摘 要：模型是物質(zhì)的直觀體現(xiàn)，通常是依據(jù)相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)，強(qiáng)化學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化性描述與概括，將難以理解且抽象的事物形象化，實(shí)現(xiàn)學(xué)生思維與能力培養(yǎng)。本文主要對(duì)生物3D模型及其構(gòu)建原則進(jìn)行分析，并提出高中生物3D模型的應(yīng)用策略，促進(jìn)學(xué)生的生物學(xué)科素養(yǎng)的提高。

關(guān)鍵詞：高中生物;3D模型;核心素養(yǎng);構(gòu)建;應(yīng)用

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》主要將核心素養(yǎng)作為宗旨，關(guān)注實(shí)踐能力以及創(chuàng)新精神培養(yǎng)，提倡以工程學(xué)任務(wù)進(jìn)行教學(xué)。模型與建模是高效化的一種學(xué)習(xí)方式，其不僅有助于學(xué)生的生物學(xué)科素養(yǎng)培養(yǎng)，而且還能促進(jìn)學(xué)生設(shè)計(jì)能力、思維能力的提高，是高中生物教學(xué)的重要部分。但是，高中生物的3D模型建構(gòu)中，普遍存有注重具體的模型形成結(jié)果，輕視建模思維過(guò)程、教學(xué)資源相對(duì)缺乏的現(xiàn)象，這會(huì)影響生物課堂教學(xué)中模型建構(gòu)。3D模型由于其具有多學(xué)科通用性以及模型建構(gòu)靈活性，是實(shí)現(xiàn)模型建構(gòu)、立德樹(shù)人教育任務(wù)落實(shí)以及培養(yǎng)核心素養(yǎng)的重要途徑。

一、3D模型概念及其建構(gòu)原則

（一）3D模型概述

3D模型主要是指經(jīng)過(guò)不同的細(xì)節(jié)處理以及層次渲染，通過(guò)特定的算法對(duì)物體空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)造，再現(xiàn)物體的真實(shí)結(jié)構(gòu)。3D模型既能翔實(shí)、全面、逼真地重現(xiàn)出生物體實(shí)際結(jié)構(gòu)特征，又能通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行放大縮小、自由旋轉(zhuǎn)[1]。部分3D模型還附帶了顯影動(dòng)畫(huà)播放的效果，是生動(dòng)形象的電子教具。同時(shí)，3D模型還能帶來(lái)良好的視覺(jué)體驗(yàn)，并在各個(gè)學(xué)科教育中得到廣泛運(yùn)用。

（二）3D模型建構(gòu)的原則

依據(jù)生物模型與3D模型的建構(gòu)特點(diǎn)，在進(jìn)行3D生物模型的建構(gòu)時(shí)，需遵循相應(yīng)的原則，具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1.科學(xué)性原則

生物模型主要是立足于生物原型抓住主要特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)化、抽象的模型，并反映出原型具備的基本特征，通常包含了大小、形狀、顏色、結(jié)構(gòu)等[2]。不論建構(gòu)哪種生物模型，最重要的是科學(xué)性。生物模型作為知識(shí)傳播的載體，模型錯(cuò)誤通常會(huì)使學(xué)生對(duì)相關(guān)生物知識(shí)的結(jié)構(gòu)與功能產(chǎn)生錯(cuò)誤認(rèn)知。因此，在生物模型的建構(gòu)時(shí)，需保證模型建構(gòu)沒(méi)有知識(shí)性錯(cuò)誤。3D模型的建構(gòu)模型需明確數(shù)據(jù)的精確性以及結(jié)構(gòu)形態(tài)的良好呈現(xiàn)，使模型的建構(gòu)更加科學(xué)、準(zhǔn)確。

2.簡(jiǎn)明性原則

模型通常是原型簡(jiǎn)化，生物教師需依據(jù)教學(xué)需求，進(jìn)一步刪減原型模型的具體結(jié)構(gòu)，或?qū)⑵鋸?fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化演示。例如，高中生物的課堂教學(xué)中，新課程對(duì)細(xì)胞的認(rèn)識(shí)提出了更高的要求，尤其是細(xì)胞器的功能與結(jié)構(gòu)相對(duì)統(tǒng)一，生物教師在建構(gòu)3D模型的時(shí)候，需注重細(xì)胞器具備的結(jié)構(gòu)特征，由于葉綠體與線粒體在細(xì)胞的呼吸以及光合作用對(duì)于生命活動(dòng)具有重要影響，因此，教師需通過(guò)兩部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)模型的建構(gòu)。

3.相似性原則

模型通常是以生物原型進(jìn)行建構(gòu)的，需注重模型特征的體現(xiàn)，基本的形態(tài)結(jié)構(gòu)需和原型相似。對(duì)于相似性原則而言，其主要是通過(guò)3D模型替代原型模型，不斷放大原型比例，將微觀化生物結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)物化展現(xiàn)[3]。

4.靈活性原則

不同生物模型具有不同建構(gòu)法，面對(duì)相同生物模型依據(jù)不同的教學(xué)需求以及實(shí)際情況，也需采取不同建構(gòu)法，建構(gòu)模式并非唯一，需依據(jù)內(nèi)容特點(diǎn)進(jìn)行靈活建構(gòu)。在3D模型設(shè)計(jì)時(shí)，需充分考慮到其實(shí)際應(yīng)用范圍，增加3D模型的運(yùn)用寬度，和模型結(jié)構(gòu)有關(guān)的內(nèi)容都能通過(guò)3D模型作為基礎(chǔ)進(jìn)行延伸應(yīng)用[4]。例如，DNA雙螺旋的結(jié)構(gòu)模型建構(gòu)時(shí)，不僅有DNA的分子結(jié)構(gòu)能夠運(yùn)用模型，而且還能在DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯的時(shí)候，促進(jìn)DNA雙螺旋的結(jié)構(gòu)模型拓展。積極運(yùn)用3D模型，將模型運(yùn)用于實(shí)際教學(xué)中，在進(jìn)行3D建模時(shí)，需充分考慮到運(yùn)用對(duì)象以及運(yùn)用方式。模型建構(gòu)的教學(xué)不能僅局限在靜態(tài)模型，需確保模型能夠“動(dòng)起來(lái)”，引導(dǎo)學(xué)生深刻體會(huì)模型建構(gòu)的全過(guò)程。若模型是教師在課堂教學(xué)中使用，模型體積與動(dòng)態(tài)演示是其關(guān)鍵的問(wèn)題，因此，生物教師需依據(jù)教學(xué)場(chǎng)景的不同，設(shè)計(jì)出可用的3D模型。

5.藝術(shù)性原則

在確保建構(gòu)的生物模型準(zhǔn)確性、科學(xué)性的基礎(chǔ)上，對(duì)模型實(shí)施優(yōu)化，以呈現(xiàn)出模型的藝術(shù)性。建構(gòu)精美的模型，能充分吸引學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)的注意力，并促使學(xué)生充滿興趣地觀察與研究模型。3D模型建構(gòu)時(shí)的模型組塊、角度搭建均會(huì)對(duì)成品觀感造成直接影響。因此，生物教師在建構(gòu)3D模型的時(shí)候，需注重增加模型的美觀以及區(qū)分度，并對(duì)其實(shí)施上色處理。

二、高中生物3D模型的構(gòu)建與應(yīng)用的現(xiàn)存問(wèn)題

（一）教師立足點(diǎn)不高

大部分生物教師在開(kāi)展3D模型的教學(xué)中，通常只是依據(jù)具體內(nèi)容進(jìn)展講解，缺乏立足于動(dòng)態(tài)和立體的角度來(lái)看待模型。如對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行建構(gòu)時(shí)，生物教師通常會(huì)將重點(diǎn)置于動(dòng)植物的細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)圖講解，并將細(xì)胞膜、細(xì)胞壁、細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、各種細(xì)胞器的功能以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行清楚講解，甚至?xí)龑?dǎo)學(xué)生將動(dòng)植物細(xì)胞的亞顯微細(xì)胞的結(jié)構(gòu)模式圖親自畫(huà)出來(lái)。通過(guò)這種方法雖然有利于學(xué)生理解以及掌握相關(guān)新知識(shí)，但是，大部分教師僅是停留于該步驟，忽略了模式圖僅僅為平面結(jié)構(gòu)，但真實(shí)細(xì)胞通常是立體的。若生物教師沒(méi)有引導(dǎo)學(xué)生親自制作細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)的動(dòng)畫(huà)或者模型，學(xué)生通常很難有效地理解中心體是動(dòng)物細(xì)胞中心，而非細(xì)胞核為細(xì)胞中心;無(wú)法理解在顯微鏡下沒(méi)有進(jìn)行質(zhì)壁分離的洋蔥的鱗莖外表皮的細(xì)胞是紫色的，不清楚原生質(zhì)層具體位于哪里;無(wú)法有效理解分泌蛋白在實(shí)際形成中囊泡為何有規(guī)律地朝著高爾基體移動(dòng)，然后向著細(xì)胞膜移動(dòng)，而不是隨機(jī)移動(dòng)以及隨機(jī)分散。由此可知，教師建模時(shí)的立足點(diǎn)通常會(huì)對(duì)學(xué)生理解知識(shí)的情況造成直接影響。

（二）模型建模的精準(zhǔn)度欠缺

目前，高中生物的課堂教學(xué)中，模型建構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)缺乏相應(yīng)的依據(jù)以及參照，大部分狀況下，模型制作都與生物本身結(jié)構(gòu)的大小存在巨大的差距，且生物教師在應(yīng)用模型的時(shí)候，也沒(méi)有對(duì)其實(shí)施相應(yīng)的強(qiáng)調(diào)與解釋，這會(huì)使學(xué)生對(duì)于生物知識(shí)的學(xué)習(xí)與理解產(chǎn)生誤解。除此之外，生物結(jié)構(gòu)通常是運(yùn)動(dòng)變化或者靜止?fàn)顟B(tài)的，但在高中生物的具體教學(xué)當(dāng)中，更多是靜止的狀態(tài)，這使學(xué)生對(duì)于生物模型所揭示的具體狀況理解缺乏準(zhǔn)確性。

（三）能力的培養(yǎng)欠缺

高中生物的建模教學(xué)中，部分生物教師都喜歡講解法，該方法更加直截了當(dāng)且便于操作，雖然講解的知識(shí)嚴(yán)謹(jǐn)、系統(tǒng)，但是不利于學(xué)生理解和消化。實(shí)際上，模型建構(gòu)的過(guò)程通常是學(xué)生通過(guò)自主思考而實(shí)現(xiàn)知識(shí)建構(gòu)的過(guò)程，該過(guò)程相較于結(jié)果通常更加重要。例如，在對(duì)概念模型開(kāi)展教學(xué)時(shí)，生物教師習(xí)慣于通過(guò)板書(shū)或者投影的方式，將其繪制的概念圖直接呈現(xiàn)給學(xué)生，而學(xué)生也認(rèn)為教師做出的歸納更具條理性，也更加全面，會(huì)直接應(yīng)用。這種狀況下，學(xué)生會(huì)形成思維惰性，凡事都習(xí)慣于依賴教師，影響學(xué)生自己的理解、比較、分析與概括等相關(guān)思維能力的鍛煉以及發(fā)展。

三、高中生物3D模型的構(gòu)建與應(yīng)用的策略

（一）立足于教學(xué)內(nèi)容，提高建構(gòu)模型的思維能力

高中生物的3D模型建構(gòu)過(guò)程通常是行為與思維的統(tǒng)一過(guò)程，依據(jù)生物知識(shí)以及學(xué)生無(wú)法理解的重難點(diǎn)實(shí)施深化與拓展，不僅有助于學(xué)生的觀察力、分析力、探究力提高，而且還能促進(jìn)學(xué)生的學(xué)科思維提升。依據(jù)課堂教學(xué)的具體進(jìn)程，以及學(xué)生的實(shí)際學(xué)情，教學(xué)需深入研究，準(zhǔn)確地把握好時(shí)機(jī)，運(yùn)用生物建模法，深化學(xué)生對(duì)相關(guān)生物知識(shí)的理解，并促使學(xué)生積極主動(dòng)地參與到生物課堂的教學(xué)活動(dòng)中，對(duì)生命的活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行探索，以促使學(xué)生形成相應(yīng)的生物觀念。就高中生來(lái)說(shuō)，生物教學(xué)需注重培養(yǎng)學(xué)生解決生物問(wèn)題的能力，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)、完善、高效的知識(shí)體系構(gòu)建。例如，在對(duì)“分子與細(xì)胞”中的“走進(jìn)細(xì)胞”開(kāi)展教學(xué)時(shí)，生物教師可依據(jù)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)實(shí)施綜合設(shè)計(jì)，建構(gòu)概念圖的3D模型，利用模型直觀形象、簡(jiǎn)明的優(yōu)勢(shì)，為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供充足的理論支持。同時(shí)，生物教師可調(diào)動(dòng)學(xué)生已具備的生物知識(shí)進(jìn)行模型建構(gòu)，與灌輸式教學(xué)不同，其更有助于學(xué)生進(jìn)行知識(shí)記憶。在對(duì)3D模型進(jìn)行建構(gòu)中，需依據(jù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的具體內(nèi)容、細(xì)胞的分類與組成實(shí)施歸類教學(xué)，深化學(xué)生對(duì)生物知識(shí)的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效率提高。

（二）立足于概念模型建構(gòu)，完善學(xué)生學(xué)習(xí)能力

在高中生物教學(xué)中建構(gòu)3D模型，生物教師需與實(shí)際教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，突出3D模型的建構(gòu)方法，并突出其中的具體環(huán)節(jié)，注重學(xué)生自身的學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)。例如，在對(duì)“細(xì)胞器——系統(tǒng)的分工合作”相關(guān)內(nèi)容開(kāi)展教學(xué)時(shí)，生物教師可對(duì)學(xué)生課下所制作的細(xì)胞模型進(jìn)行完善與評(píng)價(jià)，以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的功能認(rèn)識(shí)以及掌握。本節(jié)課教學(xué)的能力目標(biāo)是引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)真核細(xì)胞的3D模型，在藝術(shù)性、科學(xué)性各方面進(jìn)行模型建構(gòu)，并給予相應(yīng)的評(píng)價(jià)。同時(shí)，生物教師可引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)自主學(xué)習(xí)進(jìn)行概念圖建構(gòu)，依據(jù)高等動(dòng)植物的細(xì)胞模式圖，對(duì)動(dòng)植物的細(xì)胞器具體種類進(jìn)行概括，并形成相應(yīng)的3D模型，以促使學(xué)生充分掌握其細(xì)胞器種類的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生完善其模型建構(gòu)以及評(píng)價(jià)的能力，使學(xué)生自身的學(xué)習(xí)能力得到全面提高。

（三）立足于3D模型呈現(xiàn)，落實(shí)核心素養(yǎng)培養(yǎng)目的

生物3D模型的顯著優(yōu)勢(shì)是將抽象化生物概念與原理形象地展示給學(xué)生，以便于學(xué)生更容易理解生物概念和規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)生物學(xué)的知識(shí)體系，并形成相應(yīng)的生命觀念，以此為學(xué)生形成形象思維以及核心素養(yǎng)做足準(zhǔn)備與鋪墊。同時(shí)，生物教師需依據(jù)3D模型建構(gòu)的實(shí)際價(jià)值，融入生物教學(xué)的整個(gè)過(guò)程，調(diào)動(dòng)學(xué)生的建模意識(shí)，并依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣給予科學(xué)引導(dǎo)。教師還需引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)模型，凸顯出以生為本的課堂教學(xué)優(yōu)勢(shì)，提升學(xué)生的模型建構(gòu)能力。例如，在對(duì)“有絲分裂”的相關(guān)知識(shí)開(kāi)展教學(xué)時(shí)，生物教師可通過(guò)圖表模型、實(shí)物模型的3D模型建構(gòu)，促進(jìn)課堂教學(xué)的直觀性和豐富性，使學(xué)生形成核心素養(yǎng)以及形象思維力。生物教師還能通過(guò)視頻演示，將“細(xì)胞分裂成兩個(gè)細(xì)胞的全過(guò)程”展示給學(xué)生，在集中學(xué)生學(xué)習(xí)注意力的同時(shí)，為學(xué)生的后續(xù)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。依據(jù)有絲分裂的特征，通過(guò)信息技術(shù)軟件，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)3D模型，明確結(jié)構(gòu)與功能之間的聯(lián)系節(jié)點(diǎn)，以促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)造性思維以及想象能力發(fā)展。

（四）立足于3D模型建構(gòu)，提高問(wèn)題解決能力

學(xué)生充分掌握3D模型的建構(gòu)方法，可以有效解決學(xué)生在實(shí)際學(xué)習(xí)活動(dòng)中的問(wèn)題。減數(shù)分裂屬于高中生物實(shí)際教學(xué)的主要內(nèi)容，學(xué)生可以經(jīng)過(guò)3D模型建構(gòu)完成相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。在進(jìn)行“減數(shù)分裂”的教學(xué)中：第一，生物教師可通過(guò)多媒體將減數(shù)分裂的3D模型播放給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生直觀、形象地理解與掌握減數(shù)分裂的全過(guò)程，以促使學(xué)生形成感性認(rèn)識(shí);第二，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)生物教材中的減數(shù)分裂過(guò)程圖進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，與同源染色體、聯(lián)會(huì)、姐妹染色體、染色體的交叉互換等有關(guān)概念相結(jié)合，繪制出減數(shù)分裂的3D模型圖，對(duì)各個(gè)時(shí)期的染色單體、染色體及DNA數(shù)量等相關(guān)特征實(shí)施分析，并找出增加或者減少的具體原因，以實(shí)現(xiàn)DNA、染色體的數(shù)量變化的3D模型建構(gòu)。學(xué)生經(jīng)過(guò)減數(shù)分裂的3D模型建構(gòu)，不僅能充分理解與掌握減數(shù)分裂的關(guān)鍵點(diǎn)，而且還能掌握分裂的整個(gè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的生物思維拓展，通過(guò)3D模型建構(gòu)，實(shí)現(xiàn)問(wèn)題解決能力的提高。

（五）參與3D模型建構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生綜合素養(yǎng)

模型是學(xué)生研究生物知識(shí)的一種科學(xué)有效的方法，通過(guò)信息技術(shù)輔助學(xué)生進(jìn)行3D模型的構(gòu)建，更能夠幫助學(xué)生深刻地認(rèn)識(shí)生物本質(zhì)，也能夠促使學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。在教材中的生物知識(shí)幾乎都是以平面的形式呈現(xiàn)，不容易讓學(xué)生想象出所研究對(duì)象的真實(shí)樣子，通過(guò)模型構(gòu)建的方法對(duì)生物對(duì)象的主要特征進(jìn)行概括和總結(jié)，然后構(gòu)建立體的3D模型，通過(guò)學(xué)生的參與、構(gòu)建和觀察，能夠感受到生命的奧妙，清晰、具體地觀察生物的空間構(gòu)型，提高學(xué)生的生命意識(shí)，認(rèn)同生命是復(fù)雜的。例如，在進(jìn)行“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成”教學(xué)時(shí)，通過(guò)3D模型的構(gòu)建，往往能夠取得良好的效果。在構(gòu)建3D模型前，教師收集有關(guān)的3D素材，給學(xué)生展示模型需要的基本3D單位。諸如：脫氧核苷酸、核糖、脫氧核糖、堿基（A、G、C、T/U）、核糖體等。接下來(lái)，學(xué)生開(kāi)始構(gòu)建3D模型，學(xué)生運(yùn)用素材構(gòu)建mRNA、tRNA、氨基酸的3D圖形，然后通過(guò)核糖體對(duì)mRNA的堿基序列進(jìn)行翻譯，肽鏈也不斷地延伸，肽鏈合成后，脫離了信使RNA，最終形成具有一定氨基酸順序和功能的蛋白質(zhì)分子，3D模型構(gòu)建完成。通過(guò)構(gòu)建模型，能夠使學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)到遺傳信息從DNA到蛋白質(zhì)的過(guò)程中，理解細(xì)胞中發(fā)生的復(fù)雜過(guò)程，感嘆生命的奇跡，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，培養(yǎng)學(xué)生綜合素養(yǎng)。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，高中生物的課堂教學(xué)中建構(gòu)3D模型通常具有顯著優(yōu)勢(shì)，其不僅有助于教學(xué)質(zhì)量的轉(zhuǎn)變與提升，而且還能促進(jìn)學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效率的提升，對(duì)學(xué)生的綜合能力進(jìn)行培養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生的主觀能動(dòng)性發(fā)揮，將生動(dòng)、直觀的生物知識(shí)呈現(xiàn)給學(xué)生，使高中生物的課堂教學(xué)質(zhì)量與效果得到顯著提高。

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作者簡(jiǎn)介：凌燕（1987— ），女，漢族，江蘇姜堰人，江蘇省揚(yáng)州市第一中學(xué)，中學(xué)一級(jí)，本科。研究方向：高中生物教學(xué)。