(shè)—修改模型”程序。例如，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)21三體產(chǎn)生的原因提出假設(shè)：

①同源染色體（21號(hào)）在減數(shù)分裂Ⅰ未能分離；

②姐妹染色單體（21號(hào)）在減數(shù)分裂Ⅱ未能分離；

③……

學(xué)生在原模型的基礎(chǔ)上，建立新模型檢驗(yàn)假設(shè)，最后修改被證偽的假設(shè)對(duì)應(yīng)的模型。

檢驗(yàn)和修正模型是學(xué)生建?；顒?dòng)中所需的重要能力。隨著檢驗(yàn)和修正模型能力的提高，學(xué)生逐漸從關(guān)注模型本身轉(zhuǎn)向模型背后的假設(shè)，在檢驗(yàn)和修正模型中進(jìn)行反思，不斷調(diào)整認(rèn)知結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化建模活動(dòng)中的思維過程，促進(jìn)學(xué)生發(fā)展、批判和修改模型。在高中生物學(xué)模型與建模教學(xué)中教師應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生檢驗(yàn)和修正模型的能力，以有效促進(jìn)學(xué)生通過模型獲取知識(shí)的過程。

3 小結(jié)

本研究沒有對(duì)每個(gè)維度下的每個(gè)水平進(jìn)行全面論述，僅以生殖細(xì)胞形成過程中模型與建?；顒?dòng)的某一點(diǎn)進(jìn)行舉例說明，以期促進(jìn)教師對(duì)模型能力框架的理解，有利于將模型能力框架與其他內(nèi)容建立聯(lián)系。另外，學(xué)生對(duì)模型與建模高水平的理解能夠有效提升建模用模的能力，整合知識(shí)和理論，促進(jìn)思維的發(fā)展和問題的解決。因此，教師應(yīng)該注重在學(xué)生的基礎(chǔ)水平上培養(yǎng)學(xué)生對(duì)模型與建模的高階認(rèn)知。