數(shù)學(xué)模型建構(gòu)在高中生物課堂教學(xué)中的創(chuàng)新嘗試

李博

摘要 以“基因?qū)π誀畹目刂啤苯虒W(xué)為例，闡明圍繞教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行合理選擇和有效運用教學(xué)素材的重要性，既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)發(fā)生以探究為特點的主動學(xué)習(xí)，又能促進(jìn)學(xué)生對知識本質(zhì)的理解，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，落實學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 教學(xué)目標(biāo) 教學(xué)素材 生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

中圖分類號C633.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

1 問題的提出

“光合作用原理的應(yīng)用”是人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書《必修1·分子與細(xì)胞》第五章第四節(jié)最后一課時內(nèi)容。本節(jié)課介紹的知識點很少，特別是光合作用強(qiáng)度與環(huán)境因素之間的變化關(guān)系并沒有直接給出，而是要求通過探究實驗“環(huán)境因素對光合作用強(qiáng)度的影響”獲得。由于探究實驗在中學(xué)有限的課堂難以實施，而光合作用強(qiáng)度與環(huán)境因素之間的變化規(guī)律又是學(xué)生領(lǐng)悟光合作用原理、應(yīng)用理論解決生產(chǎn)實際問題的基本前提，所以光合作用強(qiáng)度與環(huán)境因素之間的變化關(guān)系既是本節(jié)重點內(nèi)容，又是難點內(nèi)容。為了突出重點、突破難點，筆者嘗試在本節(jié)課堂教學(xué)中引入了數(shù)學(xué)模型構(gòu)建這一重要的研究方法，以期幫助學(xué)生更好地掌握知識，同時使學(xué)生在體驗、運用科學(xué)研究方法的過程中，訓(xùn)練科學(xué)思維，培養(yǎng)運用學(xué)科知識解決現(xiàn)實問題的意識與習(xí)慣，最終達(dá)成生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)。

2創(chuàng)新實踐過程

2.1課程導(dǎo)入

教師展示幾張光合作用原理在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用實例的圖片，并闡述：研究光合作用的重要價值在于利用光合作用的原理，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，為人類生產(chǎn)生活服務(wù)。這些圖片都是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用光合作用原理來增加產(chǎn)量或效益的實例。這節(jié)課主要來討論這個問題。

2.2 目標(biāo)達(dá)成

2.2.1 構(gòu)建模型的必要性

教師：環(huán)境因素對光合作用強(qiáng)度變化有怎樣的影響，是控制這些環(huán)境因素增加產(chǎn)量所要首要明確的關(guān)鍵問題。需要對影響光合作用的因素（光照、溫度、二氧化碳等）與光合作用強(qiáng)度變化之間的關(guān)系進(jìn)行定性或定量的表述，即建立兩者之間的數(shù)學(xué)形式，這也就涉及到生物學(xué)上常用的一種研究方法——數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建。

2.2.2體驗數(shù)學(xué)模型構(gòu)建過程

教師提供材料，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建數(shù)學(xué)模型：生物興趣小組學(xué)生利用圖1裝置，在充足的C02和適當(dāng)?shù)臏囟葪l件下，對番茄光合作用強(qiáng)度和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行探究。

（1）番茄是人們?nèi)粘Ｏ矚g的蔬菜之一，營養(yǎng)價值高，需求量大，番茄的光合作用強(qiáng)度隨光照強(qiáng)度如何變化？什么樣的光照強(qiáng)度最有利于提高番茄產(chǎn)量？（模型方法步驟一：觀察對象，提出問題）

（2）在充足的C02和適當(dāng)?shù)臏囟葪l件下，不考慮其他因素對實驗影響的前提下進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)的測定。（方法步驟二：提出合理的假設(shè)）

（3）經(jīng)過實驗的觀察和統(tǒng)計及數(shù)據(jù)相應(yīng)處理，得到實驗結(jié)果表。（實驗小組學(xué)生得到實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表的過程，實際上就是試圖運用這樣一個數(shù)學(xué)形式對光照強(qiáng)度與光合作用強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行一個表達(dá)，這就屬于數(shù)學(xué)模型建立方法的第三步：構(gòu)建數(shù)學(xué)表達(dá)）

（4）小組在導(dǎo)學(xué)案上繪出光照強(qiáng)度與該植物葉片光合作用強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖。實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表以及由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化而來的曲線圖都屬于數(shù)學(xué)模型的表現(xiàn)形式。而曲線圖是更直觀的一種數(shù)學(xué)模型表現(xiàn)形式。從曲線圖可以直接看出光照強(qiáng)度與光合作用強(qiáng)度之間的一些關(guān)系。教師要引導(dǎo)學(xué)生共同分析光補(bǔ)償點、光飽和點以及光合作用強(qiáng)度隨光照強(qiáng)度的變化規(guī)律，并討論從光照強(qiáng)度角度考慮，可以采取哪些具體措施來提高農(nóng)作物產(chǎn)量。

（5）曲線圖直觀形象地反映了光合作用強(qiáng)度隨著光照強(qiáng)度的變化規(guī)律。教師提出問題：是不是現(xiàn)在就可以直接應(yīng)用于生產(chǎn)實踐了？當(dāng)然不是，在適宜濃度的C02和適當(dāng)?shù)臏囟葪l件下，不考慮其他因素對光合作用強(qiáng)度影響的前提下（理想狀態(tài)），這種數(shù)學(xué)模型往往是比較簡單的，然而在實際條件下存在著許多不確定的因素和例外情況，所以還需要通過大量的實驗或觀察，對模型進(jìn)行檢驗和修正。（方法步驟四：檢驗和修正）

2.2.3 嘗試數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建

教師引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建番茄在一晝夜中光合作用強(qiáng)度變化的數(shù)學(xué)曲線模型。教師可以適當(dāng)提示：該曲線圖的橫坐標(biāo)為一晝夜不同時刻?；顒油瓿珊?，教師對學(xué)生結(jié)果進(jìn)行分析、評價、修正及小結(jié)，同時引導(dǎo)學(xué)生分析約12h光合作用強(qiáng)度較低的原因，約14h以后光合作用強(qiáng)度下降的主要外因等常識性問題。

2.3課外拓展

教師提出問題：聯(lián)系已有知識和生活體驗，試預(yù)測溫度、二氧化碳濃度變化與光合作用強(qiáng)度之間的數(shù)學(xué)模型會是怎樣一種情況呢？搜集資料，證實你的猜測。

3創(chuàng)新實踐的反思

首先，模型方法是人們認(rèn)識自然界的一種重要方式，也是理論思維發(fā)展的重要形式。無論在生物科學(xué)研究還是在學(xué)習(xí)科學(xué)的過程中，模型和模型方法都起著十分重要的作用。所以本節(jié)課通過分析教師課前準(zhǔn)備好的導(dǎo)學(xué)資料“生物興趣小組同學(xué)所做的探究”，學(xué)生在形象直觀的實例中體會到了數(shù)學(xué)模型構(gòu)建的基本步驟及要點。這種運用實驗實例教學(xué)的方式既可以使抽象的理論具體化、形象化，又是在中學(xué)課堂條件有限情況下，定性定量研究某些變量之間關(guān)系的一種方法上的創(chuàng)新。

其次，通過兩項小組探究活動——構(gòu)建光照強(qiáng)度與該植物葉片光合作用強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖與構(gòu)建番茄在一晝夜中光合作用強(qiáng)度變化的數(shù)學(xué)曲線模型，學(xué)生嘗試了數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建或者不同表現(xiàn)形式之間的轉(zhuǎn)換，初步掌握了一種重要的數(shù)學(xué)研究方法，體驗到了成功的喜悅，提升了小組合作、語言交流、歸納總結(jié)等綜合能力。同時，通過分析數(shù)學(xué)模型中變量之間的變化，學(xué)生掌握了光照等因素與光合作用強(qiáng)度之間的關(guān)系，認(rèn)同了科學(xué)的研究方法（數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建）對于解決重要的生物學(xué)問題具有重要意義，培養(yǎng)了運用學(xué)科知識解決現(xiàn)實問題的意識與習(xí)慣，基本達(dá)成了學(xué)科核心素養(yǎng)教學(xué)目標(biāo)。

最后，教師通過課外拓展，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生積極實踐課堂之外的探究性學(xué)習(xí)，既可以激發(fā)學(xué)生求知欲望，擴(kuò)大其知識面，提高學(xué)生綜合素養(yǎng)，又有助于學(xué)生養(yǎng)成終生學(xué)習(xí)、理論聯(lián)系實際的良好習(xí)慣。

總的來說，模型方法在本節(jié)課堂中的創(chuàng)新應(yīng)用，內(nèi)容充實，方法靈活，學(xué)生參與性強(qiáng)，符合新課標(biāo)理念，是一種成功的創(chuàng)新嘗試。

參考文獻(xiàn)：

[1]章丹華.建構(gòu)模型，促有效教學(xué)[J].考試周刊，2016，（53）：134-135.

[2]朱正威，趙占良.必修I·分子與細(xì)胞[M].北京：人民教育出版社，2007：104-105.