高中生物模型建構論析

摘 要：通過建構生物模型來學習生物學知識，能增強學生的合作探究能力，使之更好地把握和理解生物學的核心概念，提高其對生物學知識的綜合運用能力，并幫助學生理解模型方法的重要作用。文章就如何建構高中生物模型進行論述，幫助高中生提高生物核心素養。

關鍵詞：模型建構；小組合作；概念；基本規律；知識體系；高中生物教學

作者簡介：余帆，湖北省浠水縣實驗高級中學教師。

中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0568（2018）03-0044-03

建構模型是一個科學探究的過程，可以增強學生的合作探究能力，對培養學生的合作能力、創造性，提高生物核心素養十分有益。模型方法是科學家通過觀察、實驗、理論模型和數學模型來構造和檢驗對自然的解釋，用模型來描述生命現象，有助于學生從總體認識生命的原貌，把握生命的本質特征。因此，《普通高中生物課程標準》將模型方法規定為高中生必須掌握的科學方法之一，生物高考大綱也將其列為高考必考內容之一。《美國國家科學教育標準》中要求學生“運用邏輯和證據來構造和修改科學解釋和科學模型”，將建構模型作為科學探究所需要的基本能力。“人教版”高中生物教材選擇的內容也充分體現了這一要求，其中含有豐富的模型建構素材。用好這些素材，恰當發揮模型的作用，可以充分挖掘學生的潛力，有效提高課堂教學效率，培養學生嚴謹的科學態度和科學精神。在開展新課程改革的今天，也可較好地滿足課程的選擇性需要。高中生物學中的模型建構活動與科學研究中的建模不完全一樣，它面向全體學生，倡導探究性學習方式，通過嘗試建構模型，幫助學生掌握或鞏固有關生物學概念，體驗建構模型過程，理解模型和進行模型建構活動是學生理解生物學的一把鑰匙。高中生物教學中常見的生物模型有3種：概念模型、數學模型和物理模型，教師應通過建構這3種生物模型，有效提升學生的學科綜合素養。

一、建構物理模型，直觀表達抽象的生物學概念

物理模型是指客觀實物的相似模型或客觀現實的形象顯示，其狀態變量與原事物基本保持一致，它能夠通過模擬該事物的性質和功能，形象解釋認識對象，可用特殊的符號、圖形和色彩來反映生命現象的發生、發展以及生物的結構、生理和相互聯系，它濃縮了大量的生物知識信息，是生物知識的重要表達方式。形態結構模型是指描述細胞、組織、器官、生物體的形態結構示意圖、模式圖或部分圖解。教材常見的模型有：動物細胞和植物細胞亞顯微結構、細胞膜、DNA雙螺旋結構、突觸的亞顯微結構；過程模型則是描述生命活動的動態過程或描述生物進化的過程。教材常見的模型有：分泌蛋白的分泌過程、主動運輸、酶的專一性解釋、有氧呼吸過程、光合作用過程、人體細胞與外界環境的物質交換、體液免疫與細胞免疫過程模型、生態系統的能量流動模型。我們以動植物細胞亞顯微結構的建構為例來建構物理模型，具體教學策略如下：

1.回憶基礎性概念：要使學生畫出動植物細胞亞顯微結構圖，能夠說出細胞器的種類、名稱和功能。

2.閱讀課本，讓學生再次熟悉動植物細胞的亞顯微結構，加深理解，明確細胞器之間結構、功能的聯系。

3.建構模型前要首先培養好學科小組長，讓學科小組長能組織學生討論、交流，明晰制作過程。小組長當好小老師，小組成員合作，利用現成的材料（白色橡皮泥、瓊脂、塑料袋、紗布、彈力布、圓形彩泥、乒乓球、蛋殼、大頭針、小球若干、紅豆、各色彩紙供選），分組按照比例制作細胞壁、細胞膜、細胞核、細胞質基質、各種細胞器模型，單個模型做完后完成動植物細胞亞顯微結構模型組裝。組裝后再次進行討論交流、取長補短，教師適時參與指導、完善模型。

學生通過制作動植物細胞亞顯微結構模型，對動植物細胞亞顯微結構有了感性認識，通過小組間的建模、模型展示與釋疑，他們不僅對目標知識掌握得非常透徹，而且還明白了制作動植物細胞模型時，要考慮動植物細胞的區別，要考慮細胞器種類，細胞核、細胞器大小比例，如何體現細胞器之間的協調配合，等等。小組間的相互交流更是從語言表達上進一步加強對知識的理解，建構動植物細胞亞顯微結構模型的過程，是對已知事實的歸納、抽象過程，也是對頭腦中所構想的物理模型進行形象化、具體化的過程。

二、建構數學模型，概括生物學的基本規律

用來表達生命活動規律的符號、計算公式、函數式、曲線圖等數學語言來描述生物學的知識、現象均稱為數學模型。教材中常見的數學模型有：蛋白質的合成分子量和脫水量計算、DNA的結構中堿基數量及比例計算、遺傳病概率計算、遺傳規律的比例計算、減數分裂配子類型計算、基因頻率計算、DNA分子的復制子代DNA數量、標記DNA比例及所需某種脫氧核苷酸比例、種群“J”型增長、能量流動規律等。我們以種群“J”型增長為例建構數學模型，教學策略如下：

第一步：準備模型。搜集資料和信息，找出細菌增殖的數學規律。

第二步：假設模型。假設在資源和空間充足，氣候適宜，沒有天敵，沒有疾病的理想環境下，細菌二分裂增殖，且每20分鐘繁殖一代。此外要強調在理想環境中，細菌種群的增長不會受到種群密度增加的影響。由學生推算在不同時間內一個細菌的繁殖情況，并獨立完成如下表格：

第三步：建構模型。根據所做的假設分析對象的因果關系，利用對象的內在規律和適當的數學工具，構造各個量詞的等式關系。由細菌基本繁殖特點及增殖規律，小組討論、分析，通過歸納法得出細菌是以指數函數的形式進行增長，因此，用數學公式表達為Nn=2n，其中N代表細菌數量，n代表分裂次數，學生討論完成后展示成果，并繪出曲線圖：

第四步：檢驗和修正模型。在理想狀態下建立細菌種群數量增長的數學模型相對比較簡單，而生物學中的大量現象與規律卻極為復雜，存在著許多不確定因素。因此，我們需要通過大量實驗或觀察，對模型進行進一步檢驗和修正，使學生認識到模型的構建是一個不斷發展和完善的過程。

第五步：完善模型。種群在自然界的生活環境和我們假設的情況不同，那么種群增長遵循什么規律呢？PPT投影展示高斯曾經做過的實驗，教師歸納總結，明確理想狀態下是“J”型曲線，而高斯實驗中的增長曲線，我們把它叫做“S”型曲線。

從種群增長數學模型的建構過程，我們不難發現，數學模型建立，基本按照觀察研究對象→提出合理假設→數學表達→檢驗、修正四大步驟進行。也可以看出，我們模型的建構過程就是一個科學探究的過程，“大膽假設，小心求證”的科學思維始終貫穿其中。而這種思維方法一旦內化為學生自己的認知圖式，就一定能實現認知水平的飛躍。

三、建構概念模型，構建生物學知識體系

概念模型是以文字表述來抽象概括出事物的本質特征，對生物學中的中心概念、內涵、外延進行抽象描述。概念模型通常是以概念圖的形式出現，表達概念之間的相互關系，以命題的形式顯示概念間的意義聯系，體現知識的網絡構架。通過概念模型的構建，可以理清生物學概念之間的獨立關系、從屬關系，使分散的生物學概念系統化，有利于對概念知識的理解和運用。實踐證明，將枯燥繁雜的生物學概念、專業術語以概念圖的形式來歸納整理，既形象又直觀，增強了學生的理解能力和記憶能力。教材中常見的概念模型有：蛋白質與酶的關系、內環境穩態的概念、達爾文的自然選擇學說、真核細胞結構的共同特征、光合作用過程中物質和能量的變化，等等，其實每單元后面的概念圖均為概念模型，這里就不多舉例子了。概念模型建構示例如下：建構概念模型要循序漸進，不貪多求全。教學策略如下：

第一步：臨摹建構概念模型。高中生物教材每章自我檢測中均有畫概念圖試題，首先由學生自主完成，學生討論交流，教師引導概念模型構建過程。明晰建構概念，先找出核心概念，放在中央或頂端，將一般概念、次一般概念、具體概念等放在四周或下端，并按概念的等級層層輻射開來。接著，再將兩個概念用線條或箭頭連接起來，并用連接詞語表明兩者的關系，完成概念圖后還需不斷進行修正、完善。

第二步：模仿繪制概念模型。在教學“遺傳信息的攜帶者——核酸”后，以小組合作學習的形式建構核酸、蛋白質的概念模型，并進行展示、交流。通過小組合作交流，學生構建概念模型的能力不斷提高，實現知識、能力、情感態度和價值觀的三維目標。

第三步：自主建構概念模型。每次授課后，讓學生討論、交流找出每一節課的概念，并對概念進行分類，找出概念之間的關系，適當降低概念圖構建的難度。接著，再讓學生獨立找出概念并分好層次，使用合適的連接詞語，自主完成概念圖構建。建構概念模型后，讓學生及時展示、交流、評價，達到相互學習、相互借鑒的目的。

學生通過臨摹、模仿、自主建構概念模型，將自主建立起每一節的知識體系，使原本零散的知識變得系統、有條理、直觀化、深刻化，便于記憶、理解。由此，便有效提高了教師的教學技能和教學效果，也讓教師從教授者轉變為引導者。

總之，生物模型的教育意義需要通過建構來實現，只要在模型建構活動中不斷進行歸納和演繹，進行觀察或實驗，運用已有知識進行假設、模擬，將復雜的事物進行簡化、抽象出其本質屬性，將頭腦中抽象的概念形象化、具體化；通過親身參與這些學習活動，學生在探索思考中才能體會到模型建構的方法，獲得成功的喜悅，才能將模型方法內化為認知圖式，獲得認知水平的提升。以上介紹的3種模型建構策略只是對模型建構規律的簡單總結，而相對完美的生物模型還需要通過不斷“建構—解構—再構”，再檢驗、再修正來得以完善。要使學生具備建構生物模型的能力，我們還需要組織相關的模型建構活動，讓學生真正體驗、真正參與，實現“授之以漁”而不是“授之以魚”。課程標準、教材都已經將模型提升為高中生物學課程的基本內容之一，新高考要求實現學科綜合素養落地，實現國家的育人目標，在生物課堂中，教師更應引導學生沿著科學的思路和方法去感知、去思索，形成運用模型建構解決問題的能力，領略科學知識的真諦，幫助每個學生提高生物核心素養，也提高了教師的綜合素質。

參考文獻：

[1] 朱正威，趙占良.普通高中課程標準實驗教科書生物3穩態與環境教師用書[M].2007.

[2] （美）國家研究理事會.美國國家科學教育標準[M].戢守志，譯.北京：科學技術文獻出版社，1999：128-215.

[3] 邢紅軍.論科學教育中的模型方法教育[J].教育研究，1997，（7）53-56.

[4] 安淑榮.探究式教學的模型建構實踐——高中生物“DNA分子的結構”教學案例[J].中學生物學，2010，（6）：42-43.

[5] 于梅.在新課標實施中切實加強模型方法的教育[J].中學生物教學，2007，（3）.

[6] 景曉燕.高中生生物科學素養有效提升策略的研究[J].教育界，2010，（15）.

（編輯：朱澤玲）