培養學生構建生物模型的能力的研究

黃勛歡

【摘要】 《高中生物課程標準》指出：“要讓學生領悟建立模型的科學方法及其在科學研究中的作用。”高中生物學課程中的模型建構活動，其主要價值是讓學生通過嘗試建立模型，體驗建立模型中的思維過程，領悟模型方法，并獲得或鞏固有關生物學概念.通過建構模型，培養學生的建模思維和建模能力，不但可以排除、舍棄非本質因素，突出事物的本質特征，使生命現象或過程得到純化和簡化，讓學生容易地掌握知識的規律，而且還可以提高課堂效率，激發學生學習興趣，提高學生的科學素養和科學探究能力，同時也是教師適應新課程改革的必需。

【關鍵詞】 培養 構建 生物模型

【中圖分類號】 G633.91 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 1992-7711（2017）07-174-02

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無論在科學研究還是在學習科學的過程中，模型和模型方法都起著十分重要的作用。高中生物學課程中的模型建構活動，讓學生通過嘗試建立模型，體驗建立模型中的思維過程，領悟模型方法，并獲得或鞏固有關生物學概念。在某種程度上講，模型構建和理解模型是學生理解和掌握生物學知識的有效工具。建構模型的方法，是高中新課標對學生科學方法和探究能力的要求。那么，什么是模型？如何構建相應的模型呢？

一、模型的概念及分類

高中必修一課本對模型的介紹如下“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概括性的描述，這種描述可以是定性的，也可以是定量的；有的借助于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。模型的形式很多，包括概念模型、數學模型和物理模型等。”

二、培養構建模型的實例

1.概念模型

概念模型是指以文字表述來抽象概括出事物的本質特征的模型。如每章節畫的概念圖、真核細胞結構共同特征的文字描述、光合作用過程中物質和能量的變化的解釋、達爾文的自然選擇學說的解釋模型等。

例如，在學習完《基因的表達》后，讓學生從中理出核心概念，引導學生構建概念圖。首先，確定主題并且圍繞主題寫出主要概念和次要概念；然后，將主要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，并用線條和連接語把概念連接起來。過程如下：

主要概念：基因的表達，轉錄，翻譯

次要概念：基因，蛋白質，脫氧核苷酸序列，氨基酸序列，遺傳信息，信使RNA（mRNA），轉運RNA（tRNA），核糖體RNA（rRNA），密碼子，核糖體

然后讓學生進行補充完善，詳細擴充各模塊的的知識，逐步培養學生構建知識網絡的能力。而在總復習、專題復習中則將不同模塊、不同章節之間的內容整合起來。

2.數學模型。

數學模型是用來描述一個系統或它的性質的數學形式，包括計算公式、函數式、曲線圖以及由實驗數據繪制成的柱形圖、餅狀圖等。教材中有用數學模型研究生物種群數量的增長、有絲分裂過程中DNA含量變化曲線、酶的活性隨pH變化而變化的曲線、同一植物不同器官對生長素濃度的反應曲線、孟德爾豌豆雜交實驗中9：3：3：1的比例關系等。

數學模型建構的一般步驟為：觀察研究對象，提出問題→作出假設→根據實驗數據，用適當的數學形式對事物的性質進行表達→通過進一步的實驗或觀察等對模型進行檢驗或修正。下面以《種群數量的變化》一節中“建構種群數量增長的模型”為例，培養學生建構數學模型的能力。

（1）觀察研究對象，提出問題

學生觀察細菌進行二分裂，每20min分裂一次，提出細菌種群數量增長應該怎么描述、解釋和預測？

（2）作出假設

此建模中提到的假設是“在資源和空間無限多的環境中，細菌種群的增長不會受到種群密度增加的影響"，也就是在"理想的環境中，此環境一般指的是資源和空間充足，氣候適宜，沒有天敵，沒有疾病等”。

（3）根據實驗數據，用適當的數學形式對事物的性質進行表達

通過上述的分析，學生得出細菌增殖的特點滿足指數函數的形式進行增長，因此用數學形式表達為，其中N代表細菌數量，n代表第幾代。

一道實際問題的解決往往需要紛繁的計算，可以采用解方程、畫圖形、證明定理、邏輯運算、數值運算等各種傳統的和近代的數學方法進行模型的求解。如在這一數學模型的構建中，引導學生根據剛才的指數函數一模型把細菌的數量進行計算統計，把數據進行整理，此時構建出另一種數學模型——表格。

表格具有一定的局限型，因此繼續引導學生把它構建成坐標圖的數學模型。利用建立坐標圖像使一些抽象的知識變得更具體，從而得到了在理想的環境中生物種群的一種增長曲線——“J型增長曲線”。

（4）通過進一步的實驗或觀察等對模型進行檢驗或修正

在生物學中存在這許多不確定因素和例外的現象，使學生認識到模型的構建是一個不斷發展和完善的過程。如讓學生進一步思考問題：①其它的生物并不一定進行二分裂的生殖方式，那么它們的種群數量的變化是否也滿足上述的“J型增長曲線”呢？如果滿足那么要建立它的函數模型又是怎樣呢？通過進一步的假設分析，得到，其中為該種群的起始數量，t為時間，t年后該種群的數量，λ為該種群每年增長倍數。②生物的實際生活環境是否真得這么理想呢？讓學生對在實際環境（如資源和空間有限，氣候并不一直適宜，出現天敵和競爭者，同時還會受到疾病等的威脅等）中生物種群的數量變化進行進一步的假設分析，得出在自然界中種群不能無限增長，種群總是在增長到一定限度后達到相對的穩定，因此構建出另一增長曲線——“S型增長曲線”。③當然生物生活的環境是不斷變化的，例如當種群增長已經進入到了“S型增長曲線”的相對穩定的時候，隨著生活資源的消耗完，并產生了一些有毒的代謝終產物，使其生活環境變得更加惡劣，將會產生種群數量急劇下降甚至滅絕的增長曲線；又或者在環境的改變中引起了種群中的生物體發生了基因突變，從而出現了新的性狀以很好地適應當時的環境變化并重新大量繁殖，將會產生種群數量又上升的增長曲線等等。

通過構建數學模型，學生對生物種群數量的變化過程能更深刻的認識，并通過圖像的形式讓學生把抽象的東西轉化為具體化的知識，有助于知識的識記、理解和掌握。

3.物理模型

物理模型指以實物或圖畫形式直觀地表達認識對象的特征。如：細胞模型、細胞器模型、生物大分子模型、生物膜模型、動（植）物有絲分裂模型和減數分裂中染色體的變化模型、DNA分子雙螺旋結構、血糖調節的模型、制作生態缸等。

如以必修一“利用廢舊物品制作生物膜模型”為例。在本制作中，學生可以用包裹中藥丸的球形蠟質盒做磷脂分子的頭部，用穿過藥盒的鐵絲或電線做磷脂分子的尾部。通過打孔并用鐵絲串接做成磷脂雙分子層。再用包裝常用的硬質泡沫塑料做成各種形狀的蛋白質。通過設計蛋白質的排布來體現“鑲嵌”的方式。

這個物理模型的制作，材料容易獲得，制作過程簡單而不失創意。通過建構的過程，讓學生對生物膜的分子組成和空間結構有了更形象的認識。

從以上的眾多例子不難看出，模型的特點就是以簡化和直觀的形式來顯示復雜事物或過程。數學模型和物理模型都是通過圖解的形式將事物的特點或變化規律勾畫出來，也都能夠定性和定量地準確描述。但是，數學模型在定量描述上更加直觀；而物理模型則在定性描述上更加形象。概念模型由于是文字性高度的概括和歸納，可以很好地幫助我們全面理解相關問題的實質。

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，舍去許多次要的細節和非本質的屬性，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。隨著科技進步，模型始終處在不斷地“構建——解構——建構”的動態發展過程中。總之，無論是構建何種模型，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。

[ 參 考 文 獻 ]

[1]劉軍波.《淺探構建數學模型在高中生物教學中的應用》.

[2]周小潔.《減數分裂》一課的模型建構教學的思考，廣州市第三中學.

[3]劉鑫.《淺談模型教學在高中生物新教材中的使用》四川省遂寧市高級實驗學校.

[4]《臨川一中生物活動課校本課程》2013-5-2021：16：13.

[5]周曉強.《利用生物科學史培養學生建模能力的教學模式初探》，（蘇州市實驗中學215011）.