運用信息技術進行生物學模型方法教學

摘 要 從理論上對模型方法的概念、生物學模型方法的分類進行歸納，強調了生物模型方法和信息技術的整合在生物學教學過程中的重要作用。實踐上，應用信息技術制作生物模型，并有針對性地設計培養學生生物學模型方法的教學方案，具體落實在教學實踐活動過程中，取得了比較好的效果，為信息技術和生物學模型方法教學的整合提供了依據和案例。

關鍵詞 信息技術 生物模型 模型方法 生物學教學

中圖分類號 G633.91 文獻標識碼 B

生物學研究對象是極其復雜的，對于每一個研究對象來說，它涉及的因素是相當多的。因此，為便于研究生物問題和探究生物問題本質，從復雜的生物現象和過程中抽象出研究對象的簡化描述或模擬稱為生物模型。它不僅具有高度的抽象性，還具有廣泛的代表性。正如錢學森先生所說：“模型就是通過我們對問題的現象的分析，利用我們研究得來的機理，吸收一切主要因素，略去次要因素所創造出來的一幅圖畫，是形象化了的自然現象。”

1 生物模型分類

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學生接受，他們理解起來也更直觀。

2 信息技術與生物學模型方法結合的必要性

2．1信息技術使生物數學模型教學直觀化、形象化、快速化

數學模型是聯系實際問題與數學的橋梁，具有解釋、判斷、預測等重要功能。在科學研究中，數學模型是發現問題、解決問題和探索新規律的有效途徑之一。在教科書中，有大量的數學模型，如生物必修一《分子與細胞》第六章第一節“細胞的增殖”關于在有絲分裂過程中DNA、染色體數量的變化的曲線圖；生物必修三《穩態與環境》第四章第二節“種群數量的變化”，用數學模型表示種群數量增長的曲線等。很多相關數學模型的得出是一個復雜繁瑣且抽象的過程，上課時費時學生又不易理解，而多媒體的介入可以把這些復雜抽象的推導過程快速化、直觀化、形象化，便于學生自己探究得出結論，從而使學生對相應的知識產生深刻的認識，大大提高了教學的效率。

2．2信息技術使生物物理模型的制作過程規范化、高效化，評析清晰化

以實物或圖畫形式直觀地表達認識對象的特征，這就是物理模型。生物膜的結構的實物模型和模型示意圖就是典型的物理模型，它形象而概括地反映了所有生物膜的共同特征。借助信息技術中的實物投影儀不僅可以把已經制作好的實物投影放大，供全班學生觀賞評價，也可以用實物掃描儀對實物模型進行全方面的掃瞄，再通過軟件制作顯示出模型的立體圖，使學生可以看到這個模型不同角度的特征，對模型有全方面的深刻認識。

2．3信息技術使理想模型教學化虛為實、化靜為動

理想模型是人們為了便于研究而建立的對原型事物高度抽象化的思想客體或思想事物，它是對研究對象的簡化，突出反映了顯示原型的主要特征和聯系。但如果上課教師僅僅依靠課本上的模式圖、示意圖等一些理想模型．就顯得枯燥、抽象，導致學生缺乏興趣，影響教學效果。信息技術可以使生物的結構和一系列的生理過程化抽象為直觀，化虛為實、化靜為動。這樣就大大提高學生的學習熱情，這樣很容易達到教學目標。

例如：“DNA的復制”一節。采取盧像點睛的方式，首先讓學生們看一段課外閱讀，思考什么是遺傳物質，DNA為什么能控制性狀的遺傳，引導學生去探索DNA結構與功能的關系。然后打開顯示器，就可出現DNA的基本組成單位及代表各種化學分子的圖形……在復制過程中，首先出現一個旋轉的DNA空間結構，有一個動態的自動解旋、堿基的配對和形成2條DNA分子的過程。這是在其他教學手段中所不能比擬的。在演示DNA分子復制的同時，還可進行強化訓練，也可自學練習。如堿基配對有一定的規律：A(腺嘌呤)一定與T(胸腺嘧啶)配對，G(鳥嘌呤)一定與C(胞嘧啶)配對。在計算機的顯示器上表示如堿基配對不符，會發出“嘟嘟”的響聲(諧音“不不”)。這就對學生出現了聲刺激，如果對了會發出清脆悅耳的音樂聲。學了這節課后，學生們記憶深刻，課后練習時正確率達到90％。

3 運用信息技術進行生物學模型方法教學的具體實施

在進行模型教學時，教師要引導學生認識：為什么要建立模型，怎樣建立模型，模型運用的條件是什么，怎樣檢驗和完善模型。簡言之，既要教模型的知識，又要教模型的方法。下面以“植物對水分的吸收和利用”一課為例談談模型方法的教學環節。

植物細胞滲透作用的原理是這節課的重點和難點，根據教材的安排，先進行滲透作用的實驗演示，了解滲透作用條件及原理，然后引出成熟的植物細胞具備這兩個條件，因此它是一個滲透系統。從知識內在邏輯體系上看是順理成章的，但從學生程序性知識的獲得過程上看，根據植物細胞吸水、失水現象想到設計滲透作用裝置來探究，就顯得生硬和牽強。所以我根據模型方法的形成特點，對教學程序進行了調整。

3．1觀察對象的外部表現，提出疑問和研究課題

如果將3塊形狀大小相同的蘿卜條，一塊置于盛有清水的燒杯中，一塊置于盛有鹽水的燒杯中，一塊用培養皿盛放，以作對照，此實驗一般需要0.5h才能看到明顯的結果，現在我運用多媒體來展示給學生。通過觀察，讓學生自己根據觀察到的現象提出問題：在鹽水中蘿卜條為什么會萎蔫變小?并作出假設：在鹽水中的蘿卜條是因為失水萎蔫。在假設基礎上提出新的問題：為什么失水?在清水中的蘿卜條為什么會脹大?并作出假設：同樣，在清水中的蘿卜條是因為吸水膨脹。在假設基礎上提出新的問題：為什么吸水?從而確定研究課題：植物細胞是如何吸水和失水的，也就是建立“植物細胞滲透作用”的模型。通過從個體失水吸水現象到細胞失水吸水分析，是對研究對象的一種簡化，這是模型方法的基本思想的體現。

3．2設計模型實臉，找出實驗現象的主要特征及產生這些現象的條件

通過計算機模擬的細胞結構模型的分析：由細胞膜、液泡膜以及兩者之間的細胞質構成的原生質層可以看作半透膜，水分子可以自由通過而其他物質選擇通過，如將植物細胞放入濃鹽水中，水分子從細胞向外擴散的就會多，也就是會失水，從而會表現出原生質層與細胞壁分離的現象。在分析基礎上，學生開始設計驗證植物細胞滲透吸水失水的實驗，并根據設計的實驗進行操作，觀察現象、分析實驗原因。實驗中除提供必需的器材外，還準備了多種溶液，如濃鹽水、不同濃度的蔗糖溶液、酒精、硝酸鉀溶液等，雖然這些藥品不一定都要用到，但有利于抽象和概括的模型思想的形成。

3．3分析實驗事實，建立相應模型

由于實驗過程只是對思維的一種判斷或驗證，對于形成滲透模型，仍然借助于信息的質壁分離及復原的微觀過程模型的演示，建立起“半透膜兩側存在濃度差，可以發生滲透作用”的模型。由于細胞的質壁分離過程中，受細胞復雜的結構的影響，建立起的模型需通過檢驗，于是設計了滲透作用演示實驗，來驗證半透膜兩側存在濃度差是否發生滲透作用，同時提出變式問題：長頸漏斗口如不用半透膜，用全透或不透的膜，結果如何?膜兩側溶液調換，結果又如何?……

3．4運用所建模型解釋現象

生產、生活中有許多例子：當我們吃比較咸的食物時，例如腌制的咸菜、連續瞌帶鹽的瓜子等，你的口腔和唇會有干燥難受的感覺，其他如植物的燒苗、萎蔫現象，涼拌黃瓜，合理施肥、灌溉等，學生都可以運用滲透模型來解釋這些現象。這樣可以使學生體驗到理論知識的作用，使他們對探究活動成功后的喜悅感、自豪感產生穩定的需要，有助于提高學習興趣。

3．5修正和完善模型

植物細胞都是通過滲透作用吸水和失水的嗎?通過干種子吸水的信息模擬，證明有的細胞是通過吸脹作用吸收水分的。這樣對原先的模型進行補充或擴充，使學生認識到模型的建立是一個不斷發展和完善的過程。

4 生物模型的教育價值

4．1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F2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)n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，大有裨益。

4．2有利于促進學生的自主學習

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。

4．3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。但生物建模對于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。

生物模型方法是生物教學的一個重要內容，是進行科學方法教育必須貫徹落實的重要組成部分。運用信息技術進行模型方法教學，可以更加充分、有效地發揮模型方法功能，提高學生生物學素養。