新課程背景下學生建模能力的培養

摘 要《高中生物課程標準(實驗)》中，首次在基礎知識目標中提到“模型”一詞，同時提出要培養學生的建模思維和建模能力。如何落實新課程標準中建模能力的培養，可以從3個方面落實新課程標準的要求。

關鍵詞 建模能力 新課程 生物模型

《高中生物課程標準(實驗)》中指出：“了解建立模型等科學方法及其在科學研究中的作用，培養學生的建模思維和建模能力，領悟、建立數學模型等科學方法及其在科學研究中的應用，培養學生的建模思維和建模能力，獲得生物學的基本事實、概念、原理、規律和模型等方面的基礎知識。”可見，建模思維和建模能力在標準中被提到較高的高度，被認為是將來學生從事科學研究的必備能力。如何落實新課程標準中建模能力的培養。筆者查閱了近幾年的有關文獻資料，結合自己的教學實踐，認為應從以下幾個方面著手：教師首先要了解模型的類型，并要領悟模型的教育價值，然后通過課堂教學和實驗等途徑培養學生的建模能力。

1．生物模型的種類

所謂“模型”指模擬原型(所要研究的系統的結構形態或運動形態)的形式，它不再包括原型的全部特征，但能描述原型的本質特征，一般可分為物理模型和數學模型兩大類。

1.1物理模型

物理模型又包括物質模型和思想模型兩類。

1.1.1物質模型

高中生物課程中涉及的物質模型包括模式標本和模擬模型。有些對象不可能或不易看到它的實物，如珍稀鳥類、魚類等，通過模式標本，可以間接地看到它們。

有些生物體太小，不能迅速看清它們的結構，如植物根尖結構、葉片結構等，模擬模型則把它們放大很多倍，而且能把其中要研究的各部位明確地表示出來。有的因實物的空間層次復雜，通過模擬模型可以把它的不同結構組合起來，形成立體結構，還可以從整體中了解局部。如人體的構造和機能模型，在一個人體模型內把各器官系統按自然位置組合到里邊，用不同深淺的顏色把各系統區分開。這樣不僅可以觀察到各器官系統的形態結構和功能，還可以動手進行裝卸，對學習起到很大的幫助作用。

1.1.2思想模型

思想模型是物質模型在思維中的引申，它包括兩類：一類是以形象化方法構建的模型，如DNA雙螺旋結構模型。生物膜液態鑲嵌模型，它是對生物原型進行簡化和純化，進而構思出來的模型，具有一定的形態結構特征，能簡略描述研究成果，使研究對象更直觀，便于理解。

另一類是以抽象方法構建的模型，如呼吸作用圖解、光合作用圖解、有絲分裂和減數分裂過程、興奮在細胞間的傳遞、蛋白質合成過程的圖解、雜交過程圖解等。它是在一定條件下對具體運動過程進行抽象而形成的理想化過程。

1.2數學模型

借助數學思想、數學工具和數學方法，構造函數曲線圖，或用概率論和統計方法描述和研究隨機現象，稱為數學模型。它可以反映生物之間、生物與環境之間或某一生理過程中某種物質量的變化，具有解釋判斷和預測等功能，如理想環境中的種群增長模型，種群在有限環境中的增長模型。利用“種群數量增長的模型”，可以判斷、預測“外來物種入侵對本地物種的影響”。一個新的物種進入新的環境中，由于空間和食物資源的充裕，可以把它認為是一個理想的環境，外來物種在一定時間內呈“J”型增長曲線，占據了本地物種生存所用的空間和食物，對本地物種會帶來毀滅性的災難。

又如對基因的分離和隨機結合問題的理解，本來是一個數學上的概率問題，通過完成“性狀分離比的模擬實驗”，基因分離規律這一遺傳學定律更容易被接受，理解起來也更直觀。

2．建模能力的培養

建模能力是在建模思想的指導下，綜合建立模型，進行知識或技術創新所必需的知識、理論和技能，最終達到建立模型，完成創新過程的能力。在進行高中生物教學時，教師可通過模擬實驗和構建模型、利用模型方法教學、運用模型方法解決問題等方面培養學生的建模能力。

2.1通過模擬實驗和構建模型培養學生建模思維

在高中生物教學過程中，教師應充分利用模擬實驗和構建模型的內容培養學生的建模思維。

例如，在“制作DNA雙螺旋結構模型”這一實驗中，教材中介紹的實驗材料是硬塑方框、粗鐵絲和細鐵絲，此外，用球形塑料片代表磷酸，用雙層五邊形塑料片代表脫氧核糖，用4種不同顏色的長方形塑料片代表4種不同的堿基。利用課本材料制作DNA分子結構模型的實驗，教師還可以讓學生自己選擇材料制作模型，通過交流討論，最后展示自己的作品。通過自己動手構建模型，不僅可以加深對DNA分子的化學組成、化學結構和空間結構的認識和理解，同時可以粗略地領悟到建立DNA分子雙螺旋結構模型理論、原則和方法等方面的知識。

再如：“細胞大小與物質運輸的關系”這一模擬實驗，在學生實驗之前先介紹模擬實驗的一些要素和原型，經過實驗后學生懂得細胞比較小時，表面積與體積的比值大，吸收物質充分。通過模擬實驗的教學使學生懂得了建立模型的基本方法，培養學生的建模思維。

2.2利用課堂教學，學會建立生物模型方法

例如“細胞增殖”教學過程中，學生學習了植物細胞有絲分裂動態模型后，可利用多媒體出示動植物細胞亞顯微結構的模型，回憶它們結構上的差異。然后引導學生根據植物細胞有絲分裂過程模型推測出動物細胞有絲分裂過程模型。在細胞分裂過程中染色體和DNA都發生了規律性的變化，要求學生用坐標曲線圖表示出染色體和DNA的數學變化，建立有絲分裂過程的數學模型。教師利用生物模型方法進行教學，讓學生置身于探索科學現象、發現科學規律的活動中，在建立模型的過程中，學會觀察的方法、歸納與演繹的方法，提高了建模能力。

2.3在問題解決中提高建模能力

在生物學問題解決中，人們經常使用模型，通過構建模型，然后根據模型進行推導、計算并做出預測。如學習了滲透作用原理后，要求學生設計1個模型，來鑒別2種蔗糖溶液的濃度，并貼上標簽(已知2種溶液質量分數為30％和10％，由于未貼標簽而混淆不清)。有的學生設計了這樣的模型：將一種蔗糖溶液加入燒杯中，另一種加入透析袋中并在透析袋中插入刻度玻璃管，根據刻度玻璃管液面高度的變化判斷蔗糖溶液的濃度。也有的學生設計了不同的模型：他們將等量蔗糖溶液分別裝入2個透析袋中，透析袋中都插入刻度玻璃管，然后把這兩個透析袋放入清水中，再根據兩刻度玻璃管液面上升的高度來判斷蔗糖溶液的濃度。利用滲透作用原理建立模型，不僅讓學生鞏固應用所學的知識，而且提高了建模能力。

遺傳學中的雜交過程圖解是理想化的過程模型，“表現型”相當于生物體某性狀的模式標本，而“基因型”的實質是“基因組成模型”，它用英文字母來表示生物體中與所研究問題有關的基因組成。因此可利用模型方法解決與育種有關的一些問題。在解決這類問題時，教師可先引導學生構建親本基因組合模型，然后推導雜交過程，最后做出預測。通過問題解決，加深了對模型的理解和應用。

3．生物模型的教育價值

3.1有利于培養學生的思維品質

模型是學生學習科學知識的重要手段，掌握了模型方法不僅能更透徹地理解科學知識，還能將學生的認知水平逐步從具體向抽象過渡，從感性思維上升到理性思維，有利于培養學生的思維品質。

如在遺傳規律的教學中，以一對相對性狀的遺傳實驗為基礎，首先讓學生從F及測交后代不同表現型具體的數量中抽象出3:1和1:1的比例關系，從而理解含一對等位基因的雜合子產生的配子種類、子代基因型及表現型的種類及比例，然后借助遺傳圖解和概率的計算，推理出2對位于非同源染色體上的非等位基因的遺傳結果，最后揭示出含n對非等位基因(位于非同源染色體上)的雜合子的遺傳行為和結果，得出2、3、(3:1)、(1:2:1)等結論。

模擬實驗說明了生物學實驗除了可以用生物材料來做，也可以用非生物材料來做，可以因陋就簡、就地取材進行科學實驗，這對于學生發散思維的培養，將大有裨益。

3.2有利促進學生自主學習

模擬實驗和構建模型具有寓生物學知識的學習和探究于游戲之中的性質，這樣的實驗，既體現了生物學知識的科學性，又符合學生的認知發展規律，能夠激發學生的學習興趣，使學生學習的積極性和主動性得以提高。

3.3有利于發展學生的探究能力

模型的建立過程就是一個科學探究的過程。在這一探究過程中，需要學生自己確定對象，設置已知和未知，運用科學規律，選擇研究方法，檢驗模型是否與實際一致。這對學生探究能力的培養是很有好處的。但生物建模對教師和學生都有一個逐步學習和適應的過程。建模活動也要經歷一個由簡單到復雜、由低級到高級的復雜活動。教師在設計教學活動時，應充分挖掘和利用教材中可運用模型方法教學的內容，同時考慮學生的實際能力和水平，有利于更多的學生參與。