淺談高中生物建模的教學價值和培養策略

模型是人們為了某種特定目的而對認識對象所作的一種簡化的概括性的描述。《普通高中生物課程標準》明確要求：了解建立模型等科學方法及其在科學研究中的作用，培養學生的建模思維和建模能力，領悟、建立數學模型等科學方法及其在科學研究中的應用，培養學生的建模思維和建模能力，獲得生物學的基本事實、概念、原理、規律和模型等方面的基礎知識。

由此可見，建模能力在高中生物課程標準中被提到較高的高度，模型建構被認為是學生將來從事科學研究的必備能力。如何落實新課程標準中模型建構能力的培養?下面從模型建構的理論基礎、生物模型的類型、教學價值和培養策略四個方面進行探討，以期對高中生物教學中培養模型建構能力提供借鑒。

1 理論依據

建構主義學習理論認為：學習是學習者主動建構內部心理表征的過程，其核心是：“知識是通過主體積極建構的，而不是被動接受的。”建構主義理論下的學習效果不是取決于學生記憶課堂講授內容的多少，而是取決于學生通過主動建構獲取知識和能力的程度。模型建構教學就是在教師引導下，讓學生在一定的情境中通過自己動手構建模型，學習生物知識，體驗生物科學研究過程。因此，在模型建構教學活動中是以學生為主體，以建構模型為主線，讓學生在真正做的過程去探索、交流、學習。它重視學習過程的主動性和建構性，強調學生以個人的學習經驗、心理結構來建構對于新事物的理解，從而獲取新知識，掌握解決問題的方法和技能。教師在教學過程中若能用好模型建構方法，對實現新課程目標、提高生物科學素養會有很大幫助。

2 生物模型的類型

生物模型可以分為物質形式和思維形式兩大類型。

2.1從物質形式角度

生物模型可以分為真實模型、替代模型以及人工模擬模型等幾種類型。

(1)真實模型。為了能更好地探究某項生命活動規律而選用某些方面具有典型特征或特別便利的生物，這就是真實模型。真實模型的選擇往往是精心的、慎重的，因為通過對其研究所獲得的生命活動規律須具有通適性、典型性，能推廣到其他生物。如孟德爾、摩爾根分別以豌豆、果蠅為研究模型，研究發現了遺傳的三大規律；林德曼選擇美國的賽達伯格湖為生態系統模型，深入研究并揭示了生態系統的能量流動規律。

(2)替代模型。替代模型是指由于種種原因，無法直接用研究對象進行實驗研究，而用其他生物代替研究對象進行研究。如常用豚鼠、獼猴等動物代替人體進行疾病機理探究、疫苗研制、藥物試驗等工作。再如，以誘發豚鼠血脂增加作為高血脂患者的模型，用來篩選降血脂的藥物。

(3)人工模擬模型。有些科學問題的探究既無法用真實模型，也無法找到替代模型，此時，科學家們想出了用人工模擬的方法來開展研究，如生物圈Ⅱ號、探究性狀分離比的實驗模型、探究生態系統穩定性的小生態瓶等。

2.2從思維形式角度

生物模型的表現形式有物理模型、概念模型、數學模型、軟件模型等。

(1)物理模型。以實物或圖畫形式直觀反映認識對象的形態結構或三維結構，這類實物或圖畫即物理模型。常見的實物模型有DNA雙螺旋結構模型、真核細胞亞顯微結構模型等；圖畫模型有三倍體無子西瓜的培育過程圖解、池塘生態系統模式圖等。物理模型的特點是實物或圖畫的形態結構與真實事物的特征、本質非常相像，大小一般是按原比例放大或縮小的。

(2)概念模型。以圖示、文字、符號等組成流程圖形式對事物的生命活動規律、機理進行描述、闡明，即概念模型。如動植物細胞的有絲分裂、減數分裂圖解、光合作用示意圖、中心法則圖解、過敏反應機理圖解等。概念模型的特點是圖示比較直觀化、模式化，由箭頭等符號連接起來的文字、關鍵詞比較簡明、清楚，它們既能揭示事物的主要特征、本質，又直觀形象、通俗易懂。

(3)數學模型。用來表達生命活動規律的計算公式、函數式、曲線圖以及由實驗數據繪制成的柱形圖、餅狀圖等稱為數學模型。如酶的活性變化曲線、種群增長曲線、微生物生長曲線，以此種群密度計算公式、組成細胞的化學元素餅狀圖、能量金字塔等。曲線圖的特點是在利用坐標系描述2個變量之間的定性或定量關系；柱形圖是依據實驗數據在坐標系內用柱形方式表示的2個變量之間不連續的定量關系；餅狀圖通常是百分比含量的圓餅狀表示；計算公式或函數式則是根據數學上的等量關系、用字母符號建立起來的變量之間定量關系式。

(4)軟件模型。用計算機語言編寫、反映變量之間邏輯關系的應用生物程序稱為軟件模型。如弗里斯特等根據他們對人口增長、工業發展、糧食增長、不可再生資源的消耗以及環境污染的研究，用幾十個相互聯系的變量組成了一個模型，借助計算機進行各種運算，一方面對模型進行檢驗，同時也可以對未來作出預測。這種抽象模型的計算機模擬在生態學、群體遺傳學、基因組研究等很多領域已成為重要的研究方法。

3 生物建模的教學價值

3.1提高學生學習興趣

興趣是最好的老師，教學效果不僅和學生的智力水平有關，更重要的是和他們對這一學科的學習興趣有關。模型本身展示給學生的是非常直觀、生動的印象，它使靜止的文字變得活躍、生動，是能夠激發學生學習興趣的感性材料。在應用模型方法進行教學的過程中，不是教師硬性灌輸給學生知識，而是讓學生在學習的舞臺上親自去想象，去動手構建模型。在進行人教版必修2“減數分裂過程中染色體變化”的教學時，教師引導學生用橡皮泥構建染色體、姐妹染色單體的模型，明確染色體、姐妹染色單體的概念關系，學生通過小組合作，用橡皮泥構建“減數分裂過程中不同時期的染色體變化模型”。學生通過討論、觀察、自己動手操作，更好地理解減數第一次分裂前期同源染色體聯會，形成四分體；后期同源染色體分離，染色體數目減少一半等減數分裂各個時期染色體變化的特點。學生在做模型的過程中學習生物知識，激發學生的學習興趣，促使學生為之，愉悅、興奮，同時體驗到建構探究成功后的喜悅感、自豪感。

3.2實現自主、合作學習方式

高中課程改革的重要突破口之一是轉變學習方式，由過去被動的學習方式變為自主的學習方式，完成由以教師、知識為中心，向以學生發展為中心的轉變。生物模型的建構是學生進行動手實踐、自主探索、合作交流學習的有效方式。

模型的建構往往是在一定的情景中通過學生的自主學習來完成的。進行人教版必修1“生物膜結構模型”的教學時，先給學生提供這樣的教學情景：科學研究發現，脂溶性物質極易通過細胞膜，并且細胞膜易被脂溶性溶劑所溶解；細胞膜易被蛋白酶水解。分析得出細胞膜的主要組成成分是蛋白質和磷脂。然后教師鼓勵學生大膽想象，嘗試建構磷脂在空氣和水面的排列方式，以及它們是如何構成細胞膜的，給學生提供充分的自主學習的空間和時間，并引導學生不斷修改自己構建的模型，引導和促進學生主體性發展。教師在放手讓學生獨立思考、自主建構的基礎上組織全班學生進行合作交流。通過交流合作使學生能從不同的角度去思考問題，能對自己和他人的成果進行反思，在合作交流中相互啟發、共同發展，培養合作精神和參與意識。在模型建構的課堂中有一種和諧、寬松的學習氛圍，教師成為學生學習活動的引導者、組織者，學生真正成為學習的主人。

3.3化復雜為簡單，培養學生思維能力

中學生物學以描述性語言為主，對于一些深奧的生命現象，以模型為工具，能夠清晰有力地闡述隱藏在現象背后的一般規律。例如建構種群動態變化的模型。由于種群數量同時受多種因素的影響，因此變化很復雜。自然界中種群數量增長通常呈“s”型曲線，研究“S”型曲線會發現：曲線的形狀表示種群動態變化趨勢，曲線上任一點的切線的斜率表示變化快慢。當種群數量達到環境所允許的最大值(K)時，在該點作曲線的切線，其斜率為0，表示種群的增長率為0。在K／2時，該點的切線的斜率最大，說明此時種群的增長率最大。當種群數量大于K／2時，種群增長速率開始下降。“s”型曲線實質上是指數函數與對數函數的疊加。用“S”型曲線恰好能完美地表達種群數量的動態變化，明白種群動態變化的意義可用于指導生產實踐。利用曲線的數學性質可以簡潔地描述生物學上一些復雜的現象，生命現象是奇妙而抽象的，數學曲線是簡單而直觀的。實際問題常常是復雜多變的，數學建模需要學生具有一定的探索性和創造性，學生在老師的引導下通過真正“做”科學的過程，既能學到知識，又能提高思維能力。

3.4化抽象為直觀，訓練學生創新能力

必修1“細胞的分裂和分化”很難、很抽象，怎樣將抽象的知識通俗地呈現給學生?首先給學生閱讀一段資料，即一個成年人大約擁有100萬億個細胞，這些細胞都源自一個細胞。當學生閱讀了這段資料后，最大的疑惑是：人為什么要這么多的細胞，而不能由幾個巨大的細胞組成?答案是因為細胞很小。緊接著學生又有疑惑了：細胞為什么這么小?僅憑學生已有的生物學知識，要解釋清楚“細胞的體積只能很小”是不可能的。教師利用數學建模的方法可以讓學生輕松地理解“細胞的體積為什么只能很小”。第一步，假設細胞為立方體形(便于計算)；第二步，分別設立方體的邊長為1cm、2cm、3cm和4cm；第三步，先分別計算每個立方體的表面積和體積，再計算表面積和體積之比。表面積代表細胞膜的大小，體積代表細胞的大小，將計算結果列表呈現。當學生看了表中數據后，對“細胞體積只能很小”的原因一目了然：細胞長大需要通過細胞表面從外界吸收營養物質，表面積越大，吸收的營養物質越多。隨著細胞的長大，其表面積與體積之比卻在變小，即表面積增大沒有體積增大得快。當細胞長到一定大時，由于細胞得不到足夠的營養物質而無法繼續長大。因此，細胞的體積只能很小。

4 模型建構能力的培養策略

4.1建構模型的一般程序

(1)掌握原理。掌握模型所代表的知識、過程、規律、機理等，弄清模型的構成要素或包含內容之間的邏輯關系。

(2)明確類型。明確所構建的模型屬于哪種類型，知道該種模型的特點及表現形式。

(3)構建草圖(框架)。選擇適當的圖形、文字、符號勾勒出草圖，或用適當的搭建框架。基于模型的通適性、典型性，所以在構建時只需要考慮大多數情況即可，一般不考慮極少數情況或特例。

(4)修飾完善。對照原理查驗所構建的草圖(框架)，確保其科學性；然后進一步修飾完善模型，力求規范、簡潔、直觀、有美感；最后構建出正式的模型。

(5)補充詮釋。對一些模型要添加必要的文字說明、示例、圖注等，使模型更科學、更清楚、更規范。

4.2模型建構能力的培養策略

模型建構能力是在建模思想的指導下，綜合建立模型，進行知識或技術創新，最終達到建立模型，完成創新過程的能力。在進行高中生物教學時，教師可通過模擬實驗構建模型、利用模型方法教學、運用模型方法解決問題等方面培養學生的建模能力。

(1)結合建模專題，訓練思維模型建構的能力。高中生物學科以描述性的語言為主，學生不善于運用思維模型建構來解決生物學上的問題，這就要教師在平時的課堂教學中給予提煉總結，并進行思維模型建構。教師應研究在各個教學章節中可引入哪些模型問題，如講減數分裂時，MI中期的同源染色體在細胞中央的不同排列方式，在細胞兩極出現不同的染色體組合，最終形成幾種不同基因組成的配子?結合排列與組合知識，可解決這個疑難問題。同樣遺傳信息的傳遞與表達過程中，也涉及到堿基的排列與密碼子的組合方式。

此外，還可以選擇適當的模型建構專題，如“代數法模型建構”、“圖解法模型建構”、“直(曲)線擬合法模型建構”，通過討論、分析和研究，熟悉并理解思維模型建構的一些重要思想，掌握模型建構的基本方法。同時注意與其他學科的呼應，也是培養學生模型建構方法的一個不可忽視的途徑。通過教師潛移默化地滲透模型建構意識，學生可以從各類模型建構問題中逐步領悟到思維模型建構的廣泛應用，提高他們運用知識進行模型建構的能力。

(2)注重建模方法的指導，幫助學生疏通思路。教師的任務不應是替學生找出各部分知識的現成結構，而是及時組織、引導學生對前面所學知識、規律、方法進行歸納整理，讓學生通過自己的理解和加工建構可用的思維模型。以“生物與環境”為例說明：①以生態系統為核心，將生態因素、種群和生物群落、生態系統結構“分割”成三個知識塊，有序布局；②連接三大知識塊相互聯系的知識線，自然形成一個生物與環境的知識網；③縱觀全局，再現整體。即通過三大知識塊概念之間內在聯系構成生物與環境的知識網絡。把這張圖有序地儲存在頭腦中，便形成了生物與環境關系的思維模型。思考問題時，將問題納入網絡便可迅速檢索出所需的知識線、點，做到觸類旁通，考慮問題就會融會貫通，全面周到。

(3)完善學生的知識結構，養成建模的習慣。教師的任務不應是替學生找出各部分知識的現成結構，而是及時組織學生對所學的知識進行歸納整理，讓學生通過自己的理解和加工構建出一個個可用的思維結構圖。只有建立系統完整的思維框架體系，對學習的課程進行有效地資源整合，才會使整個教學過程和流程設計更加系統、科學有效。利用思維建模進行課程的教學設計，會促成師生形成整體的觀念和在頭腦中創造全景圖，進一步加強對所學和所教內容的整體把握，而且可以根據教學過程和需要的實際情況做出具體的合理的調整。畫一幅思維模型好比經歷一次頭腦風暴，當一個人把自己的想法順利寫出時，想法會變得更加清晰，頭腦也會接受新想法。這些新的想法可能與已有的想法有聯系，而且會引發新的意念。學會制作思維模型，又強化而形成習慣，學生就能自覺地運用，從而取得最大的學習效率。在適應了思維模型教學的一段時間后，學生學習效果將大大優于傳統教學。如光合作用實驗的常用方法可構成思維模型。思考問題時，將問題納入思維模型便可迅速檢索出所需要的知識線，做到觸類旁通，考慮問題就會全面周到。從而使學生能夠從整體上掌握了基本知識結構和各個知識間的關系，在頭腦中形成了清晰的概念網絡。通過思維建模能夠極大地提高學生理解能力和記憶能力，學生不再被動地去死記知識，而是積極地對關鍵字進行加工、分析和整理，開發了學生的空間智能，使其主體的積極性得到充分發揮，從而培養和發展其創新思維能力。

(4)通過模擬實驗，培養學生建模思維。在高中生物教學過程中，教師應充分利用模擬實驗和構建模型的內容培養學生的建模思維。如在“制作DNA雙螺旋結構模型”這一實驗中，教材中介紹的實驗材料是硬塑方框、粗鐵絲和細鐵絲，此外，用球形塑料片代表磷酸，用雙層五邊形塑料片代表脫氧核糖，用4種不同顏色的長方形塑料片代表4種不同的堿基。利用課本材料制作DNA分子結構模型的實驗，教師還可以讓學生自己選擇材料制作模型，通過交流討論，最后展示自己的作品。通過自己動手構建模型，不僅可以加深對DNA分子的化學組成、化學結構和空間結構的認識和理解，同時可以粗略地領悟到建立DNA分子雙螺旋結構模型理論、原則和方法等方面的知識。再如“細胞增殖”教學過程中，學生學習了植物細胞有絲分裂動態模型后，可利用多媒體出示動植物細胞亞顯微結構的模型，回憶它們結構上的差異。然后引導學生根據植物細胞有絲分裂過程模型推測出動物細胞有絲分裂過程模型。在細胞分裂過程中染色體和DNA都發生了規律性的變化，要求學生用坐標曲線圖表示出染色體和DNA的數學變化，建立有絲分裂過程的數學模型。教師利用生物模型方法進行教學，讓學生置身于探索科學現象、發現科學規律的活動中，在建立模型的過程中，學會觀察的方法、歸納與演繹的方法，提高了建模能力。

(5)在問題解決中，提高建模能力。在生物學問題解決中，人們經常使用模型，通過模型建構，然后根據模型進行推導、計算并做出預測。如學習了滲透作用原理后，要求學生設計1個模型，來鑒別2種蔗糖溶液的濃度，并貼上標簽(已知2種溶液質量分數為30％和10％，由于未貼標簽而混淆不清)。有的學生設計了這樣的模型：將一種蔗糖溶液加入燒杯中，另一種加入透析袋中并在透析袋中插入刻度玻璃管，根據刻度玻璃管液面高度的變化判斷蔗糖溶液的濃度。也有的學生設計了不同的模型：他們將等量蔗糖溶液分別裝入2個透析袋中，透析袋中都插入刻度玻璃管，然后把這兩個透析袋放人清水中，再根據兩刻度玻璃管液面上升的高度來判斷蔗糖溶液的濃度。利用滲透作用原理建立模型，不僅讓學生鞏固應用所學的知識，而且提高了建模能力。

課程實施是新一輪課程改革能否取得成功的關鍵，教師作為新課程的實施者，應該轉變觀念，重視模型思維和建構模型能力的培養，創造性地使用教材，設計適合學生自主建構模型的教學過程，引導學生主動思考、探索，讓學生在模型建構的過程中學習、發展。