模型制作在生物微观结构教学中的应用分析

摘要：在高中生物微观结构教学中，抽象的细胞亚显微结构、生物大分子空间构象等内容常成为学生理解的难点。模型制作作为具象化教学手段，通过将微观知识转化为可观察、可操作的实体或思维载体，有效突破认知壁垒。本文结合人教版教材内容，从教学实践出发，分析模型制作在知识建构、能力培养及素养提升中的应用价值，探讨其与现代教育技术融合的创新路径，为高中生物微观结构教学提供可复制的实践范式。

关键词：模型制作；生物微观结构教学；高中生物学；核心素养；人教版教材

一、高中生物微观结构教学的核心困境与模型制作的适切性

（一）教学困境分析

人教版高中生物教材中，微观结构知识集中于必修一《分子与细胞》模块（如细胞器亚显微结构、细胞膜流动镶嵌模型）、必修二《遗传与进化》模块（如DNA双螺旋结构、减数分裂染色体行为变化）。这类内容具有三大特征：①空间维度抽象（亚显微结构需借助电子显微镜观察，学生缺乏直观经验）；②动态过程复杂（如分泌蛋白合成的细胞器协作、DNA复制的分子机制）；③功能与结构关联度高（结构特点直接决定生物学功能）。传统教学依赖图片、动画演示，学生仍难以建立“结构—功能”的深层联系，导致概念理解碎片化、应用迁移能力薄弱。

（二）模型制作的教学价值契合点

根据建构主义学习理论，模型制作作为具身认知活动，通过“操作—观察—反思—建构”循环促进认知内化，其三重教学价值契合微观结构学习需求：一是认知具象化，将核糖体、线粒体等纳米/微米级结构转化为厘米级物理模型（如黏土细胞器模型），助学生建立空间尺度概念；二是思维外显化，借概念模型（如细胞器协作流程图）或数学模型（如减数分裂染色体数目曲线）呈现学生对动态过程的理解偏差；三是实践探究化，融合“假设—修正—验证”的科学思维，如DNA模型制作中引导学生发现碱基配对与模型稳定性的关系，渗透探究素养。

二、模型制作在教学中的实践路径与案例分析

（一）物理模型：从静态结构到动态关联的立体建构

在细胞器结构教学案例中，学生通过橡皮泥、泡沫板制作标注线粒体、内质网的动物细胞亚显微模型，呈现膜结构空间关系，并以颜色卡片模拟分泌蛋白合成运输过程，演示核糖体合成、囊泡运输及线粒体供能节点，结合“线粒体分布原因”“内质网膜连接意义”讨论强化结构功能观，实测该组学生“细胞器功能联系”类问题正确率达82%，较传统班提升17%且结构细节描述更精准。

在生物膜系统概念建模中，采用“层级建模—动态补充”策略：构建包含膜分类（细胞膜/细胞器膜/核膜）、成分（特有成分与共性）、功能（如核孔物质运输）的三级概念图，并在“细胞癌变”“光合作用”学习中补充膜糖蛋白减少、类囊体色素分布等模块，形成“结构分类—成分比较—功能关联”框架，高效整合细胞膜流动性、细胞器膜特化等跨章节知识，实现碎片化内容的逻辑网络化整合。

（三）创新模型：融合现代技术的精准化与个性化实践

针对DNA双螺旋、血红蛋白空间结构等高精度微观模型，可借助3D设计软件（如Tinkercad）课前生成标准化模型，课堂上让学生通过拆解、组装操作，直观观察碱基氢键连接方式与螺旋直径的关系，突破传统手工模型在分子结构精度上的局限；此外，利用VR技术构建虚拟仿真模型，如模拟“细胞有丝分裂中染色体行为变化”，学生可通过手柄操作“抓取”染色体，动态观察着丝粒分裂、纺锤丝牵引等瞬时过程，有效解决传统物理模型难以呈现微观动态变化的时空限制问题，实现模型制作从手工操作到技术赋能的精准化、个性化升级。

三、模型制作教学的优化策略与实施建议

（一）构建“教—学—评”一体化实施框架

模型制作需以明确目标为导向，如设定“制作体现酶催化专一性的空间结构模型”等具体任务，避免操作与知识脱节；通过提供《模型评价表》，从科学性（结构比例）、创新性（材料选用）、逻辑性（功能解释）三方面引导学生开展自评与互评，形成过程性反馈机制；注重成果转化，将优秀模型作为教具长期展示或制作成微课资源，强化学生的学习成就感与知识迁移能力。

（二）深化科学思维与社会责任的双重赋能

教学中可结合现实议题拓展模型制作的教育价值，例如在“细胞膜流动镶嵌模型”制作中，引入新冠病毒包膜结构（脂质膜与刺突蛋白），引导学生分析“脂溶性药物穿透机制”“病毒膜蛋白与疫苗研发关联”等问题，使微观结构知识从课本概念转化为解释现实问题的思维工具，在强化科学思维（结构与功能关联分析）的同时，提升学生关注生命科学社会价值的责任意识。

（三）实施差异化建模策略促进梯度发展

针对学生认知差异分层设计建模任务：为抽象思维较弱的学生提供细胞器结构模板图、概念模型框架表等预设支架，降低建模难度，确保基础目标达成；对能力较强的学生，鼓励跨尺度模型设计（如整合细胞结构与ATP合成酶分子机制），支持其从“依模制作”进阶到“自主创模”，实现“做中学”到“创中学”的能力跃升，满足不同学习层次的发展需求。

四、反思与展望

模型制作教学的核心价值，在于通过“手脑协同”打破微观结构的认知壁垒，使学生在具象化操作中建构抽象概念。未来可进一步探索：①模型制作与生物信息学的融合（如利用蛋白质数据库数据建模）；②跨学科项目式学习（联合化学、信息技术学科制作分子结构动态模型）；③建立区域性模型资源库，实现优质模型案例的共建共享。

实践证明，模型制作不仅是知识传递的工具，更是科学思维培养的载体。教师需立足教材微观结构内容，精心设计“模型建构—修正—应用”的完整教学链条，让学生在动手实践中理解生物学本质，发展核心素养，为高阶思维能力的提升奠定坚实基础。

参考文献

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