高中生物模型建構(gòu)論析

摘 要：通過建構(gòu)生物模型來學(xué)習(xí)生物學(xué)知識，能增強(qiáng)學(xué)生的合作探究能力，使之更好地把握和理解生物學(xué)的核心概念，提高其對生物學(xué)知識的綜合運(yùn)用能力，并幫助學(xué)生理解模型方法的重要作用。文章就如何建構(gòu)高中生物模型進(jìn)行論述，幫助高中生提高生物核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：模型建構(gòu)；小組合作；概念；基本規(guī)律；知識體系；高中生物教學(xué)

作者簡介：余帆，湖北省浠水縣實(shí)驗(yàn)高級中學(xué)教師。

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

建構(gòu)模型是一個科學(xué)探究的過程，可以增強(qiáng)學(xué)生的合作探究能力，對培養(yǎng)學(xué)生的合作能力、創(chuàng)造性，提高生物核心素養(yǎng)十分有益。模型方法是科學(xué)家通過觀察、實(shí)驗(yàn)、理論模型和數(shù)學(xué)模型來構(gòu)造和檢驗(yàn)對自然的解釋，用模型來描述生命現(xiàn)象，有助于學(xué)生從總體認(rèn)識生命的原貌，把握生命的本質(zhì)特征。因此，《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》將模型方法規(guī)定為高中生必須掌握的科學(xué)方法之一，生物高考大綱也將其列為高考必考內(nèi)容之一。《美國國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中要求學(xué)生“運(yùn)用邏輯和證據(jù)來構(gòu)造和修改科學(xué)解釋和科學(xué)模型”，將建構(gòu)模型作為科學(xué)探究所需要的基本能力?！叭私贪妗备咧猩锝滩倪x擇的內(nèi)容也充分體現(xiàn)了這一要求，其中含有豐富的模型建構(gòu)素材。用好這些素材，恰當(dāng)發(fā)揮模型的作用，可以充分挖掘?qū)W生的潛力，有效提高課堂教學(xué)效率，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)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(xué)中的模型建構(gòu)活動與科學(xué)研究中的建模不完全一樣，它面向全體學(xué)生，倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)方式，通過嘗試建構(gòu)模型，幫助學(xué)生掌握或鞏固有關(guān)生物學(xué)概念，體驗(yàn)建構(gòu)模型過程，理解模型和進(jìn)行模型建構(gòu)活動是學(xué)生理解生物學(xué)的一把鑰匙。高中生物教學(xué)中常見的生物模型有3種：概念模型、數(shù)學(xué)模型和物理模型，教師應(yīng)通過建構(gòu)這3種生物模型，有效提升學(xué)生的學(xué)科綜合素養(yǎng)。

一、建構(gòu)物理模型，直觀表達(dá)抽象的生物學(xué)概念

物理模型是指客觀實(shí)物的相似模型或客觀現(xiàn)實(shí)的形象顯示，其狀態(tài)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(zhì)和功能，形象解釋認(rèn)識對象，可用特殊的符號、圖形和色彩來反映生命現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展以及生物的結(jié)構(gòu)、生理和相互聯(lián)系，它濃縮了大量的生物知識信息，是生物知識的重要表達(dá)方式。形態(tài)結(jié)構(gòu)模型是指描述細(xì)胞、組織、器官、生物體的形態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖、模式圖或部分圖解。教材常見的模型有：動物細(xì)胞和植物細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)、細(xì)胞膜、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)、突觸的亞顯微結(jié)構(gòu)；過程模型則是描述生命活動的動態(tài)過程或描述生物進(jìn)化的過程。教材常見的模型有：分泌蛋白的分泌過程、主動運(yùn)輸、酶的專一性解釋、有氧呼吸過程、光合作用過程、人體細(xì)胞與外界環(huán)境的物質(zhì)交換、體液免疫與細(xì)胞免疫過程模型、生態(tài)系統(tǒng)的能量流動模型。我們以動植物細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)的建構(gòu)為例來建構(gòu)物理模型，具體教學(xué)策略如下：

1.回憶基礎(chǔ)性概念：要使學(xué)生畫出動植物細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)圖，能夠說出細(xì)胞器的種類、名稱和功能。

2.閱讀課本，讓學(xué)生再次熟悉動植物細(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)，加深理解，明確細(xì)胞器之間結(jié)構(gòu)、功能的聯(lián)系。

3.建構(gòu)模型前要首先培養(yǎng)好學(xué)科小組長，讓學(xué)科小組長能組織學(xué)生討論、交流，明晰制作過程。小組長當(dāng)好小老師，小組成員合作，利用現(xiàn)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(xì)胞壁、細(xì)胞膜、細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)、各種細(xì)胞器模型，單個模型做完后完成動植物細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)模型組裝。組裝后再次進(jìn)行討論交流、取長補(bǔ)短，教師適時參與指導(dǎo)、完善模型。

學(xué)生通過制作動植物細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)模型，對動植物細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)有了感性認(rèn)識，通過小組間的建模、模型展示與釋疑，他們不僅對目標(biāo)知識掌握得非常透徹，而且還明白了制作動植物細(xì)胞模型時，要考慮動植物細(xì)胞的區(qū)別，要考慮細(xì)胞器種類，細(xì)胞核、細(xì)胞器大小比例，如何體現(xiàn)細(xì)胞器之間的協(xié)調(diào)配合，等等。小組間的相互交流更是從語言表達(dá)上進(jìn)一步加強(qiáng)對知識的理解，建構(gòu)動植物細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)模型的過程，是對已知事實(shí)的歸納、抽象過程，也是對頭腦中所構(gòu)想的物理模型進(jìn)行形象化、具體化的過程。

二、建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，概括生物學(xué)的基本規(guī)律

用來表達(dá)生命活動規(guī)律的符號、計算公式、函數(shù)式、曲線圖等數(shù)學(xué)語言來描述生物學(xué)的知識、現(xiàn)象均稱為數(shù)學(xué)模型。教材中常見的數(shù)學(xué)模型有：蛋白質(zhì)的合成分子量和脫水量計算、DNA的結(jié)構(gòu)中堿基數(shù)量及比例計算、遺傳病概率計算、遺傳規(guī)律的比例計算、減數(shù)分裂配子類型計算、基因頻率計算、DNA分子的復(fù)制子代DNA數(shù)量、標(biāo)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(guī)律等。我們以種群“J”型增長為例建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，教學(xué)策略如下：

第一步：準(zhǔn)備模型。搜集資料和信息，找出細(xì)菌增殖的數(shù)學(xué)規(guī)律。

第二步：假設(shè)模型。假設(shè)在資源和空間充足，氣候適宜，沒有天敵，沒有疾病的理想環(huán)境下，細(xì)菌二分裂增殖，且每20分鐘繁殖一代。此外要強(qiáng)調(diào)在理想環(huán)境中，細(xì)菌種群的增長不會受到種群密度增加的影響。由學(xué)生推算在不同時間內(nèi)一個細(xì)菌的繁殖情況，并獨(dú)立完成如下表格：

第三步：建構(gòu)模型。根據(jù)所做的假設(shè)分析對象的因果關(guān)系，利用對象的內(nèi)在規(guī)律和適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具，構(gòu)造各個量詞的等式關(guān)系。由細(xì)菌基本繁殖特點(diǎn)及增殖規(guī)律，小組討論、分析，通過歸納法得出細(xì)菌是以指數(shù)函數(shù)的形式進(jìn)行增長，因此，用數(shù)學(xué)公式表達(dá)為Nn=2n，其中N代表細(xì)菌數(shù)量，n代表分裂次數(shù)，學(xué)生討論完成后展示成果，并繪出曲線圖：

第四步：檢驗(yàn)和修正模型。在理想狀態(tài)下建立細(xì)菌種群數(shù)量增長的數(shù)學(xué)模型相對比較簡單，而生物學(xué)中的大量現(xiàn)象與規(guī)律卻極為復(fù)雜，存在著許多不確定因素。因此，我們需要通過大量實(shí)驗(yàn)或觀察，對模型進(jìn)行進(jìn)一步檢驗(yàn)和修正，使學(xué)生認(rèn)識到模型的構(gòu)建是一個不斷發(fā)展和完善的過程。

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

從種群增長數(shù)學(xué)模型的建構(gòu)過程，我們不難發(fā)現(xiàn)，數(shù)學(xué)模型建立，基本按照觀察研究對象→提出合理假設(shè)→數(shù)學(xué)表達(dá)→檢驗(yàn)、修正四大步驟進(jìn)行。也可以看出，我們模型的建構(gòu)過程就是一個科學(xué)探究的過程，“大膽假設(shè)，小心求證”的科學(xué)思維始終貫穿其中。而這種思維方法一旦內(nèi)化為學(xué)生自己的認(rèn)知圖式，就一定能實(shí)現(xiàn)認(rèn)知水平的飛躍。

三、建構(gòu)概念模型，構(gòu)建生物學(xué)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(zhì)特征，對生物學(xué)中的中心概念、內(nèi)涵、外延進(jìn)行抽象描述。概念模型通常是以概念圖的形式出現(xiàn)，表達(dá)概念之間的相互關(guān)系，以命題的形式顯示概念間的意義聯(lián)系，體現(xiàn)知識的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。通過概念模型的構(gòu)建，可以理清生物學(xué)概念之間的獨(dú)立關(guān)系、從屬關(guān)系，使分散的生物學(xué)概念系統(tǒng)化，有利于對概念知識的理解和運(yùn)用。實(shí)踐證明，將枯燥繁雜的生物學(xué)概念、專業(yè)術(shù)語以概念圖的形式來歸納整理，既形象又直觀，增強(qiáng)了學(xué)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(zhì)與酶的關(guān)系、內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的概念、達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說、真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)的共同特征、光合作用過程中物質(zhì)和能量的變化，等等，其實(shí)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(gòu)示例如下：建構(gòu)概念模型要循序漸進(jìn)，不貪多求全。教學(xué)策略如下：

第一步：臨摹建構(gòu)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(xué)生自主完成，學(xué)生討論交流，教師引導(dǎo)概念模型構(gòu)建過程。明晰建構(gòu)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(guān)系，完成概念圖后還需不斷進(jìn)行修正、完善。

第二步：模仿繪制概念模型。在教學(xué)“遺傳信息的攜帶者——核酸”后，以小組合作學(xué)習(xí)的形式建構(gòu)核酸、蛋白質(zhì)的概念模型，并進(jìn)行展示、交流。通過小組合作交流，學(xué)生構(gòu)建概念模型的能力不斷提高，實(shí)現(xiàn)知識、能力、情感態(tài)度和價值觀的三維目標(biāo)。

第三步：自主建構(gòu)概念模型。每次授課后，讓學(xué)生討論、交流找出每一節(jié)課的概念，并對概念進(jìn)行分類，找出概念之間的關(guān)系，適當(dāng)降低概念圖構(gòu)建的難度。接著，再讓學(xué)生獨(dú)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(gòu)建。建構(gòu)概念模型后，讓學(xué)生及時展示、交流、評價，達(dá)到相互學(xué)習(xí)、相互借鑒的目的。

學(xué)生通過臨摹、模仿、自主建構(gòu)概念模型，將自主建立起每一節(jié)的知識體系，使原本零散的知識變得系統(tǒng)、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(xué)技能和教學(xué)效果，也讓教師從教授者轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)者。

總之，生物模型的教育意義需要通過建構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，只要在模型建構(gòu)活動中不斷進(jìn)行歸納和演繹，進(jìn)行觀察或?qū)嶒?yàn)，運(yùn)用已有知識進(jìn)行假設(shè)、模擬，將復(fù)雜的事物進(jìn)行簡化、抽象出其本質(zhì)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(xué)習(xí)活動，學(xué)生在探索思考中才能體會到模型建構(gòu)的方法，獲得成功的喜悅，才能將模型方法內(nèi)化為認(rèn)知圖式，獲得認(rèn)知水平的提升。以上介紹的3種模型建構(gòu)策略只是對模型建構(gòu)規(guī)律的簡單總結(jié)，而相對完美的生物模型還需要通過不斷“建構(gòu)—解構(gòu)—再構(gòu)”，再檢驗(yàn)、再修正來得以完善。要使學(xué)生具備建構(gòu)生物模型的能力，我們還需要組織相關(guān)的模型建構(gòu)活動，讓學(xué)生真正體驗(yàn)、真正參與，實(shí)現(xiàn)“授之以漁”而不是“授之以魚”。課程標(biāo)準(zhǔn)、教材都已經(jīng)將模型提升為高中生物學(xué)課程的基本內(nèi)容之一，新高考要求實(shí)現(xiàn)學(xué)科綜合素養(yǎng)落地，實(shí)現(xiàn)國家的育人目標(biāo)，在生物課堂中，教師更應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生沿著科學(xué)的思路和方法去感知、去思索，形成運(yùn)用模型建構(gòu)解決問題的能力，領(lǐng)略科學(xué)知識的真諦，幫助每個學(xué)生提高生物核心素養(yǎng)，也提高了教師的綜合素質(zhì)。

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（編輯：朱澤玲）