重庆市綦江中学 张小平

北京市西城区教育研修学院 陈晓霞

重庆市綦江区教育科学研究所 肖廷忠

一、建模教学的指导思想与理论依据

模型既是对客观事物或过程的一种表征方式，也是人们为了实现某种特定目的而对认识对象所作的一种简化的概括性描述。建模教学是科学课程常用的一种教学方法，学生通过建构模型、使用模型、评价模型和修正模型等系列活动，更能深刻理解科学概念的本质。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称课标）提出了生命观念、科学思维、科学探究和社会责任等四个方面的学科核心素养，其中科学思维素养包括：能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法，探讨、阐释生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题等。美国《K-12科学教育框架》中提出，学生学习和理解科学概念的过程实质上就是心智模型建构的过程，并将“证据、模型和解释”作为“统一的科学概念与过程”。这些论述或要求为利用模型建构发展学生生物学学科核心素养提供了理论依据和实践指导。

二、基于核心素养的学习目标分析

“核心素养为宗旨”是课标提出的四个课程理念之一，也是生物学教师在课堂教学实践中必须落实的基本要求，是预设学生学习目标需要首先考虑的因素。本文以北师大版高中生物学教材《必修1·分子与细胞》第4章第四节“光合作用的碳反应”一节内容为例，利用教材中内容丰富的科学史资料，基于核心素养的四个维度，通过探究光合作用碳反应过程的模型建构，设计如表1所示的指向具体核心素养的教学目标。

三、突出模型建构的任务式教学过程

（一）情境创设

通过视频介绍超级杂交稻的优势：超级杂交稻在光反应过程中的光合量子传递速率高，能吸收更多的光能，饱和光合速率高；其叶片中叶绿素a与叶绿素b比值比普通水稻高22.90%和36.78%，并且其对光能吸收、传递及转化的效率较高，将光能转化为活跃的化学能的能力强。杂交水稻能够固定更多的CO2；叶片光合作用的效率强，净光合作用速率高，同时其光合功能期长，物质积累量大。

提出问题：根据视频资料思考哪些是杂交水稻通过增强光反应来提高产量的手段？哪些是不同于光反应提高产量的手段？引出“二氧化碳的固定过程属于光合作用的碳反应过程”教学内容。

设计意图：通过视频材料深入理解光合作用光反应概念的内涵与外延，并且尝试对光反应与碳反应的概念有初步辨析。同时，改变影响光合作用相关过程的因素可使水稻增产，也有助于培养学生运用生物学知识和方法造福人类的社会责任感。

（二）任务一：构建碳反应过程物质的转变过程模型

引导过渡：碳反应过程吸收二氧化碳，合成糖类，这个过程是一步到位的吗？里面还存在着哪些中间产物呢？

1.子任务1：设计实验——探究碳反应过程的中间产物

循序渐进引导学生思考如下问题：①哪种实验技术与方法可以来检测物质的生成？②仅仅利用同位素标记法就可以检测碳反应过程中碳原子经历了哪些变化吗？③如何操作才能得到不同时间的产物？

经典科学实验中蕴含了科学家丰富的创造性思维和实证思想，由于高一学生才进入高中，学生在思考与设计实验中对于常见的科学技术与方法了解还并不全面，在科学探究能力、科学素养上略显不足，所以需要教师引导学生，紧密结合已经掌握的科学知识，逐步建立小球藻结构与功能相适应的观念，设计实验确定碳反应中产生了哪些物质及其先后顺序，发展设计实验、实施方案的科学探究能力。

实验设计完毕，由教师展示科学家实验思路资料：科学家以小球藻（Chlorella vulgaris）为主要研究对象，利用14CO2饲喂小球藻，经过不同时间的光照后，用热酒精将小球藻迅速杀死，利用纸层析法将不同时间得到的代谢产物分离，此时再对不同时间得到的代谢产物进行鉴定，即可探究出碳反应过程物质的转化顺序，学生最终在科学家完整的实验思路中完善自己的实验思路。

2.子任务2：构建碳反应的基本物质转变过程模型

展示资料一：向反应体系中充入一定量的14CO2，以时间为自变量，探究不同时间检测到放射性的物质，如表2。

学生根据上述资料，通过构建碳反应过程中的物质转变过程，发展了建模以及创造性思维等科学思维，并构建碳反应过程物质转变顺序：由CO2到三碳化合物（C3），再转变为五碳化合物（C5）和六碳糖（糖类化学式CH2O，包含六碳糖，下文统一用CH2O指代六碳糖），即：CO2→C3→C5+CH2O。

（三）任务二：完善碳反应的物质转变过程模型

引导学生思考：CO2转变为C3的过程不是一步到位的，它首先要在酶、能量的作用下与哪种物质结合，学生初步推测是C2类似化合物，教师指出卡尔文也如此认为，于是通过请教化学家进行多次层析实验，但漫长实验都以失败告终！引导学生思考，如何转变思路？学生在独立思考与小组讨论后请几个小组代表发言（根据具体情况展示问题支架：改变CO2浓度，研究哪些物质的含量发生变化，这个思路可行吗？），最后教师展示卡尔文的实验资料与数据图并简单介绍图中物质：增加或减少CO2供应发现C3和C5的浓度变化如图1。

图1 增加或减少CO2供应C3和C5的浓度变化

学生根据上述资料，完善之前构建的碳反应过程中物质转变的模型。此环节为模型构建的关键环节，学生利用模型建构等科学方法分析资料，经历分析—构建—修正—再构建的过程。任务二与任务三学生构建模型过程思路见图2。

图2 教学思路及构建碳反应的物质转变过程模型思路

（四）任务三：构建光反应与碳反应的物质和能量联系

光合作用包含光反应与碳反应过程，光反应与碳反应过程之间存在着什么样的联系呢？

展示资料三：阿尔农（DL.）用离体的叶绿体做实验，在黑暗条件下，只要给分离的叶绿体提供ATP和［H］（NADPH，还原型辅酶Ⅱ），叶绿体就能将CO2转化为糖类等有机物，同时ATP和［H］含量急剧下降。学生根据上述资料，构建光反应与碳反应之间物质和能量的联系，完善光反应与碳反应模型。

学生通过构建本节课知识与上一节课的联系，形成整体观、结构与功能观，物质与能量观。根据资料得出光反应为碳反应提供ATP和［H］，进而根据已学习知识推测碳反应为光反应提供ADP和NADP+，完善光反应与碳反应的联系，建立起光反应、碳反应是统一的整体的观念。任务三学生构建的模型如图3。

图3 光反应与碳反应的物质与能量联系模型

（五）总结和评价

一节完整的课离不开总结，本节课需要对重点部分碳反应的具体过程，光反应与碳反应的区别和联系等次位概念进行总结，学生在探究中聚焦的是光合作用的小概念，也真正落实了生命观念，实现了对生物学大概念可以“吃得透，记得住，用得上”。

评价过程实际贯穿课堂教学的所有环节，包括了过程性评价、终结性评价，学生互评和教师点评。本次评价涉及模型构建思路及团队合作、其他小组对构建思路的合理评价、模型构建结果及教师过程与终结性评价三个方面，可以较为全面地反映小组构建模型的情况。

四、基于学生学习效果的教学反思

本节课基于模型构建，设计三个模型构建任务，前面一个任务是后一个任务完成的保障，互有联系，逐个深入，教师精心设计问题支架来引导学生建模，从而逐步修正学生原有的心智模型，最终建构并完善碳反应模型。

教学实践中，提供给学生在碳反应模型构建和完善环节的探究时间较长，主要为了发展学生基于对科学史资料的分析，提高分析实验过程和结果的能力、建模能力。在实际教学中，想在每一节课都落实生物学核心素养的四个维度是很难做到的。所以，根据教学内容特点，重点对其中的一两个维度进行培养更为现实并且能够取得更好的教学效果。