利用物理模型促进生物学重要概念构建 ——以“细胞的基本结构”一节为例

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1. 引言

从广义来看，概念的建构过程就是建立模型的过程[1]。在形成模型的过程中，学习者需要提取出认识对象的基本特征，其实质就是对概念的理解与把握。学习者建立的模型反映了对概念的掌握程度。在高中生物学教学中，教师利用学生所建立的模型可检测其对生物学重要概念的理解程度，发现学生在概念理解上的薄弱之处。生物学的模型主要包含三大类：物理模型、数学模型、及概念模型。其中物理模型是以实物、图画等方式形象直观地描述所认识对象的主要特征。

在“细胞的基本结构”这一节的学习中，学生需要能够阐明细胞内各个结构的结构特征及主要功能，认识到细胞各部分既相对独立又紧密联系、协调一致完成细胞的各项生命活动。教师充分利用物理模型进行教学，能够更有效促进学生理解建构这些重要概念，有效引导学生结合概念之间的内在联系形成整体的知识框架。

2. 利用物理模型进行生物学教学

通过初中阶段生物学的学习，学生已对细胞的基本结构有一个初步的认识。但并没有深入了解挖掘细胞各结构与功能的联系、细胞各结构之间的联系。因此，在高中阶段学习这一节的内容时，教学的重难点应是联系细胞基本结构与功能的关系、各细胞结构功能的协调合作，构建关于细胞基本结构的重要概念，建立起细胞水平上的结构与功能观。要利用物理模型完成该节教学的重难点应可按以下三个步骤进行教学。

（1）借助实物教学，引导学生归纳细胞基本结构

教师借助不同类型的细胞装片（如洋葱鳞片表皮细胞、叶肉细胞、口腔上皮细胞、心肌细胞等），引导学生观察辨别不同类型细胞在形态及结构上有何异同。学生通过观察归纳出不同类型的细胞在形态上差异较大，但是具有相似的细胞结构。教师通过借助实物模型教学，引导学生在头脑中初步构建出组成细胞的三大基本结构（细胞核、细胞质、细胞膜）。

教师进一步展示动物细胞及植物细胞的亚显微结构模式图，引导学生发现动植物细胞各自特有的细胞结构。学生在观察后能够阐述出动植物细胞在结构上的区别，并对植物特有或动物特有的细胞结构进行归纳分类。在总结归纳中，学生进一步思考不同类型的细胞其共有或特有的细胞结构各自具怎样的功能。

（2）绘制细胞内各细胞器，构建细胞器结构与功能向统一的概念

细胞内部具有多种相对独立的细胞器，不同的细胞器具有特殊的结构及特定的功能。学生通过绘制各细胞器的平面，能够结合细胞器结构特征增强对细胞器功能的理解记忆。并构建出细胞器结构与功能相适应的概念。

图1是学生绘制的线粒体及叶绿体的平面结构图，学生在绘制平面图的过程中更加直观的感受到细胞器结构与功能的紧密联系，有助于构建学生的结构与功能观。教师进一步引导学生比较线粒体和叶绿体结构的异同，并结合学生所绘制的平面图，比较探究两种细胞器以何种方式增大细胞器膜的面积及增大膜面积的意义是什么。学生通过比较探究发现两种细胞器增大膜表面积的意义都在于增加与其他物质（如各类酶）的接触面积，提高所进行的生命活动的效率。但两种细胞器增大表面积的方式不同，线粒体利用内膜折叠形成嵴，而叶绿体为了使更多光能参与光合反应，内膜不发生变化而是通过形成基粒以增加膜面积。

图1 “线粒体”和“叶绿体”的结构模式图

（3）制作细胞立体模型，构建细胞系统整体结构

当完成各细胞器的平面结构图后，学生能够掌握细胞内各个相对独立的细胞结构的结构特征对应的功能，但尚未将各结构之间的功能联系起来。教师通过引导学生制作细胞的立体模型，使得学生明确各个细胞结构之间的位置关系及各结构的比例大小，构建出细胞的立体结构。

在学生制造立体模型前，教师可设置一些情景引导学生探讨细胞各结构如何进行分工合作，通过这些情景学生可将各结构的功能联系起来，有助于构建出更符合实际的细胞立体模型。例如，教师可结合蛋白质合成分泌的过程要求学生制作分泌蛋白酶的细胞的立体模型。引导学生思考，合成分泌蛋白质需要哪些细胞结构参与？各结构完成了合成分泌功能的哪一部分？为了使合成分泌更加高效各结构的位置关系该如何调整？学生在老师的引导下，逐步掌握蛋白质合成分泌的过程，首先需要在细胞核的调控下将蛋白质合成模板从核孔中运出，其次附着在内质网上的核糖体利用模板合成多肽链，肽链进一步在内质网中加工，并通过囊泡运输进高尔基体深加工，最终通过囊泡运输出细胞外，在整个过程中还伴随着线粒体供能。学生掌握了蛋白质的合成过程，就能理解内质网与细胞核紧密联系以及线粒体分布在内质网周围的原因。通过这些特定的情境，使得学生能将各部分结构之间相互联系来，以实例说明各部分如何协调一致完成细胞的各项生命活动。在解决情境中的问题之后，学生制作的细胞立体模型更加符合实际，构建出更完善的细胞系统结构模型，如图2。

图2 学生制作的细胞立体模型

3. 总结与反思

在“细胞的基本结构”这一节的教学中，学生需要通过逐步建立各种物理模型，构建细胞及细胞器的结构与功能相统一的核心概念，并沿袭这一核心概念构建出细胞各结构的基本结构特征及特定功能的重要概念，最终构建起关于细胞基本结构的知识框架体系。在教师利用物理模型促进构建概念的过程中突出了一下几点：

（1）以真实情境创设问题，促进细胞模型建构

教师利用了不同实物或生命活动的具体事例作为真实情境，创设出各样问题情境，由易至难，从具体到抽象，从平面到立体的构建细胞的模型。通过问题情境的引导，使得学生完成对观察对象的感性认识的抽象与归纳，初步形成细胞结构的概念模型。学生逐步完成细胞的基本结构、动植物细胞特有结构等概念的建构。

（2）以模型建构为核心线索，贯穿概念建构过程

在这一节的教学中，始终将模型建构作为概念建构的核心线索。学生通过观察各种细胞装片等实物模型，积累对细胞结构的感性认识。在问题情境中将所认识对象感性认识，归纳抽象形成基本的概念模型。以形成的概念模型为骨架，逐渐通过物理模型的建立丰富概念的建构。整个细胞模型建构过程经历了“细胞基本结构的概念模型——“各细胞器的平面结构模型”——“细胞整体的立体模型”三次模型建构。建构过程线索清晰，层层深入，由简至繁，最终得到完善的细胞模型，促进重要概念的建构。

（3）以探究活动为主导方案，引导重要概念建构

在教学过程中，充分把握教师的引导作用，将学生放在主体地位，通过各种探究活动，引导学生自己发现问题、解决问题。发挥学生的主观能动性，积极主动的建立模型，构建概念。通过显微镜观察细胞、阐述细胞特征、绘制细胞结构平面图、制作细胞立体模型等探究活动丰富课堂形式，活跃课堂氛围，让学生在浓厚的学习兴趣中完成细胞的基本结构等重要概念的建构。

尽管在这一节的教学中使用物理模型有助于促进重要概念的建构，但在教学过程中发现，模型的建立需要学生具有丰富充分的感性认识作为基础，否则模型的建立会失去科学性，在一定程度上会影响概念的建构，甚至形成错误概念。因此，教师在指导学生建立模型时需要充分准备，利用丰富的感性认识材料，帮助学生建立科学的生物模型，最终达到建构重要概念的目的。