人教版初中生物学教材中的模型和建模思维 

 

王颖（人民教育出版社）

摘要：初中生物学中的模型主要用于表征生物体的结构层次、生命现象和生命活动规律等，包括实物、概念、定律、观点等；可分为概念模型、物理(实体)模型和数学模型。建模思维是建模过程中运用的科学思维，包括多种基础的思维方法。人教版初中生物学新教材系统设计了建模相关内容。在教学中，建议教师通过开展建模活动达成概念教学目标，在建模活动中注重培养学生的建模思维，并重视发展学生运用模型的能力。

我国 2022 年颁布的义务教育物理、化学、生物学和科学课程标准中，在科学思维的表述中均提到建构模型或建模; 生物学课程标准设计了模型制作类的跨学科实践活动，“生物与环境”学习主题的教学策略建议还提出“发展学生的建模思维”。那么，什么是模型? 什么是建模思维? 教科书怎样落实? 教学中如何引导学生建模? 本文结合 2024 年出版的人教版《义务教育教科书生物学》进行梳理和总结，并提出教学建议。

1 从生物学课程内容看模型的内涵和分类

关于模型，目前没有统一的定义，模型分类方法也有多种。通过梳理科学教育中模型的相关研究，有学者提出模型是事物的表征，这些事物除了具体的实物之外，还包括观点、概念、事件、过程和系统等; 模型可分为尺度模型、类比模型、图像和符号模型、数学模型、不表示数学关系的图表和表格、理论模型、概念—过程模型、系统模型等八类。从功能视角看，模型是连接理论与现象的桥梁; 模型可以用来对现象进行描述、解释和预测，或者用来进行客观观点的交流； 科学研究中用到的模型包括数学模型、计算机模型、物理 ( 实体) 模型、视觉或图画模型、类比模型。从形态上，科学模型可以分为实物模型和观念模型两种。美国《新一代科学教育标准》提出了“系统和系统模型”的跨学科概念，并将“开发和使用模型”作为八个科学工程实践之一。例如，高中生命科学“系统与系统模型”的预期表现包括“模型( 如实物模型、数学模型、计算机模型) 可以被用来模拟不同尺度上的系统，系统内部与系统之间的相互作用———包括能量、物质和信息流”。

以上是从科学教育视角提出的代表性观点。然而科学包含多个分支学科，不同学科课程内容中的模型并不等同。例如，物理学科提出的物理模型，就不同于上文中的“物理( 实体) 模型”。因此，要准确把握学科内的模型内涵，就要基于学科内容来分析。基于高中生物学教材，有学者指出模型的方法是以研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法，是以简化和直观的形式来显示复杂事物或过程的手段; 高中生物学教材中的模型为物理模型、数学模型和概念模型。

有学者指出，模型是人们按照特定的科学研究目的，在一定的假设条件下，再现原型客体某种本质特征( 如结构特性、功能、关系、过程等) 的物质形式或思维形式的类似物。高中生物学中的模型可归为物理模型、数学模型和概念模型三类。

综上，考虑到初中生物学课程内容涵盖生物体的结构层次、生物多样性、生物与环境、植物的生活、人体的生理与健康、遗传与进化等方面的基础知识，初中生物学中的“模型”主要用于表征生物体的结构层次、生命现象和生命活动规律等，既包括具体实物，也有概念、定律、观点等; 可分为概念模型、物理( 实体) 模型和数学模型。光合作用、呼吸作用、人体各个系统、生态系统结构、自然选择学说等概念的表征形式就是概念模型。物理( 实体) 模型包括制作的细胞结构模型、人体器官或系统的结构模型，以及绘制的生态系统结构图等。数学模型较少，主要是孟德尔一对相对性状杂交实验结果的遗传图解，其中有子二代的数量比。模型表征形式多样，包括文字、符号、实物、图像、动作等。

2 从核心素养视角分析建模思维的内涵

模型是描述自然世界的工具，建构模型( 简称建模) 则是认识自然世界的一种方法。所谓建模，是建构、检验、修改和应用模型的动态过程。自海斯特斯在科学教育中提出建模以来，将建模作为一种教学理论的发展经历了从物理学科提出到推广至所有科学学科，从强调发展学生的建模能力到强调发展科学思维、核心素养的过程。

2．1 建模能力的内涵 建模能力是针对自然现象抽象出其主要特征，依据科学直觉建构其关系、结构等概念模型，并用科学语言进行表征的能力。有学者在对化学建模教学的研究中，指出建模能力包含建模实践、元建模知识和建模元认知三部分。也有学者将物理建模能力界定为个体具备一定的物理建模意识，并能从实际问题中抽取核心要素及要素间的关系，进而构建物理模型来解释和预测现象的个性心理品质。虽然建模能力内涵多样，但均表明建模能力包括内隐的心智活动能力和外显的科学探究能力; 内隐能力表现为主体基于原有认知，通过观察、分析形成心智模型并修正; 外显能力表现为通过图表、实物、计算机仿真、数学语言等进行表征，并验证心智模型。建模能力不仅是认知工具开发的思维活动，也是具体的操作过程。以上表述虽不同，但基本认可建模能力是一个非智力因素和智力因素相统一的智能系统。

2．2 建模思维的内涵 在以发展核心素养为导向的课程改革背景下，科学思维培养十分重要。如果将建模过程中的思维模式称为建模思维，那么有必要探讨建模思维的内涵。

首先，思维是人类特有的一种精神活动，据此可以判断建模思维属于建模能力的内隐心智活动能力。其次，建模思维不是单一的思维。《义务教育科学课程标准( 2022 年版) 》指出，模型建构体现在以经验事实为基础，对客观事物进行抽象和概括，进而建构模型; 运用模型分析、解释现象和数据，描述系统的结构、关系及变化过程。何克抗指出基于建模的思维有三个特征: 一是关注定性思维与定量思维; 二是重视计算思维; 三是强调系统思维。徐宏余等指出建模思维是归纳演绎、抽象表征与推理论证等基础性思维方法的凝集升华，亦包含系统性思维、批判性思维与创造性思维。上述说法不尽相同，但可以看出建模思维包含多种思维方法。

从建构模型的过程来分析，建模时会运用多种逻辑思维。例如，要建立生态系统结构模型，需要分析不同生态系统的组分，再通过比较、归纳得到共同点，经过抽象和形象思维画出结构模型，这个过程涉及分析、比较、归纳、抽象等。如果说逻辑思维属于基础思维方法，那么建模思维就是包括了多种逻辑思维的高阶思维，是科学思维这一核心素养的组成部分。

建模思维并非固定不变。模型不同，建模用到的具体思维方法可能不同。例如，制作人体器官模型，要运用比较、分析、归纳、抽象等逻辑思维，以及形象思维; 建立种群增长模型，要运用分析、归纳、抽象等。从上述两例来看，建模过程中的思维模式并不一致，但核心是归纳和抽象，归纳发现事物相同点，抽象明确其本质特征。在建模过程中，建模思维发挥至关重要的作用。

3 人教版初中生物学新教材中有关模型的内容分析

课程标准规定了建构模型的相关内容，新教材基于课程标准系统设计了相关内容。

3．1 课程标准关于建构模型的相关要求 生物学课程标准中规定了较多的建构模型内容，主要体现在以
下几个方面。

一是在学习主题( 七) “生物学与社会 跨学科实践”中提出了模型制作类活动。该主题的概念 9．1 提出了“系统与模型”的跨科学概念，要求“设计并制作模型，直观地表征相应的结构与功能”，这里还给出了三个供选择的项目。

二是虽然前六个学习主题的内容主体为概念，但在学业要求、教学提示中规定了模型的相关内容。例如，在学习主题( 一) “生物体的结构层次”中，教学策略建议提示: 指导学生在感性认识的基础上，通过比较、归纳等方法，找出不同类型细胞的共同特征，并运用模式图或模型等方式展现细胞的结构。学习活动建议提示: 尝试制作植物细胞或动物细胞的结构模型。

学业要求指出: 运用示意图或模型等方式，展示和说明细胞各结构的功能及相互关系。其他主题下也有相关内容，例如，“生物与环境”的学业要求指出：运用图示或模型表示生态系统中各生物成分之间的营养关系。

“植物的生活”的学业要求指出: 识别和描述种子、根尖、芽、叶片、花的结构及功能，以及花与果实在发育上的联系，并通过绘图或模型等形式呈现各个结构的特点。

由此可见，生物学课程标准中关于建模的内容较多，且要求明确，这为教材编写和教学实施提供了清晰的指导。

3．2 教材落实课程标准关于建构模型的相关要求

基于课程标准，教材系统设计了建构模型的相关内容。

3．2．1 设计多个建构模型的实践活动 首先，教材通过综合实践项目设计了建构模型的跨学科实践活动。教材有 8 个综合实践项目，其中 4 个与建构模型相关。

在活动内容中，注意介绍模型的作用、原理，以及如何改进和评价模型。相关活动及内容如表 1 所示。

其次，教材在“设计绿化校园”的活动中，提示学生可以先制作校园绿化、美化环境的平面图或模型。

3．2．2 用一整节进行建构模型的整体设计 在首次出现建模相关内容时，教材用一整节进行设计。七年级上册第一单元“生物和细胞”第二章第二节的节标题是“植物细胞”，正文首先引导学生观察临时装片，认识植物细胞结构，从而通过比较、归纳初步建立植物细胞结构的概念; 教材插图( 植物细胞结构模式图) 用图形对细胞结构进行表征，这幅图本质上也是一个模型; 教材正文进行讲解，帮助学生修正头脑中形成的概念( 即形成概念模型) ; 节后“科学方法”栏目介绍建构模型的方法; 该节还设计了“项目链接”栏目，用问题“在制作植物细胞模型时，这些结构应该如何体现呢?”，将概念学习与该单元跨学科实践活动“制作细胞模型”建立联系。由此可见，该节从概念模型、物理( 实体) 模型、科学方法教育的角度进行了整体设计。

3．2．3 通过评价促进建模活动落实 教材“单元小结”设计了学生自我评价环节，依据课程标准的学业质量、学业要求，结合单元内容制定了“素养表现”表，多条素养表现针对建模而设计。例如，第三单元“植物的生活”的素养表现有: 能通过绘图、制作模型等方法说明植物各器官的结构和功能特点。第四单元“人体生理与健康”的素养表现有: 能通过展示人体某器官( 如胃、心脏、肾) 的模型或图片，说明其结构和功能，对相关健康问题作出初步解释。第一单元“生物与细胞”的素养表现有: 能运用示意图或模型，向他人展示和说明细胞各结构的功能，并说明细胞、组织、器官( 系统) 、个体的关系。这些“素养表现”既表述了学生通过学习应达到的水平，也督促教师教学时应对标这些要求。此外，“病毒”节后的练习题设计了制作病毒模型的作业，有利于学生通过建模深化对病毒概念的理解。

3．2．4 隐性融合设计的建构模型内容 根据模型的定义，教材中许多内容虽然没有冠以“模型”二字，实质上也属于模型，主要包括以下几种类型。

一是部分插图属于模型，特别是示意图和模式图。例如，图 1( 左) 为“叶片的结构示意图及横切面显微照片”，中间的“示意图”呈现了叶片的主要结构，用不同的颜色突出了上表皮、下表皮、叶脉和气孔。这幅示意图反映了抽象的叶片结构，突出了该结构的主要特征，属于模型。

曲线图、遗传图解往往也是模型。例如，图 1( 右)我国某地男孩和女孩身高增长速度曲线示意图中有两条曲线，反映了两个变量( 年龄和身高增长速度) 之间的数量关系，属于数学模型。

二是某些概念的呈现方式属于模型。生物学的课程内容主要由一系列概念组成，教材在表征一些概念时，采用的图解、数学公式等属于模型，如表示光合作用过程的反应式( 反映了光合作用的本质) 。

4 开展建模活动、培养建模思维的教学建议

加强科学思维培养是科学教育的核心，而建构模型是培养科学思维的途径之一，因此在教学中要充分利用建模活动，培养学生的建模思维。

4．1 通过开展建模活动达成概念教学目标 生物学课程内容由一系列概念构成，开展科学探究可帮助学生理解概念。作为一种科学探究活动，建模一方面可以帮助学生理解概念; 另一方面，如果学生理解了概念进而在头脑中形成了概念模型，然后制作物理( 实体)模型，那么物理( 实体) 模型是否正确，就能反映头脑中的概念是否正确。

例如，学生在观察植物细胞的临时装片、结构示意图或视频之后，通过分析、比较、归纳细胞结构的主要特点，抽象其本质属性( 即主要结构) ，初步形成细胞结构的概念模型。此时，学生如果制作物理( 实体) 模型，头脑中的概念模型就会指导建模的外显行为能力、如果制作的物理( 实体) 模型有错，就说明学生头脑中的概念也有错。此时，教师可以针对出现的错误帮助学生修正概念模型。可见，理解概念或建立概念模型是建构物理模型的基础，而开展好建模活动、建构物理( 实体) 模型既有利于达成概念教学目标，因此教师要重视建模活动。

4．2 在建模活动中培养学生的建模思维 在建模活动中，核心是运用建模思维抽提出事物的本质，进行归纳和抽象。由于建模思维属于人的精神活动，因此在静态的纸质教材中，建模思维无法像模型那样显性地作为实体呈现出来，而是隐含在模型本身或建模活动中。但教师应理解建模不仅是为了得到一个物化成果，更重要的是发展学生的建模思维。如前所述，在建立细胞结构概念模型时，学生运用了分析、比较、归纳、抽象等逻辑思维方法; 为了制作其物理模型，还会运用形象思维及比较、分析等逻辑思维方法来确定材料用具; 再设计草图( 也属于模型) ，然后动手制作。在这个过程中，学生的建模思维会得到训练。因此，教师要注意思维引导，如强调要进行归纳和抽象，帮助学生抓住事物的本质特征; 还应给学生留出思考的空间和时间，或用问题引发思考，从而使学生的建模思维得到发展。

4．3 重视发展学生运用模型的能力 模型应用也是建构模型过程中的重要环节，包括回答问题、解释现象、表达观点、进行预测等。

首先，应关注学生分析模型、回答问题的能力。教材有一些分析模型的题目，如第四单元( 一) 的“复习与提高”中，第 3 题给出了不同人在休息状态和大运动量状态下的每分钟血流量示意图，第 4 题给出了人体几大系统相互关系图解，这两幅插图都是模型。通过分析模型，学生可以进一步理解人体生理与健康的相关概念，并提升科学思维水平。其次，应关注学生运用模型解释现象、表达观点的能力。模型有简化、直观的优点，有利于知识的传播。例如，可引导学生尝试运用小肠结构模型，解释小肠适于消化食物、吸收营养物质的原因。最后，应关注学生运用模型进行预测的能力。例如，通过分析遗传图解，预测后代的表型和基因型；通过分析种群的年龄结构，预测种群数量增长情况等。

综上所述，人教版初中生物学教材围绕建构模型系统设计相关内容。教师应充分理解模型和建模思维的内涵，通过开展建模活动、培养学生建模思维，帮助学生理解概念，发展科学思维，促进核心素养的全面发展。

来源：王颖.人教版初中生物学教材中的模型和建模思维[J/OL].生物学教学,1-5[2026-02-15].https://link.cnki.net/urlid/31.1009.G4.20260214.0918.004.