摘 要：物理模型建构教学一直是生物老师的一大难点。在新一轮课程改革的背景下，生物学物理模型建构教学该如何进行才能达到培养学科核心素养，实现立德树人的教育宗旨。本文从理论研究和教学实践两方面进行了阐述。提出STSE+教育思想并进行了实践，建立了生物核心素养屋型图并进行了应用，建构了可以流动的“生物膜流动镶嵌物理模型”和设计了生物膜流动性体验式分组实验，实现了教学难点的历史性突破。
关键词：STSE+教育理念 生物学科核心素养 物理模型建构 生物模型建构教学在高中生物教学中占有不可替代的位置，“模型与建模”是普通高中生物学课程标准（2017年版）（下称2017版课标）要求学生发展的科学思维。生物模型可以分为：物理模型、概念模型和数学模型三类。但是经笔者多年的观察和研究发现，物理模型的建构相比概念模型、数学模型建构来说存在比较多的问题和困难。而如果是基于STSE教育思想的“STSE+生物学物理模型建构课堂教学”的研究在国内更是凤毛麟角，在“中国知网”、“万方数据库”等资源库进行关键词搜索，并未发现有相似的论文发表。为此，笔者展开了相关的理论研究和课堂实践活动，供广大同行参考。
一、理论研究
1.STSE+的由来
普通高中生物学课程标准（2017年版）提出“社会责任”这一学科核心素养，并把它诠释为：基于生物学的认识，参与个人与社会事务的讨论，作出理性解释和判断，解决生产生活问题的担当和能力。让我们不由想起偶有报道的大学生利用所学科学知识进行违法犯罪的案例。虽然是个案但是也不由得我们作为一线教师反思：我们所有学科的教育如何才能最终指向“立德树人”的教育宗旨。
（1）从STS到STSE。STSE（Science科学、Technology技术、Society社会、Environment环境）四个英文单词的第一个字母。 我国的STS教育始于20世纪80年代，在普通高中生物学课程标准(2003年版），（下称2003版课标）就已经明确提出STS的教育思想。21世纪世界课程改革的一大国际趋势就是将STSE教育纳入课程理念，STSE（科学、技术社会和环境）教育思想继STS之后逐渐成为21世纪教育领域重要的思想范式。1996年，美国颁布的“国家科学教育标准”中就明确提出了集环境教育和STS教育于一体的“STSE”科学教育理念。而我国也在党的第十八次、第十九次人民代表大会中均明确提出：“努力建设生态文明”“绿水青山就是金山银山”的要求。因此从STS发展为STSE成为了必然。
STSE教育思想的核心：以科学教育为载体，引导教育者跨越学科界限，为学生还原世界的本真；关注科学、技术与社会、环境四者之间的关系，培养学生的人文情怀；培养学生创新精神和解决问题的能力。STSE教育思想是一种旨在把科学教育和当前的社会发展、社会生产、社会生活、生存环境等紧密结合的新型教育指导思想。新一轮课程改革非常关注“核心素养”而这强调的不再是知识和技能，而是获取知识的能力。核心素养的教育模式取代知识传授体系，这将是素质教育发展历程中的一个重要节点，意义深远。
（2）STSE+教育理念的提出。“STSE+”概念的提出，受到“互联网+”概念的启发，通俗来说，“STSE+”就是STSE教育思想+各学科、各种实践任务”，但这并不是简单的两者相加，而是基于STSE教育思想，让新的课程设计理念与传统课程进行深度融合，创造新的课程发展生态。在现今科学技术迅猛发展，国际社会紧密交融的时代背景下，在基础教育阶段，教育正应该帮助被教育者形成通过跨越不同学科（甚至是不同界别），融合各种素养来解决社会现实问题的能力。STSE+教育理念，更好诠释了笔者提出的“跨界融合，全面育人”教育主张。
STSE教育思想是对STS的延伸。而STSE+是时代发展和变化的要求，是在新时代、新一轮课改背景下自然科学教育的必然走向，是整合了STSE教育思想和STEM、STEAM等课程的自然科学教育理念。其目的是在认识自然规律的前提下，实现对自然界的控制和利用，解决社会发展过程中遇到的难题。
（3）STSE教育思想与中学生物学教育。从生物学的学科本质来说，作为研究对象的生命系统，其研究对象的特殊性、思想观念的人文性、概念和规律的概率性、思维方式的灵活性、研究方法的综合性。所蕴含的教育价值在课程标准里具有明确要求。2003版课标明确提出STS教育思想，2017版课标的“教学与评价建议”部分明确提出“1.5落实科学、技术、和社会的相互关系的教育”并强调注重科学、技术和社会相互关系时贯穿本课程的重要主线之一，也是生物学学科核心素养达成的重要途径。此外还要注意学科间的联系，注重生物科学史和科学本质的学习。
2.对新课标学科核心素养的初步理解
2003版课标提出了三维目标，“三维”本意应该是强调立体性，期待的是三维整合。然而到了一线教师的教学设计时，往往只重视平面的三部分，三维目标之间的关系和整合是缺失的。新一轮的课改，2017版课标中阐述了生物学学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。那它们之间的关系如何？我们是否还是沿用原来的“平面思维”去描述，还是要体现“立体、系统”的思维方式呢？笔者认为，尽管2017版课程标准关于学科核心素养具体内容的阐述是从四个方面展开，但是同时它也强调了学科核心素养是通过学生学习逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力，是学科育人价值的集中体现。因此，学科核心素养的四个组成必然是立体、系统的。2017版课程标准将生物学学科核心素养分为四个部分来阐述是必要的。但是，如果作为落实课程标准的教师只关注分析而不注意综合，则容易形成平面分割、线性串联的思路，而不能立体、整体地思考其关系。
在生物学学科核心素养的四个组成中，科学思维、科学探究及社会责任都具有自然科学领域的跨学科属性，而生命观念则是独具生物学学科特点的要素，是本学科核心素养的标志和关键。因此，科学探究与科学思维应该是架起生命观念的支撑、工具，而社会责任则是三者的集中反映，体现了一个人在社会生活中品格、能力的综合素养水平。而生物学科核心素养的四个组成最终指向一定是“立德树人”的教育宗旨。事实上要准确地描述这四者之间的关系实际上是很困难的，可能类似于“房屋结构”的立体模型（见图１）。暂且称为：生物学科核心素养屋型图。
二、教学实践——以“生物膜流动镶嵌模型”为例
1.基于学科核心素养的教学目标设定
通过分析科学家建立生物膜模型的过程及自己动手建构模型，模拟科学探究的过程，由此认识生物膜流动镶嵌模型的基本内容和初步形成科学思维能力。初步建立“细胞的生存需要营养物质，而细胞膜控制物质进出的功能是由细胞膜的结构决定”的生命观念。通过对生物膜研究新进展的了解，初步建立科学技术的发展要为解决社会问题和改善人类生存环境服务的社会责任感。
2.难点及突破对策
难点一：流动镶嵌模型的“流动性”体验。
对策：（1）制作真正可以感受“流动”的流动镶嵌模型。
流动镶嵌模型的“流动性”一直都是存在于学生的想象当中，在过去的众多教学案例中，鲜有通过实物模型来让学生体验“如轻油般流动”的磷脂双分子层和其中镶、嵌、贯穿的蛋白质。为此笔者特意通过轻质粘土、牙签、水、食物油等材料制作了可以流动的生物膜模型（见图2），当模型随教师的手轻轻晃动时，学生立刻就能真切感受膜的流动性，效果非常好。
（2）设计模拟磷脂分子流动性体验的分组实验。
对于“分泌蛋白从囊泡释放到细胞外是由于膜的流动性实现”这一个知识，学生因为接收的信息文字和语言的描述，往往是停留在想象中似懂非懂的状态。因此笔者设计了利用轻质粘土、吸管制作出“磷脂分子模型”（见图3），通过把磷脂分子（磷脂分子头部亲水和尾部疏水的）放在水面上，通过标记区分细胞膜的磷脂分子和囊泡膜的磷脂分子（见图4）。当两者处于静止状态时，囊泡膜的磷脂分子是无法与细胞膜的磷脂分子融合的，因此，包在囊泡内的蛋白质分子也无法释放出来。但是当学生们轻轻晃动水槽，磷脂分子流动起来后，学生们马上惊呼，两种膜的磷脂分子很简单地就混合在一块了。
图4 模拟磷脂分子流动性实验图5 生物膜研究新进展时间轴
难点二：STSE+建模教学中STSE教育思想的渗透。
对策：我们的教学研究都在设法让学生走进科学家发现和建构生物膜流动镶嵌模型的探究活动和科学思维当中，也以此形成“结构决定功能”、“细胞的生存需要营养物质，而细胞对物质进出具有选择性”等生命观念。但是我们重视这些核心概念教学的同时，更需要挖掘概念教学过程中蕴含更多的教育价值。如可以通过对以时间轴更为直观的形式“研究新进展的介绍”（见图5），让学生明白科学研究的发展趋势必然是通过科学技术的不断发展，为社会和人类解决各种的社会难题，并改善我们人类的生存环境（STSE）。这既是科学研究的使命，也是我们作为科学学习者的社会责任。
三、研究成果与分析
1.研究成果创新点
（1）首个由中学教师自行制作的能流动的“生物膜流动镶嵌物理模型”诞生。以往该物理模型基本都是静态的，其动态仅仅在电脑上进行动画演示。因此，如何让学生理解生物膜的流动性，也成为了教学的难点，且一直没有文章阐述有比较好的突破策略。而本研究成果之一就是教师制作出能让学生真切感受到流动性的“生物膜流动镶嵌物理模型”。为学生理解流动性提供更多的方便，为同行突破教学难点，提供参考。
（2）首个“体会生物膜具有一定的流动性并决定膜相关功能”学生分组实验设计诞生。教师通过制作教具，引导学生模拟磷脂分子在水中的状态，自行体会磷脂分子在水中能够流动的特性，并进一步模拟分泌蛋白如何通过囊泡膜与细胞膜融后，释放到细胞外的过程。真实感受细胞膜结构特性，以及结构决定功能的生命观念，进一步突破难点。
（3）首次对STSE+教育理念研究的成果进行发布。STSE+教育理念是让新的课程设计理念与传统课程进行深度融合，创造新的课程发展生态。该理念自2016年由笔者提出后，研究就没有停止，至此笔者对“STSE+生物学物理模型教学”初步研究成果进行发布，既是让同行更好地理解STSE+教育理念提供案例，更希望对具体操作提供课堂范式，方便同行进行理念的落实。
（4）尝试建构生物学科核心素养四方面关系立体模型图，并在教学实践中进行了应用。笔者对生物学科核心素养四个方面的关系进行了个人理解并建构出立体模型图——生物学科核心素养屋型图，并以此为依据，确定了综合立体的课堂教学目标，为同行描述课堂教学目标提供参考。
2.研究成效分析
笔者通过直播平台对该课例进行了网络直播，受到观看教师的一致好评。同时笔者还受邀在广州市海珠区全体高中生物教师教学研究活动中进行了相关讲座，反响很好（见图6）。
图6 全区教学研究活动讲座现场 图7 学生部分导学案
（1）教师听课后的感受。教师课后纷纷对笔者制作的可以流动的流动镶嵌模型进行了观摩和了解，对模型的教学效果给以高度肯定；同时对分组实验的设计兴趣浓厚，纷纷表示自己在多年教学过程中难于突破的难点，终于有了较好的突破策略。同时，大家对STSE+的教育理念比较认同，纷纷表示可以在自己的日常教学中进行尝试。
（2）学生学习后的反馈。通过模型建构学习，学生普遍反馈对生物膜流动镶嵌模型的理解更深刻。对膜流动性以及结构与其相关功能的关系更清晰。因而能较准确地完成相关概念图的填写，课后统计准确率达90%以上。通过对生物科学史的学习，让同学们初步形成了科学思维方式，因而提出了“水如何通过膜的脂层进出细胞？”“膜内蛋白质的流动有什么规律？”等有后续研究价值的疑问。（见图7）通过STSE教育思想的渗透，同学们在课堂上纷纷表示学习了科学、掌握了技术后要为社会服务，为人类解决难题，保护我们生存的环境。
参考文献
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[4]马丽娜 创建岭南特色STSE中学生物课程体系研究与实践[M].广州：华南理工大学出版社，2015，11。
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[6]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018。
论文作者:马丽娜
论文发表刊物:《中小学教育》2019年第371期
论文发表时间:2019/8/20
标签：模型论文; 素养论文; 学科论文; 磷脂论文; 生物论文; 生物学论文; 核心论文; 《中小学教育》2019年第371期论文;