基于模型构建的变式教学范式
目前，教育部在“双减意见”中明确要求：要充分发挥学校主阵地的作用，坚持应教尽教，着力提升教学质量，竭力提升学生的课堂学习效率。在“双减意见”的指导下，如何发扬创新精神，摆脱题海战术的禁锢，走出应试教育的怪圈，是当下每个教育工作者都应直面的重大课题。在此教育背景的感召下，笔者尝试依托模型构建开展异质性的变式教学，来拓展学生的思维、提高教学的质量，以期彻底解放属于学生锻炼、休息和娱乐的时间。那么，什么是模型构建的变式教学呢？变式教学是一种利用变异维度帮助学生实现认知的教学手段。而模型构建作为生物学科核心素养中“科学思维”的重要方式，能简化、抽象或是有形地表达世界中某些关系或过程。借助模型构建实施生物学变式教学，旨在能于教学中用不同形式的模型（如物理模型、数学模型等）多元化地表征非本质属性的层次、多角度地审辨本质属性的外延。目的就是以模型为工具，物态化、显性化地构建新旧知识的关联，并以一种有意义的探究方式培养学生获得解决问题的能力。本文以新课标中的“教学建议”为纲，从形式、内容、方法三个维度探究基于生物学模型构建的变式教学模式。
（一）形式变式：从表象之变析理念革新
当前的这场教育改革要求教师在教学方式上要作重大改变，要将学生培养成能够基于生物学事实和证据，科学合理地运用归纳与概括、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法，来解决生物学问题的人。为此，教学过程中，采用多维化的表达形式，有助于培养学生在扩展性研究中获取学科核心素养的能力。而形式变式作为一种多维化的表征形式，特指由同一原型出发，抽象出不同层级的多元表征，彰显事物本质特征表现的多样性。在形式变式教学中，以同一知识为载体，构建不同形式的模型，形成可逆联想，引导学生主动探索、概括规律，能培养学生对生物学的兴趣和创造性思想等。
例如，在种群数量的“J”形增长变式教学中，第一步，构建物理模型，即课前制作好代表细菌的圆形磁性卡片，模拟在实验室（资源充足，没有敌害）条件下，细菌每20 min增殖一次的生活情境，请学生到黑板上构建如图2-4-24的物理模型。
图2-4-24 构建细菌分裂物理模型
第二步，构建“J”形增长的数学模型，即以细菌数目为纵坐标，分裂时间为横坐标，构建如图2-4-25a所示的数学模型。第三步，“J”形模型变式一，即以细菌的增长率为纵坐标，分裂时间为横坐标，构建如图2-4-25b所示的数学模型。第四步，“J”形模型变式二，即以细菌的增长速率为纵坐标，分裂时间为横坐标，构建如图2-4-25c所示的数学模型。
图2-4-25 种群增长的“J”形数学模型构建及其变式
同理，在种群数量的“S”形增长教学中，以教材提供的“S”形曲线模型为基础，如图2-4-26a所示。进行第一次变式，即以增长率为纵坐标，时间为横坐标，完成“S”形曲线模型的变式，如图2-4-26b所示。进行第二次变式，即以增长速率为纵坐标，时间为横坐标，完成“S”形曲线模型的变式，如图2-4-26c所示。
图2-4-26 种群增长的“S”形数学模型构建及其变式
模型表达的目的并不是一成不变的，即使是同一个表征对象，基于不同的目的也可以表征出不同的模型。这种借助模型对知识的本质属性进行多维度变换的形式，是一种引诱有效学习的方式方法。这种方式方法对知识本质的纵横深入，能聚焦学生的“统整”思维，有利于激发学生对知识本质的深层思考与反思。在生物学教学中应用形式变式教学，一方面能丰富学生多元化表征知识的能力，培养其养成多角度思考的习惯；另一方面将模型与变式有机整合，形成多样化的内容呈现形式，也有助于增加多元解决问题的灵活性。
（二）内容变式：从演进之变达深度剖析
模型不仅可以描述那些抽象的结构、运动的行为、变换的事件，还可以解释原理、预测趋势，甚至表达个人观点、参考依据及原因陈述等。2020年修订版的新课程标准要求对课程内容进行有机组织、巧妙呈现，可尝试结合模型、图文资料等各种资源或途径，引导学生积极思维，主动探究，培养他们从不同的角度和高度认识生命世界，养成综合、开放、创造性思维的习惯。为此，教学过程中，运用模型构建，沿着人类认知事物的规律，可视化地、循序渐进地展现内容梯度，将学习内容由浅层引入深层、由表象伸入本质，沿着事物演进的历程，引领学生获得深度学习的高峰体验。
例如，在“神经冲动的产生和传导”的教学中，第一步，观察神经元的结构模型，如图2-4-27a所示，引导学生回答组成神经元各结构的名称。第二步，以神经纤维上的一小段为学习对象，引导学生构建如图2-4-27b所示的神经纤维结构模型，并注明离子的种类及分布状况（注：A-代表不能透过膜的有机阴离子，如一些氨基酸等）。第三步，以神经纤维的一段膜为学习对象，引导学生构建如图2-4-27c所示的神经纤维膜的流动镶嵌模型，并注明神经冲动时，K＋、Na＋的跨膜运输方式。
图2-4-27 神经元结构及相关成分的模型构建
第四步，在以上内容的铺垫下，通过构建“一个神经冲动产生过程”的物理模型，如图2-4-28所示，动态化地说明：在静息状态时，钠钾通道等关闭，此时膜电位为外正内负；在去极化时期，钠离子通道打开，导致膜电位为外负内正；在反极化时期，钠离子通道逐渐关闭，钾离子通道逐渐打开，此时膜电位为外正内负；在复极化时期，钠钾通道关闭，钠钾泵打开，使膜两侧恢复至静息状态时的膜外高钠、膜内高钾的初始状态。这种直观地借助模型的演进过程，有条理、按次序地分析、归纳神经冲动实质的变式教学，能帮助学生达到深度学习的效果。
图2-4-28 “一个神经冲动产生过程”的物理模型
模型是一种简化的、只有概括性的“物件”，并非对表征对象一比一地还原。基于不同的表征目的，对对象的表征描述的重点并不相同。在表征内容的目的时，不需要完全还原表征对象，否则会使模型复杂化。这种借助模型对学习内容进行梯度式展现的方式，是一种支架式的高效学习方法。这种方法从内容的呈现角度审视，能深入浅出、自下而上地诠释各个知识点，并逐步联系和完善内容的整体性理解，最终帮助学生构建一个完整的知识体系。在生物学教学中应用内容变式教学，一方面能帮助学生形成深刻的理解和长久的记忆；另一方面也能让学生在模型构建和体验的实践过程中，学会知识和技能的实际运用，达到学以致用的目标。
（三）方法变式：从路径之变看目标转向
目前，生物学教材中很多实验由于方法和步骤单一，显得实验过程枯燥无趣。碰到此种情况，建议教师应当转换观念，从方法上开拓创新，提高教学效率。方法变式特指通过同类事物的非本质特征的变换，换个角度或方式透析事物的属性、突出事物的本质特征，让学生在方法变式中转换思维，依据事物发展的规律，获得解决问题的路径。在高中生物学教学中，借助模型来表征方式的多样性，一方面可以透过模型的辅助设计，促进学生推理技能的养成；另一方面也可以透过对模型的分析，获取掌握科学探究的方法、学会如何思考。
比如，注射器一般由推杆、空筒及注射针组成，其显著特点有：第一，从空筒上的刻度，可以推知反应物或生成物的体积数；第二，利用推杆与空筒的紧密连接，可以为化学反应创造一个封闭的环境。在高中生物实验中，发挥学生再造性想象和积极性思维，科学、合理地利用注射器构建系列变式模型，辅助其领会基本原理和概念，获取解决各种实际问题的能力。在“用过氧化氢酶探究pH对酶活性的影响”“比较过氧化氢在不同条件下的分解”等实验中，都要涉及剧烈的化学反应、生成气体的快速释放，利用注射器模型实施变式教学，就可以解决因剧烈反应而导致的生成物随意飞溅的风险以及生成物难以收集的难题，如图2-4-29a所示。在“色素的提取和分离”的实验中，利用注射器模型实施变式教学，就能够解决由挥发性物质石油醚、丙酮、苯混合而成的层析液，在实验过程容易造成污染环境的问题，如图2-4-29b所示。在“制作泡菜并检测亚硝酸盐含量”“酵母细胞的固定化”等实验中，利用注射器模型实施变式教学，就可以利用空筒上的刻度来控制活塞推动的节奏，完成滴定实验，如图2-4-29c所示。
图2-4-29 利用注射器实施多种实验的模型构建
模型是在某些情况下的另一种形式的表征，从方法论的角度思辨，其以简化和理想化的形式去再现原型的各种复杂结构、功能和联系。这种借助某一模型对多重关联性知识串联的形式，呈现的是一种思维解放后的升华。其实，教材中的实验方法、实验步骤仅是一个常规的操作程序，它一定不是唯一的，也不一定是最好的。教师在教学中，应允许学生“异想天开”，允许学生犯“错误”，允许学生对学习路径进行变式。所谓学生的“错误”说不定就是一种可贵的再造资源，一种思维迁移的升华。基于模型构建的变式教学，能帮助学生依据具体的操作、反应，融入科学化的想象，对学习形式进行变式和创造，最终实现迁移能力的形成。
（本节部分发表于《课程教学研究》2022年第2期）