模型法在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用

陳燕王磊（安徽省宿州市宿城第一中學(xué)安徽宿州 234000）

模型法在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用

陳燕王磊（安徽省宿州市宿城第一中學(xué)安徽宿州 234000）

文件編號(hào)：1003－7586（2017）01－0028－04

新課標(biāo)提出“要讓學(xué)生領(lǐng)悟生物科學(xué)理論或模型的科學(xué)美”。在現(xiàn)代生物科學(xué)研究中，模型方法被廣泛運(yùn)用。20世紀(jì)30年代，貝塔朗菲在提出機(jī)體系統(tǒng)論概念的同時(shí)，主張用數(shù)學(xué)和模型方法研究生命現(xiàn)象，從此模型方法開始在生物教學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用?！镀胀ǜ咧猩镎n程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))》明確強(qiáng)調(diào):學(xué)生應(yīng)領(lǐng)悟假說演繹、建立模型等科學(xué)方法及其在科學(xué)研究中的應(yīng)用，領(lǐng)悟系統(tǒng)分析、建立數(shù)學(xué)模型等科學(xué)方法及其在科學(xué)研究中的應(yīng)用。同時(shí)，新考試大綱重新對(duì)高考所要考查的能力進(jìn)行了界定，明確了假說演繹、建立模型、系統(tǒng)分析等科學(xué)研究方法在能力要求中的地位。課程標(biāo)準(zhǔn)已將模型納入基礎(chǔ)知識(shí)范疇，并且將模型方法規(guī)定為高中學(xué)習(xí)必須掌握的科學(xué)方法之一，在近年來的生物高考試題的設(shè)計(jì)中也有所體現(xiàn)。下面結(jié)合具體實(shí)例談?wù)勀Ｐ头ㄔ诟咧猩锝虒W(xué)中的應(yīng)用。

1 模型的概念及分類

高中生物《必修1·分子與細(xì)胞》教科書第54頁(yè)對(duì)模型的定義是：“模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對(duì)認(rèn)識(shí)對(duì)象所作的一種簡(jiǎn)化的描述，這種描述可以是定性的，也可以是定量的；有的借助具體的實(shí)物或其他形象化的手段，有的則通過抽象的形式來表達(dá)”。模型可分為物理模型、概念模型和數(shù)學(xué)模型。

2 建模對(duì)學(xué)生的作用

建模是一種創(chuàng)造性活動(dòng)，學(xué)生要經(jīng)過不斷的分析、修正、創(chuàng)新才能得到。這符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，有助于不同層次學(xué)生個(gè)性的發(fā)展和潛能的開發(fā)。模型教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生獲取知識(shí)、分析和解決實(shí)際問題的能力，還有助于學(xué)生形成創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)。在模型建構(gòu)活動(dòng)中，學(xué)生需要進(jìn)行觀察實(shí)驗(yàn)，歸納和演繹，運(yùn)用已有知識(shí)進(jìn)行假設(shè)、模擬，將復(fù)雜的事物進(jìn)行簡(jiǎn)化、抽象出其本質(zhì)屬性，需要將頭腦中抽象的概念具體化、形象化，并身體力行。學(xué)生通過親身參與，可以體會(huì)到模型建構(gòu)的方法，才能將模型方法內(nèi)化為認(rèn)知圖式，獲得認(rèn)知水平上的提升。

3 物理模型

物理模型是指以實(shí)物或圖畫形式直觀的表達(dá)認(rèn)識(shí)對(duì)象特征的模型。物理模型既包括靜態(tài)的結(jié)構(gòu)模型，如真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型、細(xì)胞膜的流動(dòng)鑲嵌模型等；又包括動(dòng)態(tài)的過程模型，如教材中學(xué)生動(dòng)手構(gòu)建的減數(shù)分裂中染色體變化的模型、血糖調(diào)節(jié)的模型等。

3.1 新課標(biāo)教材（人教版）有關(guān)物理模型建構(gòu)的內(nèi)容（表1）

表1 新課標(biāo)教材（人教版）4個(gè)模型建構(gòu)的內(nèi)容

另外，在教材中雖然沒有明確說明是模型建構(gòu)，但卻需要運(yùn)用模型方法解決問題的內(nèi)容其實(shí)還有很多。例如，“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊中第五章第四節(jié)安排的制作活動(dòng)建議“設(shè)計(jì)并制作生態(tài)缸，觀察其穩(wěn)定性”，就是要求學(xué)生制作活體物理模型的探究活動(dòng)，并運(yùn)用這個(gè)模型進(jìn)行對(duì)生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行的模擬實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)例分析：模擬減數(shù)分裂過程中染色體的變化

實(shí)驗(yàn)材料：不同顏色橡皮泥、剪刀、白紙、中性碳素筆。

教師可先讓學(xué)生自學(xué)看書模擬減數(shù)分裂過程制作模型后，再進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。若學(xué)生接受能力較弱，教師則采用先講后做，以達(dá)到進(jìn)一步理解和鞏固的目的。

活動(dòng)一：每4名學(xué)生為1個(gè)學(xué)習(xí)小組，分別制作有絲分裂的間、前、中、后、末、子細(xì)胞圖。

活動(dòng)二：仍以小組為單位，分別制作減數(shù)第一次分裂的前、中、后、次級(jí)精母細(xì)胞、第二次分裂的前、中、后、子細(xì)胞圖。

要求：以2對(duì)同源染色體為例，同源染色體的大小應(yīng)相同，2種不同顏色代表其來源；姐妹染色單體中間用綠色橡皮泥相連。制作完畢后按照先后順序粘貼在一張大的紙板上。

師生共同對(duì)學(xué)生的模型進(jìn)行修改、分析和評(píng)價(jià)。教師展示學(xué)生制作的模型，請(qǐng)其他學(xué)生比較、分析圖解，找出減數(shù)分裂過程中染色體和DNA數(shù)目變化的規(guī)律。這樣使學(xué)生由物理模型總結(jié)出概念，再上升為抽象的數(shù)學(xué)模型，完成對(duì)減數(shù)分裂本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

4 概念模型

概念模型是指以文字表達(dá)來抽象概括出事物本身特征的模型,如達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說的解釋模型等。

4.1 繪制概念模型的方法

概念模型主要以概念圖的形式呈現(xiàn),概念圖是組織和表征知識(shí)的工具，包括眾多的概念,以及概念或命題之間關(guān)系。首先，教師確定主題，并圍繞主題寫出關(guān)鍵概念和概念等級(jí)；然后，將主題概念放在頂端或中央，向下或四周按概念等級(jí)一層一層輻射開來，并用線條把概念連接起來，用連接詞語(yǔ)注明連線，說明兩個(gè)概念之間的關(guān)系；最后，尋找概念圖不同部分概念之間的聯(lián)結(jié)，并標(biāo)明連接線。概念模型也可用電腦制作，便于以后不斷地補(bǔ)充完善。

4.2 在新課教學(xué)中使用概念圖

講授完新課，教師引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建概念圖，幫助學(xué)生抓住主干知識(shí)，發(fā)現(xiàn)各個(gè)知識(shí)之間的關(guān)系,使零碎知識(shí)網(wǎng)絡(luò)化、立體化，使原來理解不清的知識(shí)清晰化，零散的知識(shí)系統(tǒng)化，機(jī)械的記憶靈活化。如學(xué)習(xí)了“通過激素的調(diào)節(jié)”這一節(jié)內(nèi)容后，可讓學(xué)生嘗試構(gòu)建圖1所示概念圖。

圖1 甲狀腺激素分泌的分級(jí)調(diào)節(jié)示意圖

教師在新授課中正確使用概念圖，可有效降低學(xué)生認(rèn)知負(fù)擔(dān)和心理焦慮，提高教與學(xué)的效率。

4.3 在復(fù)習(xí)教學(xué)中的使用概念圖

在復(fù)習(xí)課中，制作概念圖的過程可幫助學(xué)生復(fù)習(xí)、統(tǒng)整和連貫新舊知識(shí)，使學(xué)生建立起良好的知識(shí)結(jié)構(gòu)。每一章內(nèi)容結(jié)束后，在復(fù)習(xí)之前，教師先讓學(xué)生畫出初步的概念圖，邊復(fù)習(xí)邊讓學(xué)生補(bǔ)充完善概念圖，而在總復(fù)習(xí)、專題復(fù)習(xí)中則要整合不同模塊、不同章節(jié)之間的內(nèi)容。最初，教師可讓學(xué)生補(bǔ)充完善概念圖，而后再自行繪制，逐步培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的能力。學(xué)生通過具體的構(gòu)建體驗(yàn)，可以加深對(duì)模型特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，理解模型在反映事物或過程方面的簡(jiǎn)化和直觀性。

例如，在“從雜交育種到基因工程”這一章節(jié)中，講解新概念的內(nèi)涵，突出概念之間的關(guān)系時(shí)，為了優(yōu)化教學(xué)，可聯(lián)系舊知識(shí)，師生共同構(gòu)建概念圖（圖2）。

圖2 從雜交育種到基因工程復(fù)習(xí)概念圖

在教學(xué)中，教師要遵循一個(gè)由簡(jiǎn)到難的過程，從中理出主要概念，引導(dǎo)學(xué)生畫概念圖。

5 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型是指用來描述一個(gè)系統(tǒng)或它的性質(zhì)的數(shù)學(xué)形式,如必修3的“J”種群增長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型Nt= N0λt，種群基因頻率變化的數(shù)學(xué)模型等。

5.1 實(shí)例分析

如必修2中第一章在基因分離和自由組合定律教學(xué)中，以一對(duì)等位基因的遺傳為基礎(chǔ),逐步推導(dǎo)最后抽象出含n對(duì)非等位基因(位于非同源染色體上)的雜合體的遺傳行為和結(jié)果，得出(3:1)n、(1:2:1)n、2n、3n等結(jié)論，構(gòu)建出基因的自由組合規(guī)律的圖表模型。

表2 基因的自由組合規(guī)律

5.2 數(shù)學(xué)模型在生物教學(xué)中的意義

數(shù)學(xué)模型可以把復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單直觀化。當(dāng)教師把復(fù)雜的研究對(duì)象轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)問題，經(jīng)過合理簡(jiǎn)化后，建立一個(gè)能用數(shù)學(xué)方法揭示研究對(duì)象規(guī)律的數(shù)學(xué)關(guān)系式，可以使學(xué)生更透徹地理解科學(xué)知識(shí)。學(xué)生一旦將模型方法內(nèi)化為自己的認(rèn)知圖式,就能獲得認(rèn)知水平的躍進(jìn)。如上述關(guān)于遺傳規(guī)律的計(jì)算，再如酶的活性變化曲線、種群增長(zhǎng)曲線、微生物生長(zhǎng)曲線，還有種群密度計(jì)算公式、組成細(xì)胞的化學(xué)元素餅狀圖、能量金字塔等。在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中，教學(xué)模型可進(jìn)行數(shù)量大的分析處理，從而克服了實(shí)際實(shí)驗(yàn)中只能對(duì)少數(shù)生物進(jìn)行分析的局限,能重復(fù)研究實(shí)驗(yàn)的各種信息、資料，如建立細(xì)菌增殖的數(shù)學(xué)模型。

5.3 數(shù)學(xué)模型在考試中的應(yīng)用

在新課標(biāo)的指導(dǎo)下，高考也越來越重視對(duì)學(xué)生能力的考查，統(tǒng)觀歷年高考題，大部分題中都有涉及到圖表、曲線圖的分析，有時(shí)還要求學(xué)生繪制曲線圖或柱形圖。這就要求學(xué)生在平時(shí)的學(xué)習(xí)中學(xué)會(huì)如何分析、運(yùn)用各種數(shù)學(xué)模型。

在原有模型的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步加深或拓展對(duì)重點(diǎn)問題的認(rèn)識(shí)，教師可以適當(dāng)進(jìn)行典型模型的進(jìn)一步分析和重建，以提高學(xué)生對(duì)相關(guān)模型的認(rèn)知能力。以種群數(shù)量變化曲線為例，圖3即教材上的數(shù)學(xué)模型是反映種群數(shù)量隨時(shí)間的變化特點(diǎn)，在重建模型時(shí)可以考慮將種群數(shù)量改為種群數(shù)量增長(zhǎng)率，就可以分析得出圖4所示的數(shù)學(xué)模型。

圖3 種群數(shù)量變化曲線

圖4 種群增長(zhǎng)率變化曲線

6 新課程標(biāo)準(zhǔn)下的生物模型建構(gòu)教學(xué)反思

模型方法教育有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力，模型的建立要根據(jù)研究的任務(wù)，抽象出被研究對(duì)象的本質(zhì)特征,舍去非本質(zhì)的屬性，把要研究的現(xiàn)象、問題從紛繁復(fù)雜的交錯(cuò)關(guān)系中明確，清晰地顯示出來，使問題得以簡(jiǎn)化和明確化，并制訂出解決問題的程序，從而充分地發(fā)揮思維的能動(dòng)作用，達(dá)到認(rèn)識(shí)原型的目的。模型教學(xué)是一個(gè)不斷發(fā)展、修正與完善的過程?？傊瑹o(wú)論構(gòu)建何種模型，都離不開嚴(yán)密的思維和科學(xué)探究精神、小組的合作與交流，所以培養(yǎng)模型構(gòu)建能力在高中生物教育中是不容忽視的。

在高中生物學(xué)教材中的許多結(jié)構(gòu)模式圖、示意圖、原理過程圖解等插圖都是教學(xué)中的科學(xué)模型，它對(duì)所包含的生物學(xué)知識(shí)具有簡(jiǎn)捷化、直觀化的特點(diǎn)。學(xué)生可以從模型出發(fā)對(duì)原型的未知屬性推測(cè)，發(fā)現(xiàn)問題從而認(rèn)識(shí)事物中所蘊(yùn)含的規(guī)律。通過模型探究教學(xué)，學(xué)生能夠置身于探索科學(xué)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律的活動(dòng)中，在建立模型的過程中，學(xué)會(huì)觀察的方法、實(shí)驗(yàn)的方法、歸納與演繹的方法等,學(xué)生的知識(shí)獲得、積累與能力的發(fā)展始終應(yīng)處于一種良性循環(huán)狀態(tài)?？梢哉f，模型方法的精髓體現(xiàn)在建立模型的探索與發(fā)現(xiàn)之中，不親身經(jīng)歷其中的困惑與發(fā)現(xiàn)，很難領(lǐng)悟模型方法的要素與關(guān)鍵。

在生物課堂中，教師應(yīng)注意把握好引導(dǎo)性和開放性，引導(dǎo)學(xué)生提出問題、分析問題、通過各種途徑尋求答案，在解決問題的思路和科學(xué)方法上加強(qiáng)點(diǎn)撥和引導(dǎo)。這樣，學(xué)生就會(huì)主動(dòng)地去思考探索，順著科學(xué)的思路和方法去感知、去思索，從而形成運(yùn)用模型建構(gòu)方法的能力，在不知不覺中領(lǐng)略科學(xué)知識(shí)的真諦。

［1］中華人民共和國(guó)教育部.普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)稿）［M］.北京：人民教育出版社，2003，4.

［2］劉恩山.中學(xué)生物學(xué)教學(xué)論［M］.北京：高等教育出版社，2003：79-80.

［3］王大平、李新國(guó).概念圖的理論及其在教學(xué)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代教育技術(shù)，2004（5）：46.

［4］施問華.生物模型的分類特點(diǎn)及構(gòu)建方法［J］.中學(xué)生物學(xué)，2007（7）：41.

［5］黃立軍.運(yùn)用模型方法開展生物學(xué)課堂教學(xué)［J］.中學(xué)生物學(xué)，2008（24）：3.