高中生物模型建構(gòu)教學(xué)研究與體會

朱徽

摘 要： 模型和模型方法在生命科學(xué)研究中發(fā)揮著重要作用，是學(xué)生獲取知識的條件，也是學(xué)生認(rèn)識結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在高中生物學(xué)教學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用價值和教育意義。

關(guān)鍵詞： 高中生物 模型建構(gòu) 教學(xué)方法

我國《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》中的“知識”目標(biāo)指出：“獲得生物學(xué)基本事實、概念、原理、規(guī)律和模型等方面的知識。”新課標(biāo)明確將獲得生物學(xué)模型的基本知識作為課程目標(biāo)之一，并在內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)和活動建議部分做了具體詳細(xì)的規(guī)定。可以說這是我國中學(xué)生物課程發(fā)展史上第一次將“生物模型”寫入《大綱》（也就是課程標(biāo)準(zhǔn)）中。2016年福建省高考《生物考試大綱》將“建構(gòu)模型”納入“實驗與探究能力”的考查范圍。因此，模型建構(gòu)不僅是課程目標(biāo)之一，還是高考的需要，更是改變學(xué)習(xí)方式，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的需要。可見，生物模型的建構(gòu)在高中生物教學(xué)中有多么重要的地位。那么什么叫生物模型呢？高中生物有哪些生物模型建構(gòu)活動呢？如何開展模型建構(gòu)活動呢？本文結(jié)合三年來高中課改實踐，就上述幾方面問題做一探討。

一、模型與模型方法的內(nèi)涵及分類

1.模型內(nèi)涵及分類

所謂“模型”，就是模擬所要研究事物原型的結(jié)構(gòu)形態(tài)或運(yùn)動形態(tài)，是事物原型的某個表征和體現(xiàn)，同時是事物原型的抽象和概括。不再包括原型的全部特征，但能描述原型的本質(zhì)特征。模型一般可分為物理模型和數(shù)學(xué)模型兩大類。

物理模型就是根據(jù)相似原理，把真實事物按比例大小放大或縮小制成的模型，其狀態(tài)變量和原事物基本相同，可以模擬客觀事物的某些功能和性質(zhì)。物理模型可分為物質(zhì)模型和想象模型。生物學(xué)中物質(zhì)模型有實物模型和模擬模型，如生物體結(jié)構(gòu)的模式標(biāo)本屬于實物模型；而細(xì)胞結(jié)構(gòu)模式圖、減數(shù)分裂圖解等則屬于模擬模型。想象模型是事物在人們思想中的理想化反映，是物質(zhì)模型在思維中的延伸。根據(jù)建構(gòu)模型的思想方法不同，又可以分為兩類：一類是以形象化方法（或稱為意象思維方法）構(gòu)建的具象模型，它是人們在思維中通過對生物原型的簡化和純化而構(gòu)思出來的，具象模型具有一定的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征。如DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型、細(xì)胞膜流動鑲嵌模型、T2噬菌體的模型等。它能使研究對象直觀化，既可以促進(jìn)研究，又可以簡略描述研究成果，使之便于理解和傳播。另一類是以理想化方法（或稱抽象思維方法）構(gòu)建的模型，是人們抽象出生物原型某方面的本質(zhì)屬性而構(gòu)思出來的，例如，物質(zhì)出入細(xì)胞的模型、細(xì)胞分裂過程模型、光合作用過程模型、呼吸作用過程模型、激素分泌的調(diào)節(jié)模型、動物的個體發(fā)育過程模型、生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能模型等。

數(shù)學(xué)模型就是對于一個特定的事物為了一個特定目標(biāo)，根據(jù)特有的內(nèi)在規(guī)律，做出一些必要的簡化假設(shè)，運(yùn)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具，得到的一個數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，用來描述一個系統(tǒng)或它的性質(zhì)的數(shù)學(xué)形式。用符號、公式、圖像等數(shù)學(xué)語言表現(xiàn)生物學(xué)現(xiàn)象、特征和狀況的方法稱為生物數(shù)學(xué)模型方法。如果其變量中不含時間因素，則為靜態(tài)模型，如種群數(shù)量變化曲線、生長素作用的兩重性曲線、酵母菌生長曲線等；如與時間有關(guān)，則為動態(tài)模型，如基因表達(dá)模型、生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動模型等。

2.模型方法的內(nèi)涵及分類

模型方法是以研究模型揭示原型的形態(tài)、特征和本質(zhì)的方法，是邏輯方法的一種特有形式。模型舍去了原型的一些次要的細(xì)節(jié)、非本質(zhì)的聯(lián)系，以簡化和理想化的形式再現(xiàn)原型的各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)、功能和聯(lián)系，是連接理論和應(yīng)用的橋梁（模型和原型的關(guān)系如下圖）。

高中生物模型方法根據(jù)模型代表和反映的方式可以分為三大類：物質(zhì)模型方法即用實物代替原物進(jìn)行研究的方法叫做物質(zhì)模型方法；想象模型方法即用想象的抽象物代替原型進(jìn)行研究的方法叫做想象模型方法，這種方法是人們抽象出生物原型某些方面的本質(zhì)屬性而構(gòu)思出來的，使對象簡化便于研究；數(shù)學(xué)模型方法即用符號、公式、圖像等數(shù)學(xué)語言表現(xiàn)生物學(xué)現(xiàn)象、特征和狀況的方法。

二、高中生物人教版教材中的主要模型建構(gòu)活動分析

三、開展生物模型建構(gòu)活動的程序和案例分析

1.開展生物模型建構(gòu)活動的基本程序主要包括：

（1）教師利用課堂教學(xué)時間介紹相關(guān)理論知識、建模過程、注意事項、獎勵機(jī)制等。提醒學(xué)生在設(shè)計并制作模型時，科學(xué)性、準(zhǔn)確性應(yīng)該放在第一位，其次才是模型的美觀與否；（2）學(xué)生自由分組，在教師的指導(dǎo)下，確定原型與模型及進(jìn)行模擬的形式，并根據(jù)模擬的形式設(shè)計本組模擬的方案，然后小組成員根據(jù)分工準(zhǔn)備模擬材料并動手制作模型；（3）各小組展示制作的模型，并給出書面介紹，便于各小組之間互評；（4）利用課堂或課余時間開展一次展評會，各組選擇合適的方式介紹自己制作的模型，通過小組自評、組間互評、教師評價相結(jié)合的方式評選出優(yōu)秀模型。對獲獎的個人與小組頒發(fā)獎勵，拍攝優(yōu)秀模型的制作過程，并利用校園墻報、廣播、網(wǎng)絡(luò)等方式進(jìn)行宣傳，便于交流，能很好地起到鼓勵本人、激勵他人的作用。

2.開展生物模型建構(gòu)活動的案例分析

如高中生物人教版必修3《生長素的生理作用》一節(jié)教材中指出“生長素在濃度較低時促進(jìn)生長，在濃度過高時則會抑制生長，甚至殺死植物”。學(xué)生在理解生長素生理作用的兩重性時，難度最大的就是如何判斷什么時候是“低濃度”，什么時候是“高濃度”。為了幫助學(xué)生理解這一難點，我們在教學(xué)中引入數(shù)學(xué)模型：生長素濃度對植物生長的影響（如圖1）。由圖可知，b點為生長素的最適濃度，在這一濃度下植物生長速度最快；曲線abc段對植物生長都有促進(jìn)作用，為生長素的適宜濃度。在曲線ab段，生長素的促進(jìn)作用隨著濃度的升高而增大，則ab段生長素濃度為適宜濃度范圍內(nèi)的低濃度。在曲線bc段，生長素的促進(jìn)作用隨著濃度的進(jìn)一步升高而逐漸減弱，則bc段生長素濃度為適宜濃度范圍內(nèi)的較高濃度。c點時生長素濃度對植物生長無影響，既不促進(jìn)，又不抑制。在曲線cd段，生長素完全表現(xiàn)為抑制作用，并且隨著生長素濃度的提高，抑制作用逐漸增強(qiáng)，可見該范圍的生長素濃度為“高濃度”。學(xué)生順理成章地理解了“生長素生理作用的兩重性”這一知識。

圖1

3.防止建模活動幼稚化為“游戲”

例如，必修3中安排的“建立血糖調(diào)節(jié)的模型”，目前看到的教學(xué)設(shè)計和教學(xué)案例，大多數(shù)都把主要精力放在模擬活動上，有些教學(xué)活動還在如何讓學(xué)生扮演胰腺、肝臟更為形象上下了不少工夫（如讓學(xué)生貼上胰腺、肝臟的圖片），模擬吃飯和運(yùn)動后的反應(yīng)過程也不厭其煩，事實上，這個模型建構(gòu)活動模擬過程的關(guān)鍵是：一要體現(xiàn)“激素”卡片作為信息起作用這一本質(zhì)，二要體現(xiàn)反饋和拮抗作用。模擬活動后的討論，以及通過討論繪制圖解式模型應(yīng)該是本活動的重中之重。也就是說，模擬活動旨在通過形象化展示肉眼看不見的過程，但這不是根本目的，在形象化基礎(chǔ)上再高度抽象出這個調(diào)節(jié)過程的本質(zhì)才是關(guān)鍵。缺少形象化之后抽象出調(diào)節(jié)過程的本質(zhì)這一思維過程，往往使這個活動幼稚化為小學(xué)生玩的游戲。

隨著新課程改革不斷深入，模型方法實施對教師提出了更高的要求，要求教師具備運(yùn)用模型方法教育的能力，具有開發(fā)模型的能力，具有應(yīng)用模型方法教學(xué)的能力等。這就需要教師進(jìn)一步提高自身業(yè)務(wù)水平，加強(qiáng)研究，才能更好地運(yùn)用模型建構(gòu)教學(xué)。

參考文獻(xiàn)：

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