陳穎芳 張鋒
摘要借助科學(xué)思維進(jìn)階的統(tǒng)整作用將模型建構(gòu)、模型分析和模型應(yīng)用等各環(huán)節(jié)進(jìn)行整合,構(gòu)建逐級深化的思維方式,優(yōu)化建模路徑,能促使學(xué)生由淺入深、由表及里地從多維角度進(jìn)行探究,形成科學(xué)的認(rèn)知結(jié)構(gòu),最終完成概念的自主建構(gòu)。
關(guān)鍵詞 科學(xué)思維 思維進(jìn)階 生物建模
中圖分類號 G633.91
文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B
模型方法是以研究模型來揭示原型的形態(tài)、特征和本質(zhì)的方法,是邏輯方法的一種特有形式。建模是科學(xué)研究的核心實(shí)踐活動(dòng)之一,建模過程涉及模型的構(gòu)建、分析和應(yīng)用,可幫助學(xué)生深入理解知識形成的過程。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》將科學(xué)建模列為科學(xué)思維的關(guān)鍵要素,讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)建模過程并實(shí)現(xiàn)模型進(jìn)階到思維發(fā)展的升華成為當(dāng)前課堂上促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng),尤其是科學(xué)思維能力提升的重要教學(xué)策略之一。
1基于科學(xué)思維進(jìn)階的高中生物建模教學(xué)的流程
“興奮在神經(jīng)纖維上的傳導(dǎo)”是人教版《選擇性必修1·穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》第二章第三節(jié)“神經(jīng)沖動(dòng)的產(chǎn)生和傳導(dǎo)”的教學(xué)難點(diǎn)之一,涉及靜息電位、動(dòng)作電位、電流表的偏轉(zhuǎn)方向等高中生較難理解的內(nèi)容,體現(xiàn)了物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)交叉融合的特點(diǎn)。建模教學(xué)策略鼓勵(lì)學(xué)生在尊重生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)的基礎(chǔ)上,運(yùn)用科學(xué)思維方法,探討和闡釋有關(guān)生命現(xiàn)象及規(guī)律。建模教學(xué)要從建模的方法、能力的層級逐步轉(zhuǎn)移關(guān)注科學(xué)思維的層級。教師出示多種證據(jù)資料,逐步引導(dǎo)學(xué)生基于科學(xué)思維方法構(gòu)建分析相關(guān)的數(shù)學(xué)模型、物理模型,深入理解“神經(jīng)細(xì)胞膜內(nèi)外在靜息狀態(tài)具有電位差,受到外界刺激后形成動(dòng)作電位,并沿神經(jīng)纖維傳導(dǎo)”這一重要概念,關(guān)注生物電所蘊(yùn)含的生命活動(dòng)本質(zhì),從而發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。
科學(xué)思維是基于事實(shí)證據(jù)、運(yùn)用科學(xué)概念、通過科學(xué)推理和論證對客觀事物的本質(zhì)、規(guī)律及其相互關(guān)系作出判斷和解釋、對客觀事物的發(fā)展變化作出預(yù)測的認(rèn)識方式。生物建模是一個(gè)復(fù)雜的心理和思維過程,教師可以借助科學(xué)思維進(jìn)階理論的統(tǒng)整作用,將其各環(huán)節(jié)進(jìn)行整合,形成有效的教學(xué)序列和學(xué)習(xí)路徑。整合科學(xué)思維進(jìn)階理論、生物建模教學(xué)要素得到的科學(xué)思維進(jìn)階式高中生物建模流程如圖1所示。其中,歸納與概括屬于低階思維,演繹與推理、模型與建模屬于中階思維,批判性思維和創(chuàng)造性思維屬于高階思維。
2基于科學(xué)思維進(jìn)階的高中生物建模教學(xué)的實(shí)施
2.1設(shè)置問題,引發(fā)思考
教師展示蛙的坐骨神經(jīng)—腓腸肌興奮實(shí)驗(yàn)和蛙的坐骨神經(jīng)表面電位差兩個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn),創(chuàng)設(shè)情境。學(xué)生聯(lián)系實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,回憶及科學(xué)表述初中生物學(xué)關(guān)于反射、反射弧和神經(jīng)元相關(guān)的知識,同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果形成推論:興奮在神經(jīng)纖維上以電信號的形式進(jìn)行傳導(dǎo)。教師引導(dǎo)學(xué)生從神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)這一微觀層面,提出關(guān)鍵問題:“反射發(fā)生的時(shí)候,神經(jīng)細(xì)胞發(fā)生了怎樣的變化導(dǎo)致感受器接受的刺激以電信號的形式進(jìn)行傳導(dǎo)?”
在這一階段,學(xué)生主要通過自我體驗(yàn)、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,聯(lián)想相關(guān)科學(xué)概念,以激活先驗(yàn)知識。同時(shí),學(xué)生通過發(fā)散性思維從多個(gè)視角針對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出不同的問題,比較和區(qū)分所提問題的可行性,進(jìn)一步明確自己的研究問題,明晰學(xué)習(xí)目標(biāo)。
2.2歸納概括,建構(gòu)模型
教師展示烏賊巨大神經(jīng)纖維的膜電位測定實(shí)驗(yàn),學(xué)生建構(gòu)膜電位變化的數(shù)學(xué)模型。
膜電位測定實(shí)驗(yàn):用微電極、靈敏電流計(jì)測量烏賊巨大神經(jīng)纖維靜息狀態(tài)下膜內(nèi)外電位,電表上顯示的數(shù)值為-60mV;緊接著給予神經(jīng)纖維某個(gè)點(diǎn)一定強(qiáng)度的刺激,電表上顯示的數(shù)值由-60mV變?yōu)?,并出現(xiàn)+40mV的峰值,隨后又逐漸下降至0,最后恢復(fù)為靜息時(shí)的-60mV。
學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn),用橫坐標(biāo)表示時(shí)間,縱坐標(biāo)表示膜電位,構(gòu)建膜電位變化的數(shù)學(xué)模型(圖2)。
數(shù)學(xué)模型能真實(shí)、系統(tǒng)、完整、形象地反映客觀事物本質(zhì),使知識更具有外顯性。在該環(huán)節(jié),教師結(jié)合基礎(chǔ)物理學(xué)的電學(xué)內(nèi)容,為學(xué)生膜電位變化的數(shù)學(xué)模型建構(gòu)提供了保障,并借鑒數(shù)學(xué)中的描點(diǎn)作圖,勾畫出電位差變化的大致趨勢,有效訓(xùn)練學(xué)生比較、分析、綜合、抽象與概括能力,增強(qiáng)學(xué)生對刺激會(huì)轉(zhuǎn)化為電流的認(rèn)同。
2.3演繹推理,分析模型
2.3.1提供事實(shí),運(yùn)用歸納推理,解釋靜息電位產(chǎn)生的機(jī)制
教師提供2個(gè)事實(shí):
1槍烏賊巨大神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液中主要離子的濃度表(表1)。
2細(xì)胞處于靜息狀態(tài)時(shí),細(xì)胞膜對K+通透性較大,對Na+等其他離子的通透性很小,而對A-幾乎沒有通透性。
學(xué)生結(jié)合物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)姆绞?、?nèi)環(huán)境的化學(xué)組成及理化性質(zhì)等知識基礎(chǔ),分析上述兩個(gè)事實(shí),對靜息電位的產(chǎn)生作出合乎邏輯的解釋:靜息狀態(tài)時(shí),膜內(nèi)、外離子分布靜息時(shí),由于膜對K+通透性大而對有機(jī)負(fù)離子A-無通透性,因此,K+可以順著濃度梯度經(jīng)離子通道蛋白由膜內(nèi)擴(kuò)散至膜外,A-不能透過膜而滯留在膜內(nèi),使得膜外具有較多的正電荷、膜內(nèi)具有較多的負(fù)電荷,而使膜電子分布呈現(xiàn)內(nèi)負(fù)外正。
2.3.2運(yùn)用類比推理,解釋動(dòng)作電位產(chǎn)生的機(jī)制
教師繼續(xù)提供事實(shí):3神經(jīng)纖維受到刺激時(shí),細(xì)胞膜上接受刺激的點(diǎn)的通透性發(fā)生變化,Na+通道打開。教師引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)運(yùn)用事實(shí)1、事實(shí)3及靜息電位產(chǎn)生機(jī)制,類比推理出動(dòng)作電位產(chǎn)生的機(jī)制:受到刺激時(shí),由于膜上的Na+通道打開,使得大量的Na+內(nèi)流,K+通道關(guān)閉,使得K+不能外流,而使膜電子分布由內(nèi)負(fù)外正轉(zhuǎn)變成內(nèi)正外負(fù)。學(xué)生培養(yǎng)了邏輯推理能力,并促進(jìn)了概念的同化和順應(yīng)。
2.3.3運(yùn)用演繹推理,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明膜電位產(chǎn)生的機(jī)制
上述膜電位產(chǎn)生的機(jī)制是基于邏輯推理得到的,其正確與否需要實(shí)驗(yàn)證據(jù)的支持。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行演繹推理:若上述機(jī)制是正確的,則細(xì)胞外液中K+濃度會(huì)影響神經(jīng)纖維靜息電位的大小,而細(xì)胞外液中Na+濃度幾乎不影響;但細(xì)胞外液中Na+濃度會(huì)影響受刺激神經(jīng)膜電位的變化幅度。接著,提供以下材料和用具,請學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明。
材料和用具:測量電位變化的測量儀器、刺激器、生理狀態(tài)一致的槍烏賊離體神經(jīng)纖維若干、正常海水、低K+海水、高K+海水、低Na+海水、高Na+海水等(注:不同海水的滲透壓相等但K+或Na+濃度不同)。
演繹推理對學(xué)生保持思維的嚴(yán)密性有重要的校正作用,可以幫助學(xué)生形成完整的知識體系。
2.4發(fā)展批判性思維,實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型到物理模型的轉(zhuǎn)變
學(xué)生將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟P停瑯?gòu)建“興奮在神經(jīng)纖維上傳導(dǎo)”的物理模型,并借助模型清晰描述膜內(nèi)外電位情況、電流方向;同時(shí),討論“在體神經(jīng)纖維上興奮的傳導(dǎo)是雙向還是單向”。
學(xué)生實(shí)現(xiàn)從數(shù)學(xué)模型到物理模型的轉(zhuǎn)變,直觀呈現(xiàn)興奮在神經(jīng)纖維上的雙向傳導(dǎo)、興奮傳導(dǎo)方式與膜內(nèi)電流方向的關(guān)系,有助于真正地理解和運(yùn)用知識。學(xué)生的討論則側(cè)重發(fā)展學(xué)生的批判性思維,幫助學(xué)生跳出“興奮在離體神經(jīng)纖維上雙向傳導(dǎo)”的思維定勢。
3基于科學(xué)思維進(jìn)階的高中生物建模教學(xué)的思考
3.1利用SOLO
評價(jià)理念衡量學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展水平SOLO分類評價(jià)法可以用于形成性的學(xué)生學(xué)業(yè)評價(jià)。教學(xué)實(shí)施的“設(shè)置問題,引發(fā)思考”和“歸納概括,建構(gòu)模型”環(huán)節(jié)屬于單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平,學(xué)生可直接根據(jù)經(jīng)典實(shí)驗(yàn),確定對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。通過學(xué)生在這一環(huán)節(jié)的表現(xiàn),可判斷其是否具備將信息歸納概括,簡單的模型與建模能力。教學(xué)實(shí)施的“提供事實(shí),運(yùn)用歸納推理,解釋靜息電位產(chǎn)生的機(jī)制”和“運(yùn)用類比推理,解釋動(dòng)作電位產(chǎn)生的機(jī)制”環(huán)節(jié)屬于多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平,側(cè)重學(xué)生儲(chǔ)備與“物質(zhì)跨膜運(yùn)輸”相關(guān)的知識及對多個(gè)生物事實(shí)的分析能力,但互不關(guān)聯(lián)。教師可通過考查學(xué)生能否正確分析膜電位變化的數(shù)學(xué)模型,科學(xué)解釋膜電位變化的機(jī)制,進(jìn)而評估學(xué)生是否具備一定的歸納與概括能力、類比推理能力。教學(xué)實(shí)施的“運(yùn)用演繹推理,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明膜電位產(chǎn)生的機(jī)制”環(huán)節(jié)屬于關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平,學(xué)生需要在掌握膜電位變化的機(jī)制的基礎(chǔ)上進(jìn)一步演繹推理其正確性。教師可觀察學(xué)生能否在新情境下明晰探究目的,合理確定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的自變量、因變量并通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),預(yù)測并論述實(shí)驗(yàn)結(jié)果等,考查學(xué)生在較復(fù)雜情境中是否具有更高科學(xué)思維水平。教學(xué)實(shí)施的“發(fā)展批判性思維,實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型到物理模型的轉(zhuǎn)變”環(huán)節(jié)屬于抽象拓展結(jié)構(gòu)水平,要求學(xué)生將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟P筒⒈嫖鲈隗w神經(jīng)纖維上興奮的傳導(dǎo)的方向。該環(huán)節(jié)主要涉及程序性知識和反省性知識,需要學(xué)生在高度歸納概括生物學(xué)規(guī)律與原理基礎(chǔ)上充分運(yùn)用高階思維解決未知情境中的問題,具備一定的開放性。
3.2通過科學(xué)建模實(shí)現(xiàn)模型進(jìn)階到思維發(fā)展的升華
建模的目的是為了實(shí)現(xiàn)思維的發(fā)展。教學(xué)中,教師首先基于生物學(xué)經(jīng)典實(shí)驗(yàn),通過歸納概括建構(gòu)起某種生物模型;其次,通過分析綜合、演繹推理等科學(xué)思維方法,內(nèi)化概念的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系進(jìn)而分析模型;最后,還要鼓勵(lì)學(xué)生基于事實(shí)證據(jù)對不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判,進(jìn)而應(yīng)用模型。教學(xué)過程應(yīng)遵循“以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、以思維為中心”,構(gòu)建逐級深化的思維方式,優(yōu)化建模路徑,促使學(xué)生由淺入深、由表及里地從多維角度進(jìn)行探究,形成科學(xué)的認(rèn)知結(jié)構(gòu),最終完成知識的自主建構(gòu)。
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3126501908285