模型法在高中生物教學中的應用

陳燕王磊（安徽省宿州市宿城第一中學安徽宿州 234000）

模型法在高中生物教學中的應用

陳燕王磊（安徽省宿州市宿城第一中學安徽宿州 234000）

文件編號：1003－7586（2017）01－0028－04

新課標提出“要讓學生領悟生物科學理論或模型的科學美”。在現代生物科學研究中，模型方法被廣泛運用。20世紀30年代，貝塔朗菲在提出機體系統論概念的同時，主張用數學和模型方法研究生命現象，從此模型方法開始在生物教學領域應用。《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，領悟系統分析、建立數學模型等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，并且將模型方法規定為高中學習必須掌握的科學方法之一，在近年來的生物高考試題的設計中也有所體現。下面結合具體實例談談模型法在高中生物教學中的應用。

1 模型的概念及分類

高中生物《必修1·分子與細胞》教科書第54頁對模型的定義是：“模型是人們為了某種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”。模型可分為物理模型、概念模型和數學模型。

2 建模對學生的作用

建模是一種創造性活動，學生要經過不斷的分析、修正、創新才能得到。這符合學生認知規律，有助于不同層次學生個性的發展和潛能的開發。模型教學有助于培養學生獲取知識、分析和解決實際問題的能力，還有助于學生形成創新能力和科學素養。在模型建構活動中，學生需要進行觀察實驗，歸納和演繹，運用已有知識進行假設、模擬，將復雜的事物進行簡化、抽象出其本質屬性，需要將頭腦中抽象的概念具體化、形象化，并身體力行。學生通過親身參與，可以體會到模型建構的方法，才能將模型方法內化為認知圖式，獲得認知水平上的提升。

3 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。物理模型既包括靜態的結構模型，如真核細胞的三維結構模型、細胞膜的流動鑲嵌模型等；又包括動態的過程模型，如教材中學生動手構建的減數分裂中染色體變化的模型、血糖調節的模型等。

3.1 新課標教材（人教版）有關物理模型建構的內容（表1）

表1 新課標教材（人教版）4個模型建構的內容

另外，在教材中雖然沒有明確說明是模型建構，但卻需要運用模型方法解決問題的內容其實還有很多。例如，“穩態與環境”模塊中第五章第四節安排的制作活動建議“設計并制作生態缸，觀察其穩定性”，就是要求學生制作活體物理模型的探究活動，并運用這個模型進行對生態系統運行的模擬實驗。

3.2 實例分析：模擬減數分裂過程中染色體的變化

實驗材料：不同顏色橡皮泥、剪刀、白紙、中性碳素筆。

教師可先讓學生自學看書模擬減數分裂過程制作模型后，再進行分析評價。若學生接受能力較弱，教師則采用先講后做，以達到進一步理解和鞏固的目的。

活動一：每4名學生為1個學習小組，分別制作有絲分裂的間、前、中、后、末、子細胞圖。

活動二：仍以小組為單位，分別制作減數第一次分裂的前、中、后、次級精母細胞、第二次分裂的前、中、后、子細胞圖。

要求：以2對同源染色體為例，同源染色體的大小應相同，2種不同顏色代表其來源；姐妹染色單體中間用綠色橡皮泥相連。制作完畢后按照先后順序粘貼在一張大的紙板上。

師生共同對學生的模型進行修改、分析和評價。教師展示學生制作的模型，請其他學生比較、分析圖解，找出減數分裂過程中染色體和DNA數目變化的規律。這樣使學生由物理模型總結出概念，再上升為抽象的數學模型，完成對減數分裂本質的認識。

4 概念模型

概念模型是指以文字表達來抽象概括出事物本身特征的模型,如達爾文的自然選擇學說的解釋模型等。

4.1 繪制概念模型的方法

概念模型主要以概念圖的形式呈現,概念圖是組織和表征知識的工具，包括眾多的概念,以及概念或命題之間關系。首先，教師確定主題，并圍繞主題寫出關鍵概念和概念等級；然后，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，用連接詞語注明連線，說明兩個概念之間的關系；最后，尋找概念圖不同部分概念之間的聯結，并標明連接線。概念模型也可用電腦制作，便于以后不斷地補充完善。

4.2 在新課教學中使用概念圖

講授完新課，教師引導學生構建概念圖，幫助學生抓住主干知識，發現各個知識之間的關系,使零碎知識網絡化、立體化，使原來理解不清的知識清晰化，零散的知識系統化，機械的記憶靈活化。如學習了“通過激素的調節”這一節內容后，可讓學生嘗試構建圖1所示概念圖。

圖1 甲狀腺激素分泌的分級調節示意圖

教師在新授課中正確使用概念圖，可有效降低學生認知負擔和心理焦慮，提高教與學的效率。

4.3 在復習教學中的使用概念圖

在復習課中，制作概念圖的過程可幫助學生復習、統整和連貫新舊知識，使學生建立起良好的知識結構。每一章內容結束后，在復習之前，教師先讓學生畫出初步的概念圖，邊復習邊讓學生補充完善概念圖，而在總復習、專題復習中則要整合不同模塊、不同章節之間的內容。最初，教師可讓學生補充完善概念圖，而后再自行繪制，逐步培養學生構建知識網絡的能力。學生通過具體的構建體驗，可以加深對模型特點的認識，理解模型在反映事物或過程方面的簡化和直觀性。

例如，在“從雜交育種到基因工程”這一章節中，講解新概念的內涵，突出概念之間的關系時，為了優化教學，可聯系舊知識，師生共同構建概念圖（圖2）。

圖2 從雜交育種到基因工程復習概念圖

在教學中，教師要遵循一個由簡到難的過程，從中理出主要概念，引導學生畫概念圖。

5 數學模型

數學模型是指用來描述一個系統或它的性質的數學形式,如必修3的“J”種群增長的數學模型Nt= N0λt，種群基因頻率變化的數學模型等。

5.1 實例分析

如必修2中第一章在基因分離和自由組合定律教學中，以一對等位基因的遺傳為基礎,逐步推導最后抽象出含n對非等位基因(位于非同源染色體上)的雜合體的遺傳行為和結果，得出(3:1)n、(1:2:1)n、2n、3n等結論，構建出基因的自由組合規律的圖表模型。

表2 基因的自由組合規律

5.2 數學模型在生物教學中的意義

數學模型可以把復雜的問題簡單直觀化。當教師把復雜的研究對象轉變為數學問題，經過合理簡化后，建立一個能用數學方法揭示研究對象規律的數學關系式，可以使學生更透徹地理解科學知識。學生一旦將模型方法內化為自己的認知圖式,就能獲得認知水平的躍進。如上述關于遺傳規律的計算，再如酶的活性變化曲線、種群增長曲線、微生物生長曲線，還有種群密度計算公式、組成細胞的化學元素餅狀圖、能量金字塔等。在生物學實驗中，教學模型可進行數量大的分析處理，從而克服了實際實驗中只能對少數生物進行分析的局限,能重復研究實驗的各種信息、資料，如建立細菌增殖的數學模型。

5.3 數學模型在考試中的應用

在新課標的指導下，高考也越來越重視對學生能力的考查，統觀歷年高考題，大部分題中都有涉及到圖表、曲線圖的分析，有時還要求學生繪制曲線圖或柱形圖。這就要求學生在平時的學習中學會如何分析、運用各種數學模型。

在原有模型的基礎上，為了進一步加深或拓展對重點問題的認識，教師可以適當進行典型模型的進一步分析和重建，以提高學生對相關模型的認知能力。以種群數量變化曲線為例，圖3即教材上的數學模型是反映種群數量隨時間的變化特點，在重建模型時可以考慮將種群數量改為種群數量增長率，就可以分析得出圖4所示的數學模型。

圖3 種群數量變化曲線

圖4 種群增長率變化曲線

6 新課程標準下的生物模型建構教學反思

模型方法教育有助于培養學生的創造性思維能力，模型的建立要根據研究的任務，抽象出被研究對象的本質特征,舍去非本質的屬性，把要研究的現象、問題從紛繁復雜的交錯關系中明確，清晰地顯示出來，使問題得以簡化和明確化，并制訂出解決問題的程序，從而充分地發揮思維的能動作用，達到認識原型的目的。模型教學是一個不斷發展、修正與完善的過程。總之，無論構建何種模型，都離不開嚴密的思維和科學探究精神、小組的合作與交流，所以培養模型構建能力在高中生物教育中是不容忽視的。

在高中生物學教材中的許多結構模式圖、示意圖、原理過程圖解等插圖都是教學中的科學模型，它對所包含的生物學知識具有簡捷化、直觀化的特點。學生可以從模型出發對原型的未知屬性推測，發現問題從而認識事物中所蘊含的規律。通過模型探究教學，學生能夠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、實驗的方法、歸納與演繹的方法等,學生的知識獲得、積累與能力的發展始終應處于一種良性循環狀態。可以說，模型方法的精髓體現在建立模型的探索與發現之中，不親身經歷其中的困惑與發現，很難領悟模型方法的要素與關鍵。

在生物課堂中，教師應注意把握好引導性和開放性，引導學生提出問題、分析問題、通過各種途徑尋求答案，在解決問題的思路和科學方法上加強點撥和引導。這樣，學生就會主動地去思考探索，順著科學的思路和方法去感知、去思索，從而形成運用模型建構方法的能力，在不知不覺中領略科學知識的真諦。

［1］中華人民共和國教育部.普通高中生物課程標準（實驗稿）［M］.北京：人民教育出版社，2003，4.

［2］劉恩山.中學生物學教學論［M］.北京：高等教育出版社，2003：79-80.

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［5］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（24）：3.