模型建構在高中生物教學中的應用

摘要：高中生物課程改革提出了科學方法的應用，如建立數(shù)學模型等。運用概念模型、物理模型、數(shù)學模型等進行生物教學，不但可以提高教學效率，還能夠更好地提高學生的生物科學素養(yǎng)。

關鍵詞：模型構建；概念模型；物理模型；數(shù)學模型

中圖分類號：G423.07 文獻標志碼：A 文章編號：1673-4289（2013）10-0017-03

《普通高中生物課程標準（實驗）》明確強調：“學生應領悟假說演繹，建立模型等科學方法及其在科學研究中的應用……領悟系統(tǒng)分析，建立數(shù)學模型的科學方法及其在科學研究中的應用”。同時新考試大綱重新對高考所要考查的能力進行了界定，明確了假說演繹、建立模型、系統(tǒng)分析等科學研究方法在能力要求中的地位。課程標準已將模型納入基礎知識范疇，并且將模型方法規(guī)定為高中學習必須掌握的科學方法之一。

一、模型的概念及特點

高中新教材必修1對模型的定義：模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對認識對象所作的一種簡化的描述，這種描述可以是定性的，也可以是定量的；有的借助具體的實物或其他形象化的手段，有的則通過抽象的形式來表達。

模型可分為概念模型，物理模型，數(shù)學模型。

模型方法是指人們?yōu)榱苏J識自然界中某一復雜的對象、或事物發(fā)生的過程、規(guī)律等，用形象化的具體實物或抽象的語言文字、圖表、數(shù)學公式等對認識對象進行模擬或簡化描述的一種方法。

模型具有三個基本特點：①對實際對象的模仿和抽象；②組成體現(xiàn)認識對象系統(tǒng)中的主要因素；③反映主要因素之間的關系。

二、模型的構建及應用

（一）概念模型

概念模型是指以文字表達來抽象概括出事物本質特征的模型。如達爾文的自然選擇學說的解釋模型、孟德爾的遺傳圖解等。新課標強調圖文轉換和知識聯(lián)系，引導學生構建知識網絡和提高信息轉化能力。

1.新舊課程標準對概念模型的要求

舊：能把握所學知識的要點和知識之間的內在聯(lián)系。

新：能理解所學知識的要點，把握知識間的內在聯(lián)系，形成知識的網絡結構。

區(qū)別：在“把握”的基礎上，增加了“理解”，并能“形成知識的網絡結構”。

2.如何構建概念模型

概念模型中最主要最直接的體現(xiàn)形式就是概念圖，概念圖的模型建構過程一般包括以下幾步：第一步確定主題并圍繞主題寫出關鍵概念和概念等級。第二步將主題概念放在頂端或中央，向下或四周按概念等級一層一層輻射開來，并用線條把概念連接起來，并用連接詞語注明連線，連接詞語應能說明兩個概念之間的關系。第三步尋找概念圖不同部分概念之間交叉連線的連接，并標明連接線。要注意的是在概念圖中每個概念只能出現(xiàn)一次。如糖類的概念圖構建過程。

3.利用概念模型進行生物教學

（1）概念圖在新課教學中的使用

教學完新課后，讓學生構建概念圖，可以幫助學生很好地抓住主干知識，發(fā)現(xiàn)各個知識之間的關系，使零碎知識網絡化，系統(tǒng)化，使原來理解不清的知識清晰化，機械的記憶靈活化。正確使用概念圖，可有效降低學生認知負擔和心理焦慮，提高教與學的效率。如學習了蛋白質這一節(jié)內容后可讓學生構建或完善如下概念圖。

（2）概念圖在復習教學中的使用

在復習教學中，尤其是在專題復習中，制作概念圖可以幫助學生統(tǒng)整和連貫不同模塊的知識，建立良好的知識網絡系統(tǒng)。如以“細胞”為核心概念，以輻射的方式將“細胞的化學組成”、“細胞的結構和功能”、“細胞的分化、癌變和衰老”、“細胞的增殖”及“細胞工程”等內容有機地組織在一起，以一個抽象模型的形式開展教學，可以幫助學生認識細胞概念的實質，將相關知識點有機地聯(lián)系起來，實現(xiàn)對細胞相關知識全方位、多角度的認識。

（二）數(shù)學模型

數(shù)學模型是指用來描述一個系統(tǒng)或它的性質的數(shù)學形式。用來表達生命活動規(guī)律的計算公式、函數(shù)式、曲線圖以及由實驗數(shù)據(jù)繪制成的柱形圖、餅狀圖等稱為數(shù)學模型。數(shù)學模型可以把復雜的問題簡單直觀化。當把復雜的研究對象轉變?yōu)閿?shù)學問題，經過合理簡化后，建立一個能用數(shù)學方法揭示研究對象規(guī)律的數(shù)學關系式，可以更透徹地理解科學知識。如關于遺傳規(guī)律的計算，再如酶的活性變化曲線、種群增長曲線、微生物生長曲線，種群密度計算公式、組成細胞的化學元素餅狀圖、能量金字塔等。

1.新舊課標對于在生物學上運用數(shù)學模型的變化

舊：能用文字，圖表，圖解等形式闡述生物學事實，概念，原理和規(guī)律等。

新：能用文字，圖表以及數(shù)學方式等多種表達形式準確地描述生物學方面的內容。

區(qū)別：增加了“數(shù)學方式等多種表達形式”，并且由“闡述”提高到“準確地描述”生物學方面的內容。

2.數(shù)學模型的建構過程

數(shù)學模型是聯(lián)系實際問題與數(shù)學問題的橋梁，具有解釋、判斷、預測等重要功能。在科學研究中，數(shù)學模型是發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和探索新規(guī)律的有效途徑之一。引導學生建構數(shù)學模型，有利于培養(yǎng)學生透過現(xiàn)象揭示本質的洞察能力；同時，通過科學與數(shù)學的整合，有利于培養(yǎng)學生簡約、嚴密的思維品質。主要程序如下所示：

在教學中，可以循著“現(xiàn)象→本質→現(xiàn)象”，或者“具體→抽象→具體”的思路，讓學生體驗由具體到抽象的思維轉化過程。如構建“細菌種群數(shù)量的變化”的數(shù)學模型的步驟為：

第一步觀察研究對象是為了發(fā)現(xiàn)問題，探索規(guī)律，“細菌每20min分裂一次”便是通過大量觀察和實驗得出的規(guī)律，這是建立數(shù)學模型的基礎，在這一基礎上運用數(shù)學方法將生物學問題轉化為數(shù)學問題。第二步合理提出假設是數(shù)學模型成立的前提條件，假設不同，所建立的數(shù)學模型也不相同。第三步是要運用數(shù)學語言進行表達，即數(shù)學模型的表達形式，此時要避免出現(xiàn)離開生物學討論數(shù)學的傾向。第四步是對模型進行檢驗和修正。在理想狀態(tài)下細菌種群數(shù)量增長的數(shù)學模型是比較簡單的，而生物學中現(xiàn)象與規(guī)律是極為復雜的，需要通過大量實驗或觀察，對模型進行檢驗和修正。

然后再算出一個細菌產生的后代在不同時間（單位為min）的數(shù)量，并填入下表，然后以時間為橫坐標，細菌數(shù)量為縱坐標，畫出細菌的種群增長曲線。曲線圖是數(shù)學模型的另一種表現(xiàn)形式，同數(shù)學方程式相比，它能更直觀地反映對象的特征。（如下圖）

3.數(shù)學模型在教學中的應用

將數(shù)學模型建構運用于生物教學中，可以幫助學生將生物學的一些問題、現(xiàn)象抽象化、形象化，更直觀的理解生物學問題。如必修一第2章第2節(jié)“蛋白質-生命活動的主要承擔者”一課就可以運用數(shù)學模型建構的方法教學。教師提供氨基酸的化學基團圖片、剪刀、糨糊等簡單的材料，學生通過模型構建、成果展示等活動來切身感受氨基酸分子的結構特點及其脫水縮合的過程等。以學生自身為模型推導出氨基酸脫水縮合形成蛋白質的相關計算規(guī)律。如讓九個同學手拉手一排得到918（9個氨基酸脫水縮合形成一條肽鏈形成8個肽鍵，并逐步推出肽鍵數(shù)=氨基酸-肽鏈數(shù)。為學生創(chuàng)造抽象知識的真實感、微觀結構的宏觀感、復雜過程的直觀感，增加了知識呈現(xiàn)的直觀性和課堂教學的趣味性，也充分體現(xiàn)了“以學生為主體”的新課程理念。本節(jié)內容與后面的DNA分子的復制、轉錄、翻譯、有絲分裂、減數(shù)分裂等很多內容有共同之處，也為后面的學習作了鋪墊。

（三）物理模型

物理模型是指以實物或圖畫形式直觀的表達認識對象特征的模型。根據(jù)相似原理，把真實事物按比例大小放大或縮小制成的模型，其狀態(tài)變量和原事物基本相同，可以模擬客觀事物的某些功能和性質。

1.新課標教材（人教版）有關物理模型建構的內容

整個新課標教材（人教版）共安排了4個物理模型建構的內容，具體如下：

另外，在教材中雖然沒有明確說明是模型建構，但卻必須運用模型和模型的方法解決問題的內容其實還有很多。如必修一第四章的生物膜的流動鑲嵌模型等。

2.物理建模在生物教學中的應用

物理建模是一種創(chuàng)造性活動，學生要經過不斷的分析、創(chuàng)新、修正才能得到。這符合學生認知規(guī)律，有助于不同層次學生個性的發(fā)展和潛能的開發(fā)，因此物理模型教學有助于培養(yǎng)學生獲取知識、分析和解決實際問題的能力。如制作真核細胞的三維結構模型。

在建模思維中，學生可以從原型出發(fā)，根據(jù)某一特定目的，抓住原型的本質特征，對原型進行抽象，把復雜的原型客體加以簡化和純化，建構一個能反映原型本質聯(lián)系的模型，并進而通過對模型的研究獲取原型信息，為形成理論建立基礎。如模擬減數(shù)分裂過程中染色體的變化中，讓學生分組構建減數(shù)分裂過程中各個時期的染色體的變化模型，然后師生共同對學生的模型進行修改、分析和評價，師生逐步歸納出規(guī)范的物理模擬模型，把學生制作的模型展示在班級中，請同學們比較分析圖解，找出減數(shù)分裂過程中染色體和DNA數(shù)目變化的規(guī)律。由物理模型總結出概念，再上升為抽象的數(shù)學模型。完成對減數(shù)分裂本質的認識。并可在圖片中加入基因，對基因的分離定律和自由組合定律作進一步的鞏固和提升。

展示：減數(shù)分裂的物理模型

材料：橡皮泥、A4紙等

由物理模型上升為數(shù)學模型

模型方法教育有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維能力。創(chuàng)造性教育是素質教育的靈魂所在。隨著科技進步，模型始終處在不斷地“構建—解構—建構”的動態(tài)發(fā)展過程中，正如同模型的發(fā)展一樣，模型教學亦應是一個不斷發(fā)展、修正與完善的過程。總之，不管構建何種模型，都離不開嚴密的思維和科學探究精神以及小組的合作與交流，因此培養(yǎng)模型構建能力在高中生物教育中是不容忽視的。

參考文獻：

[1]施問華.生物模型的分類特點及構建方法[J].中學生物學，2007，（7）：36-38.

[2]黃立軍.運用模型方法開展生物學課堂教學[J].中學生物學，2008，（3）：18-19.

（作者單位：遂寧市高級實驗中學，四川，遂寧 629000；太原市小店區(qū)一中，太原 030000）