基于模型构建的探究式教学范式
探究是科学家发现问题和解决问题的过程，也可以表示用以发展知识与了解科学概念，以及知悉科学家如何研究自然世界的学习者的学习活动。不断发现问题是打开智慧的第一把钥匙，因为脑中有怀疑，人们才会被好奇心驱使着展开探究；因为心中有探究，人们才会在追寻中获取真实的缘由。以探究为特点的教学不仅会直接影响核心素养中“科学思维”“科学探究”的落实，也会间接影响另外两个核心素养（生命观念、社会责任）的达成。这种有目的、有步骤的教学活动主要包括对事物的观察、描述、提出问题、查找信息、提出假设、验证假设、思维判断、作出解释。
探究与模型构建历程是科学的基本面向。真实的探究扮演整合科学知识的角色，而模型构建历程则是透过模型形成科学推理的基本工具。将模型为主的学习与教学整合到科学探究历程中，除了符合原本真实性的探究精神外，更让教师注重科学模型、科学理论以及现实世界之间的关联性。本文以科学探究历程为主轴，以线性的方式架构“六环节”的探究范式，如图2-4-1所示，来展开对“细胞大小与物质运输关系”的探究式实验教学。
图2-4-1 模型构建的探究式教学模式
（一）对照科学规律，提出问题与假设
问题与假设特指透过对显性化日常现象的观察，连结学生的先前知识，启动学生学习的动点，进而对学习内容产生质疑。教师引导其聚焦于问题的本质，辅助其提出具备因果条件的科学性假说。遵循科学规律，联系学生已学习的相关知识，引导学生基于已习得的知识去审视原实验的相关内容（比如实验目标与步骤、实验材料与试剂、实验技术与现象等），帮助其在原始陈述与自我思考中形成新的认知冲突，进而辨析性地归纳与概括，提出待解决的问题。
“人教版普通高中新教材必修一”对“细胞为什么不能无限长大”实验的解释模型是下面这样陈述的。
第一，现有3个大小不同的细胞模型，如图2-4-2所示，计算每个“细胞”的表面积与体积的比值。
图2-4-2 运用解释模型解析“表面积与体积的关系”
第二，物质在细胞中的扩散速率是一定的，假定某种物质如葡萄糖通过“细胞膜”后，向内扩散的深度为0.5 mm。计算这3个“细胞”中物质扩散的体积与整个“细胞”体积的比值。
在“细胞为什么不能无限长大”实验的模型解释过程中，学生用已掌握的细胞学知识在审视该实验的过程中，提出了两个问题。
思辨性过程一：科学原则性是指实验原理要遵循实验的科学设计、符合科学发展的客观规律；科学可行性是指实验开展要从材料的选取、条件的控制、仪器的甄别、操作方法的合理性等方面去思量实验的合理性。在实验开展应遵循科学原则性和科学可行性的基础上，提出第一个问题：为什么不直接用细胞来设计实验？
思辨性过程二：新课标在“教材编写建议”中强调，教材内容的选择应符合学生的知识基础、心理特点和认知规律。笔者以此为依据，进行了广泛的调查，其结果显示，99%的学生普遍认为，尽管生物界细胞的形态多种多样，但在他们的感官认知中，“球状或椭球状的细胞才是最常见的”，这一认知有高度的一致性。在上述陈述的基础上，提出第二个问题：用立方体模拟细胞，符合学习者的生活和学习认知吗？
基于上述思辨性过程中提出的问题，师生一起探讨，对重构“细胞大小与物质运输关系”实验作出假设。未受精的鸡卵，其蛋黄实际上就是一个卵细胞，故可提出假设：鸡卵的表面积与体积的关系，限制了鸡卵不能无限长大。
（二）源于科学假设，完成研究与分析
研究与分析特指依据假设中的因果关系尝试设计实验，寻找或制造实验工具，获取实验现象、采集实验数据，进而分析其可能形成的因果关系。基于论据的逻辑性创造，是有意识地琢磨、反思性地审思自身的思维过程，是旨在更好地适应目标与情境的指向性思考。在生物学实验教学中，引导学生依据研究与分析提出科学性、可行性的解决方案，这一方面驱动了学生的认知思维向高阶化、深入化方向发展，另一方面也培育了学生实事求是、敢于创新的科学品格。
对于细胞为什么不能无限长大的原因，其研究与分析过程总结如下。
第一步，到当地农贸市场采购一些鸡卵，如图2-4-3所示。常见的卵细胞近似球体，故可以将卵细胞假设为一个标准的“球体”。
图2-4-3 采集的不同规格的鸡卵
第二步，用酒精灯或其他加热器材将鸡卵煮熟，待其硬化后，分别测量出各个鸡卵的直径，填入表2-4-1。通过数学公式（S＝πd2，V＝πd3/6）分别计算出“球体”的表面积、体积以及表面积与体积的比。
表2-4-1 细胞表面积与体积关系实验数据填入表
第三步，通过表面积与体积比值的比较，得出实验结论。
（三）依据实验设计，阐述模型与评价
模型与评价特指使用数据中呈现的规则性结果整合形成模型，再使用形成的解释模型去做预测。实验教学过程中，教师透过评价方式协助学生评估整个探究历程以及提出的模型解释，以作为往下一个阶段或是回到先前阶段修正的依据。运用事实和科学论证以确定和改变某种认知的方式，可以借助不同学科知识、方法或不同科学技术等，逐步将所需论证的内容合理化、科学化呈现。在生物学实验教学中，当学习者使用旧知识去整合新的信息，并且延伸到其他知识，进而重构成新的知识时，教师要带领学生运用科学的证据加以论证，掌握科学探究的基本思路和方法，提高实践能力。
对于“细胞为什么不能无限长大原因”的模型创设：细胞在生命活动时与外界环境进行物质交换，如吸收养分和排出废物，都是通过细胞膜来完成的。随着细胞的长大，细胞体积增大，内含物增多，其表面积与体积的关系可以通过模型创设，显性化的表达如图2-4-4所示。
图2-4-4 “细胞为什么不能无限长大原因”的解释模型创设
通过计算可知：
（1）当d＝2 mm时，表面积与体积之比为3∶1；
（2）当d＝4 mm时，表面积与体积之比为3∶2；
（3）当d＝8 mm时，表面积与体积之比为3∶4。
显然，随着细胞不断长大，其单位体积细胞内含物所分摊的表面积缩小了许多。结果显示其表面积不足以供应物质的进出，成为细胞代谢的限制因素。
依据以上推理，得出结论：细胞的表面积与体积的关系，是限制细胞无限制长大的一种原因。建模探究的主要目标在于能够从数据中寻找模式，评估所得数据与模型的有效性与合理性，以及通过与他人沟通分享不断地构建与修正模型，以达到对科学知识的真正理解。用卵细胞开展“细胞大小与物质运输关系”的实验，优点是卵黄这个真实的细胞，其大而规整的细胞外形方便学生在近距离观察测量、收集数据的同时，还可以借助卵细胞结构构建球体模型，利用跨学科知识（例如本案例中的数学知识）实现生物学知识的显性化和可视化。
总之，探究式教学蕴含的是一种批判、怀疑的态度，这种态度可以帮助学生对所学的知识进行深入挖掘和思考，真正实现知识的升华和应用。探究式思维包含的是对信息的整合，这种整合可以帮助学生加强学科间的联系，有利于其学习科学的方法，理解科学的本质，建立科学的生命观。在用探究式思维去实施教学的过程中，教师应从学生的知识基础、心理特点和认知规律出发，针对高中生的思维特点、兴趣指向和接受能力寻找解决途径。在教学的主导环节，教师要敢于把课堂教学与模型构建活动有机结合起来，注重学生的个性与兴趣，发展其特长，开发学生智力和培养他们的能力。
（该节部分发表于《教育与装备研究》2021年第10期）