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摘要根据“生态系统的能量流动”中的教学片段，提出高中生物学教学使用建模教学法的一般流程和方法，重点介绍了“过程一概念模型”的建构方法和注意点。
关键词建模教学 科学思维
1建模理念对构建生物学大概念的重要作用
在教学中帮助学生达成三维目标凝练而成的生物学学科核心素养，是如今摆在每个高中生物学教师面前的重大课题。在课程内容的变迁后，生物学大概念如何构建？这是高中生物学教学需要解决的首要问题。核心素养培育应该落实到教学方法上，教学方法反映了师生之间最直接、最精准的对话和交流，例如，探究式、论证式的教学方法有利于科学探究能力的达成，而演绎式、建模式的教学方法则有助于科学思维的培养。这些教学方式对于贯穿生物学教学始终的生命观念的形成，具有重要的意义。
建模教学对科学概念的结构化和运用科学概念解决问题具有重要作用，而对科学概念深入理解和应用是最终达成大概念构建的前提，也是科学思维发展的基础。刘恩山等基于模型功能的视角将模型分为类比模型、数学模型、概念一过程模型等八类，强调每类模型的功能和适用范围各不相同，但都可以应用于理科教学之中。
2建模教学一般过程及教学案例分析
笔者对人教版高中生物教科书《必修3·稳态与环境》中第五章第二节的第一课时内容进行了建模教学的尝试，主要涉及“生态系统中能量流动的过程”的教学内容。对此教学片段进行剖析，以期找到在高中开展建模教学的一般流程及方法。
2.1前端分析
建模教学前端分析包括对学情的分析和对课程中适合进行建模教学的内容进行分析，以确定教学的目标和重难点。大多数生物学课程教学内容都可以通过建模来构建概念，但是并非都需要通过课堂教学的方式进行。本节课中的“能量流动”概念模型是高中教学中非常重要的模型，需要学生深刻理解其概念的内涵，并以此概念模型来解决生态学、行为学等问题，从而落实“能量与物质观”这一生命观念。
在学情方面，高二年级的学生在初中生物学的学习中已经对生态系统的能量流动有了一定了解，对物质循环和能量流动的大致过程有认知的基础。但是由于初中教学内容较为浅显，绝大多数的学生只能记住专业术语，例如能记住“单向流动、逐级递减”，但对其概念的内涵不能够准确地描述，更有不少学生已经不能用自己的学习储备来解释“传递效率”这个名词。此外，高二年级的学生对于建模教学的认知比较模糊，除了数学模型外，对其他模型不能科学区分，所以在教学中，教师需要注意两条教学主线——课程内容和建模训练。
因此，在建模教学的前端分析中，针对本校学生的认知水平，将“生态系统能量流动的过程和特点”作为知识目标之一，“构建生态系统能量流动过程一概念模型”作为能力目标之一，并明确建模的过程为本节教学活动的重点和难点。
2.2模型建构
根据前端分析确定的本节课模型建构主要涉及“过程一概念模型”和“数学模型”，其中“过程一概念模型”的教学过程几乎贯穿于本节课教学全程，因此笔者依据赵萍萍等提出的建模教学一般步骤，设置了本节课的教学流程（图1）。
基于对高二学生的学情分析，笔者特别设置了建模训练环节，要求学生完善并简化一个简单模型。通过对学生家庭饲养的黄牛的某一生命活动过程进行分析，提出任务1（教师协助建模）：根据教师提供的一个不完整的简单概念模型（图2），补充完善相应的内容。
补充完善后的模型仅是生物学事实，事实需要进一步抽象形成概念。此时，教师应要求学生对简单的概念模型进行简化，即学生要学会概括和归纳，以此发展他们的科学思维。学生经过讨论，最终确定了修正后的概念模型（图3）。
通过这样的建模尝试，学生能够领悟建模教学的魅力和意义，修正后的概念模型可以用来解释生物界的绝大多数能量转化过程，激发了学生学习的兴趣，也让他们对看似陌生的建模教学有了比较直观的认知，降低了学习心理负荷，并为后续的自主建模过程奠定基础。
完成教师协助建模任务之后，教师布置任务2（学生自主建模）：生态系统能量流动的过程一概念模型构建。因为涉及学生的自主构建模型，所以教师设计了问题串：能量是如何输入食物链的？又是如何在食物链中传递、转化的？为了辅助学生的构建作业，教师给出生产者、初级消费者、次级消费者等主要模型要素，请学生以此完成能量流动过程的构建并分析。学生很容易就根据之前建模的训练，将生产者等模型要素进行关联，并得出“太阳光一生产者一初级消费者一次级消费者”最基本的能量流动模型，并明确各要素所代表的生物类群。
首先，教师引导学生利用“能量流动的概念模型”来构建能量流经第一营养级的模型，阐述生产者能量的来源和去向，分析分解者的作用，进一步完善基本模型，让基本模型的细节逐步地显现（图4）。
其次，引导学生分析能量流经第二营养级与第一营养级的不同，请学生自主构建能量流经第二营养级的模型，阐述初级消费者的能量摄入及转化方向，区别“摄入量”和“同化量”两个概念。学生完成初级消费者向次级消费者的能量转化概念图，将基本模型的细节再进一步完善（图5）。这样一个内涵丰富的过程一概念模型就基本完成。
经过丰富和完善后的“能量流动的过程一概念模型”基本上已经将本节课的重点内容呈现。但是复杂的模型与教材中所呈现的示意图存在一定的差异，此时，教师要引导学生比照和剖析，评价模型是否能够真正地表征“生态系统能量流动的过程”，让学生深入理解概念建构的过程既是科学研究不断深化的过程，也是科學思维不断发展的过程。
2.3概念达成
经过两次的模型建构过程，学生不但理解了模型对于教学的作用，也更加深入地理解了“能量流动过程”这一重要概念，从模型的评价中不断的分析，构建出三级消费者之后的过程一概念模型，发现消费者模型的共性特征。通过上述的评价，学生概括总结出“能量流动过程”的内涵：输入每一营养级的能量，一部分在生产者（消费者）的呼吸作用中以热能散失，一部分用于自身的生命活动或储存起来，另一部分被下一营养级的生物摄入，或者以遗物、遗体等被分解者分解。
概念内涵的达成有助于学生接下来学习“能量流动的特点”的相关内容，可以有效地利用已经建构的过程一概念模型分析赛达伯格湖的能量流动效率。建模教学对培养学生的科学思维至关重要，对于科学概念的结构化和应用也大有裨益。
3建模理念融入常规教学的实践反思
通过本节课的教学尝试与课后访谈，笔者发现，建模在高中生物学教学中有着广阔的实践空间，高中学生的认知水平已经可以构建一个相对复杂的模型，不仅是本节课列举的过程一概念模型，甚至是系统模型也能够完成。但是在教学中应该注意以下两个关键点。
（1）建模教学前端分析非常重要，但往往容易被教师忽视。不少教师为了建模而建模，对建模的对象与模型表征的内容并不清楚，笼统地将包括细胞亚显微模型在内的诸多模型归类为物理模型，却区别不出物理模型、实物模型和尺度模型等等概念，无法根据模型的特点和学生的认知水平进行教学。并非每个教学内容都适合建模，也并非每个教学内容都需要建模，只有对教学内容进行科学的分析，在了解了概念和模型、实例和表征物之间的关系，才能提高教学剖析的针对性和逻辑的可靠性。简而言之，本节课中赛达伯格湖生产者、植食性动物和肉食性动物所占的表格逐渐变小就是准确表征的体现。
（2）关注教学过程中模型建构的支架提供。为了降低学生在构建模型中的难度，教师可以通过问题串提供思路或直接提供要素等方式帮助学生完成学习任务，特别是在学生自主建构模型的时候，将隐性的一些关键内容显性化，就算是不经意的问题提醒也有助于学生科学思维的发展。因为显性化的内容往往是逻辑思维发生的连接点。依据“最近发展区”理论，学生可以通过必要的帮助，达成思维的发展。
关键词建模教学 科学思维
1建模理念对构建生物学大概念的重要作用
在教学中帮助学生达成三维目标凝练而成的生物学学科核心素养，是如今摆在每个高中生物学教师面前的重大课题。在课程内容的变迁后，生物学大概念如何构建？这是高中生物学教学需要解决的首要问题。核心素养培育应该落实到教学方法上，教学方法反映了师生之间最直接、最精准的对话和交流，例如，探究式、论证式的教学方法有利于科学探究能力的达成，而演绎式、建模式的教学方法则有助于科学思维的培养。这些教学方式对于贯穿生物学教学始终的生命观念的形成，具有重要的意义。
建模教学对科学概念的结构化和运用科学概念解决问题具有重要作用，而对科学概念深入理解和应用是最终达成大概念构建的前提，也是科学思维发展的基础。刘恩山等基于模型功能的视角将模型分为类比模型、数学模型、概念一过程模型等八类，强调每类模型的功能和适用范围各不相同，但都可以应用于理科教学之中。
2建模教学一般过程及教学案例分析
笔者对人教版高中生物教科书《必修3·稳态与环境》中第五章第二节的第一课时内容进行了建模教学的尝试，主要涉及“生态系统中能量流动的过程”的教学内容。对此教学片段进行剖析，以期找到在高中开展建模教学的一般流程及方法。
2.1前端分析
建模教学前端分析包括对学情的分析和对课程中适合进行建模教学的内容进行分析，以确定教学的目标和重难点。大多数生物学课程教学内容都可以通过建模来构建概念，但是并非都需要通过课堂教学的方式进行。本节课中的“能量流动”概念模型是高中教学中非常重要的模型，需要学生深刻理解其概念的内涵，并以此概念模型来解决生态学、行为学等问题，从而落实“能量与物质观”这一生命观念。
在学情方面，高二年级的学生在初中生物学的学习中已经对生态系统的能量流动有了一定了解，对物质循环和能量流动的大致过程有认知的基础。但是由于初中教学内容较为浅显，绝大多数的学生只能记住专业术语，例如能记住“单向流动、逐级递减”，但对其概念的内涵不能够准确地描述，更有不少学生已经不能用自己的学习储备来解释“传递效率”这个名词。此外，高二年级的学生对于建模教学的认知比较模糊，除了数学模型外，对其他模型不能科学区分，所以在教学中，教师需要注意两条教学主线——课程内容和建模训练。
因此，在建模教学的前端分析中，针对本校学生的认知水平，将“生态系统能量流动的过程和特点”作为知识目标之一，“构建生态系统能量流动过程一概念模型”作为能力目标之一，并明确建模的过程为本节教学活动的重点和难点。
2.2模型建构
根据前端分析确定的本节课模型建构主要涉及“过程一概念模型”和“数学模型”，其中“过程一概念模型”的教学过程几乎贯穿于本节课教学全程，因此笔者依据赵萍萍等提出的建模教学一般步骤，设置了本节课的教学流程（图1）。
基于对高二学生的学情分析，笔者特别设置了建模训练环节，要求学生完善并简化一个简单模型。通过对学生家庭饲养的黄牛的某一生命活动过程进行分析，提出任务1（教师协助建模）：根据教师提供的一个不完整的简单概念模型（图2），补充完善相应的内容。
补充完善后的模型仅是生物学事实，事实需要进一步抽象形成概念。此时，教师应要求学生对简单的概念模型进行简化，即学生要学会概括和归纳，以此发展他们的科学思维。学生经过讨论，最终确定了修正后的概念模型（图3）。
通过这样的建模尝试，学生能够领悟建模教学的魅力和意义，修正后的概念模型可以用来解释生物界的绝大多数能量转化过程，激发了学生学习的兴趣，也让他们对看似陌生的建模教学有了比较直观的认知，降低了学习心理负荷，并为后续的自主建模过程奠定基础。
完成教师协助建模任务之后，教师布置任务2（学生自主建模）：生态系统能量流动的过程一概念模型构建。因为涉及学生的自主构建模型，所以教师设计了问题串：能量是如何输入食物链的？又是如何在食物链中传递、转化的？为了辅助学生的构建作业，教师给出生产者、初级消费者、次级消费者等主要模型要素，请学生以此完成能量流动过程的构建并分析。学生很容易就根据之前建模的训练，将生产者等模型要素进行关联，并得出“太阳光一生产者一初级消费者一次级消费者”最基本的能量流动模型，并明确各要素所代表的生物类群。
首先，教师引导学生利用“能量流动的概念模型”来构建能量流经第一营养级的模型，阐述生产者能量的来源和去向，分析分解者的作用，进一步完善基本模型，让基本模型的细节逐步地显现（图4）。
其次，引导学生分析能量流经第二营养级与第一营养级的不同，请学生自主构建能量流经第二营养级的模型，阐述初级消费者的能量摄入及转化方向，区别“摄入量”和“同化量”两个概念。学生完成初级消费者向次级消费者的能量转化概念图，将基本模型的细节再进一步完善（图5）。这样一个内涵丰富的过程一概念模型就基本完成。
经过丰富和完善后的“能量流动的过程一概念模型”基本上已经将本节课的重点内容呈现。但是复杂的模型与教材中所呈现的示意图存在一定的差异，此时，教师要引导学生比照和剖析，评价模型是否能够真正地表征“生态系统能量流动的过程”，让学生深入理解概念建构的过程既是科学研究不断深化的过程，也是科學思维不断发展的过程。
2.3概念达成
经过两次的模型建构过程，学生不但理解了模型对于教学的作用，也更加深入地理解了“能量流动过程”这一重要概念，从模型的评价中不断的分析，构建出三级消费者之后的过程一概念模型，发现消费者模型的共性特征。通过上述的评价，学生概括总结出“能量流动过程”的内涵：输入每一营养级的能量，一部分在生产者（消费者）的呼吸作用中以热能散失，一部分用于自身的生命活动或储存起来，另一部分被下一营养级的生物摄入，或者以遗物、遗体等被分解者分解。
概念内涵的达成有助于学生接下来学习“能量流动的特点”的相关内容，可以有效地利用已经建构的过程一概念模型分析赛达伯格湖的能量流动效率。建模教学对培养学生的科学思维至关重要，对于科学概念的结构化和应用也大有裨益。
3建模理念融入常规教学的实践反思
通过本节课的教学尝试与课后访谈，笔者发现，建模在高中生物学教学中有着广阔的实践空间，高中学生的认知水平已经可以构建一个相对复杂的模型，不仅是本节课列举的过程一概念模型，甚至是系统模型也能够完成。但是在教学中应该注意以下两个关键点。
（1）建模教学前端分析非常重要，但往往容易被教师忽视。不少教师为了建模而建模，对建模的对象与模型表征的内容并不清楚，笼统地将包括细胞亚显微模型在内的诸多模型归类为物理模型，却区别不出物理模型、实物模型和尺度模型等等概念，无法根据模型的特点和学生的认知水平进行教学。并非每个教学内容都适合建模，也并非每个教学内容都需要建模，只有对教学内容进行科学的分析，在了解了概念和模型、实例和表征物之间的关系，才能提高教学剖析的针对性和逻辑的可靠性。简而言之，本节课中赛达伯格湖生产者、植食性动物和肉食性动物所占的表格逐渐变小就是准确表征的体现。
（2）关注教学过程中模型建构的支架提供。为了降低学生在构建模型中的难度，教师可以通过问题串提供思路或直接提供要素等方式帮助学生完成学习任务，特别是在学生自主建构模型的时候，将隐性的一些关键内容显性化，就算是不经意的问题提醒也有助于学生科学思维的发展。因为显性化的内容往往是逻辑思维发生的连接点。依据“最近发展区”理论，学生可以通过必要的帮助，达成思维的发展。