高中生物模型建構(gòu)教學(xué)研究

摘 要：模型方法是人們認(rèn)識自然界的一種重要方式，也是理論思維發(fā)展的重要方式，新課程標(biāo)準(zhǔn)將模型方法規(guī)定為高中學(xué)生必須掌握的科學(xué)方法之一。模型可分為概念模型、計(jì)算機(jī)模型、物理模型和數(shù)學(xué)模型等幾種形式，通過建構(gòu)模型來學(xué)習(xí)生物學(xué)知識，能增強(qiáng)學(xué)生的探究能力，培養(yǎng)學(xué)生思維品質(zhì)的靈活性?；诖耍瑸榱嗽诟咧猩锝虒W(xué)中不斷提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，增強(qiáng)學(xué)生模型建構(gòu)能力，本文就模型建構(gòu)在中學(xué)生物學(xué)教學(xué)的應(yīng)用，進(jìn)行了相關(guān)論述。

關(guān)鍵詞：高中生物；模型建構(gòu)；教學(xué)研究

在現(xiàn)代生物學(xué)中，模型構(gòu)建已成為重要的研究工具，對于高中生物教學(xué)也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。生物學(xué)是一門廣泛而深?yuàn)W的學(xué)科，其中涉及許多抽象的概念和復(fù)雜的生物現(xiàn)象，如細(xì)胞分裂、遺傳、代謝等，這些知識通過簡單的教學(xué)方法難以深入學(xué)生內(nèi)心，因此，以模型建構(gòu)作為生物教學(xué)的一種手段，可以有效地幫助學(xué)生理解抽象概念和生物現(xiàn)象，提高生物學(xué)學(xué)科的教育教學(xué)質(zhì)量。為此，筆者結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)，探討開展高中生物模型建構(gòu)教學(xué)研究的策略。

一、建立有關(guān)細(xì)胞的概念模型

（一）動(dòng)物細(xì)胞概念模型

動(dòng)物細(xì)胞是構(gòu)成動(dòng)物體的基本單位，是生命活動(dòng)的最基本單元。在高中生物模型建構(gòu)教學(xué)的過程當(dāng)中，給學(xué)生構(gòu)建動(dòng)物細(xì)胞模型的主要目的是幫助高中生理解細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)及其細(xì)胞的功能。讓學(xué)生站在更加客觀的角度上，理解生命活動(dòng)的基本原因。為此，教師就可以在課堂當(dāng)中，通過圖表的形式來呈現(xiàn)細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)。建立有關(guān)細(xì)胞的概念模型，讓學(xué)生了解細(xì)胞器的具體特點(diǎn)及其之間的相互功能。以這樣的方法，提高學(xué)生的生物水平[1]。

例如：在進(jìn)行《細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)》教學(xué)的時(shí)候，在課堂的開始，教師需要讓學(xué)生明確細(xì)胞是生命的基本單位，生命是由無數(shù)細(xì)胞共同構(gòu)成的有機(jī)整體。在教學(xué)完這些內(nèi)容的時(shí)候，教師就有必要給學(xué)生構(gòu)建有關(guān)動(dòng)物細(xì)胞的概念模型。首先可以給學(xué)生展示一些有關(guān)動(dòng)物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)圖，并讓學(xué)生觀察圖中各個(gè)部分所代表哪些內(nèi)容。在這個(gè)過程當(dāng)中，學(xué)生可以逐步了解動(dòng)物細(xì)胞的組成部分，如細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核、線粒體等，并了解每個(gè)部分的功能和相互關(guān)系。教師給學(xué)生講解細(xì)胞的概念模型，能夠讓學(xué)生明確動(dòng)物細(xì)胞是復(fù)雜而有序的結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)關(guān)鍵的細(xì)胞器。細(xì)胞膜是細(xì)胞的外層包裹結(jié)構(gòu)，具有選擇性通透性，調(diào)控物質(zhì)的進(jìn)出。而細(xì)胞質(zhì)是細(xì)胞膜內(nèi)的膠狀物質(zhì)，包含多種細(xì)胞器，提供支持和環(huán)境，以進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)的生化反應(yīng)。細(xì)胞中的糖類和脂質(zhì)、蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者、核酸是遺傳信息的攜帶者。線粒體是能量生產(chǎn)的中心，通過細(xì)胞呼吸將有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為ATP，提供細(xì)胞所需的能量。這些細(xì)胞器相互協(xié)作，確保細(xì)胞能夠完成其各種功能，維持生命的正常運(yùn)行。

（二）細(xì)胞內(nèi)部傳輸模型

細(xì)胞內(nèi)部傳輸，是細(xì)胞內(nèi)各種物質(zhì)和信息在細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)輸和傳遞的過程。在當(dāng)前的教學(xué)背景之下，要想讓學(xué)生深刻地理解細(xì)胞內(nèi)部的物質(zhì)轉(zhuǎn)化以及信息傳遞方式，教師就需要給學(xué)生建立細(xì)胞內(nèi)部的傳輸模型，通過概念講解的方式，讓學(xué)生了解細(xì)胞內(nèi)部傳輸對于細(xì)胞功能的影響。同樣，也可以通過具體的知識點(diǎn)來給學(xué)生呈現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)部物質(zhì)傳輸?shù)倪^程，讓學(xué)生分析和思考。通過這樣的模型建構(gòu)策略，能夠培養(yǎng)學(xué)生的生物感知能力[2]。

例如：在進(jìn)行《細(xì)胞的物質(zhì)輸入和輸出》教學(xué)的時(shí)候，教師需要給學(xué)生講解細(xì)胞內(nèi)部物質(zhì)的輸入和輸出過程，提供相關(guān)的知識點(diǎn)和示意圖。首先，可以介紹細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能，以及通過細(xì)胞膜的物質(zhì)傳輸方式。然后，講解細(xì)胞質(zhì)內(nèi)部的物質(zhì)傳輸，包括胞吞作用、胞吐作用、核膜孔等。事實(shí)上，細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的輸入與輸出是通過細(xì)胞膜控制的。細(xì)胞膜是細(xì)胞外部和細(xì)胞內(nèi)部之間的生物學(xué)屏障，它具有選擇性通透性。在教學(xué)完這些基礎(chǔ)知識之后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所學(xué)的知識，建立細(xì)胞內(nèi)部傳輸?shù)哪Ｐ??？梢允褂脠D表、示意圖或者實(shí)物模型來表示細(xì)胞內(nèi)部傳輸過程，以這樣的方式構(gòu)建概念模型，學(xué)生在面對新的生物知識時(shí)，能主動(dòng)地尋找其實(shí)際背景，并探索找到線索，深入其中，真正體驗(yàn)，切實(shí)體會(huì)生物的應(yīng)用價(jià)值。

二、建立有關(guān)基因的物理模型

（一）基因的結(jié)構(gòu)模型

基因是生物體內(nèi)控制遺傳信息傳遞的基本單位，是DNA上的特定序列。同樣，基因也是影響性狀的主要原因。在高中生物課堂當(dāng)中，教師要想讓學(xué)生更好地理解基因的實(shí)質(zhì)，感知基因的特征，就需要給學(xué)生建構(gòu)良好的物理模型。通過實(shí)際的物體來呈現(xiàn)基因的基本結(jié)構(gòu)，表示出基因的特點(diǎn)。并鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行分析和感受，了解基因的特定片段。以這樣的方法開展的教育教學(xué)，能夠讓學(xué)生更加形象地理解知識點(diǎn)，提升自身的生物核心素養(yǎng)。

例如：在進(jìn)行《DNA的結(jié)構(gòu)》教學(xué)的時(shí)候，事實(shí)上DNA是一個(gè)典型的雙螺旋結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。為了能夠讓學(xué)生了解基因的結(jié)構(gòu)模型，教師可以在課堂的開始，先去讓學(xué)生掌握DNA，即脫氧核糖核酸，是生物體內(nèi)攜帶遺傳信息的分子。同時(shí)DNA攜帶和傳遞遺傳信息，能夠控制生物體的生長發(fā)育功能以及性狀的遺傳。在真核生物當(dāng)中，DNA位于細(xì)胞核內(nèi)；在原核生物中，如細(xì)菌，DNA則位于細(xì)胞質(zhì)中。在講解完這些最基礎(chǔ)的知識之后，教師還需要讓學(xué)生掌握DNA的具體構(gòu)成，DNA通常由脫氧核糖核苷酸構(gòu)成，每一個(gè)核苷酸包含一個(gè)糖分子，還有一個(gè)含氮堿基。但是根據(jù)堿基的不同，分為四種物質(zhì)，分別是腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶。

（二）遺傳的交叉模型

遺傳的交叉是指在有性生殖過程中，父代的基因與母代的基因進(jìn)行組合和重組的過程，形成新的個(gè)體。建立遺傳的交叉模型的目的，是幫助高中生理解遺傳規(guī)律和基因在后代中的分布，從而更好地理解遺傳變異和進(jìn)化的原理。在高中生物建模的過程當(dāng)中，教師可以通過物理模型的方式來給學(xué)生呈現(xiàn)基因遺傳的交叉組合。提供給學(xué)生現(xiàn)實(shí)當(dāng)中的素材，幫助學(xué)生了解染色體模型或者基因模型，從而增強(qiáng)學(xué)生對知識的理解[3]。

例如：在進(jìn)行《基因和染色體的關(guān)系》教學(xué)的時(shí)候，遺傳的交叉模型是通過物理模型來呈現(xiàn)基因在有性生殖中的交叉組合過程，幫助學(xué)生理解遺傳規(guī)律和基因在后代中的分布。在課堂開始，教師可以給學(xué)生簡單介紹基因的遺傳規(guī)律以及染色體的基本結(jié)構(gòu)?；虻倪z傳過程DNA復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯等多個(gè)步驟，都在染色體上進(jìn)行。這時(shí)候教師需要讓學(xué)生了解染色體是由DNA、蛋白質(zhì)和小分子組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其中DNA是遺傳信息的主要攜帶者。在細(xì)胞分裂的過程中，染色體復(fù)制自身形成兩個(gè)完全相同的復(fù)制體，確保每個(gè)新細(xì)胞都能夠獲得一份完整的基因組。在細(xì)胞分裂的過程當(dāng)中，隨著紡錘體將染色體拉向兩極，細(xì)胞當(dāng)中的基因也就一分為二，這就是基因在染色體當(dāng)中的遺傳步驟。為了能夠讓學(xué)生更加了解這背后所蘊(yùn)含的生物知識，教師就可以給學(xué)生構(gòu)建生物模型，通過準(zhǔn)備一些染色體的模型和記憶模型，用彩色的紙條代表基因片段，讓學(xué)生親自動(dòng)手進(jìn)行一次細(xì)胞的分裂，觀察基因是如何進(jìn)行遺傳的。借助這樣的物理模型，能夠幫助學(xué)生掌握生物知識。

三、建立有關(guān)生態(tài)的數(shù)學(xué)模型

（一）種群生態(tài)數(shù)量模型

高中時(shí)期是學(xué)生掌握科學(xué)知識，培養(yǎng)科學(xué)精神，樹立正確的人生觀和價(jià)值觀的一個(gè)重要時(shí)期。高中生物學(xué)科是具有文科和理科兩種性質(zhì)的學(xué)科，科學(xué)謹(jǐn)慎的態(tài)度可以促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)科。在高中生物課堂上建立種群生態(tài)質(zhì)量模型的目的是幫助學(xué)生及時(shí)了解種群動(dòng)態(tài)的變化以及種群數(shù)量增長變化的影響因素，從而讓學(xué)生更好地了解生態(tài)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其功能。在生物模型構(gòu)建的過程當(dāng)中，教師可以通過數(shù)學(xué)模型的方式來給學(xué)生進(jìn)行呈現(xiàn)，讓學(xué)生從數(shù)學(xué)角度上快速地理解影響種群數(shù)量變化的參數(shù)。

例如：在進(jìn)行《種群的數(shù)量特征》教學(xué)的時(shí)候，種群數(shù)量的數(shù)學(xué)模型是通過數(shù)學(xué)的方法去預(yù)測種群數(shù)量在時(shí)間以及空間上的具體變化趨勢，事實(shí)上種群的數(shù)量變化趨勢分為兩種。理想條件下是J型增長，J型增長的特點(diǎn)是食物充沛，沒有外敵，種群能夠自由自在地繁衍。將其構(gòu)建成數(shù)學(xué)模型可以得，N（t）=N0×e（rt）。在這個(gè)函數(shù)當(dāng)中，N（t）表示時(shí)間t時(shí)刻的種群數(shù)量，N0表示初始種群數(shù)量，r表示種群增長率，e表示自然對數(shù)的底數(shù)。但實(shí)際在生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)中，一個(gè)穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，其中種群增長往往都呈現(xiàn)s型。而s型增長是需要學(xué)生值得重視和學(xué)習(xí)的，對于s型增長來說，實(shí)際的空間當(dāng)中擁有容量的最大值通常稱之為K。當(dāng)種群的數(shù)量達(dá)到最大值時(shí)，種群數(shù)量只會(huì)在自然增長最大值附近進(jìn)行波動(dòng)。但如果詳細(xì)分析這一數(shù)學(xué)模型就能夠得到在k/2處，種群自然增長的速度最快，這也是日常生活中被人們經(jīng)常利用的。通過這樣的數(shù)學(xué)模型的搭建，能夠讓學(xué)生站在更加客觀的角度上理解生物知識。

（二）生態(tài)能量傳遞模型

在新課程背景下，提倡在生物教學(xué)中，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生感受生物源自生活，感受生物應(yīng)用價(jià)值。建立生態(tài)能量傳遞模型的目的，是幫助學(xué)生理解生物之間能量關(guān)系和食物鏈的構(gòu)建，讓學(xué)生站在更高的角度上去看待生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)中各種動(dòng)植物之間的關(guān)系。在高中生物模型建構(gòu)的過程中，教師可以利用數(shù)學(xué)模型來呈現(xiàn)能量的傳遞過程，也可以通過數(shù)學(xué)模型的方法來表示能量的流動(dòng)。以這樣的方式，可以增強(qiáng)學(xué)生的理解。

例如：在進(jìn)行《生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)》教學(xué)的時(shí)候，生態(tài)能量傳遞模型是通過數(shù)學(xué)方法，來描述和預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)中能量在不同生物之間的傳遞和轉(zhuǎn)化過程。為此，教師就可以在課堂的開始給學(xué)生分析食物鏈的構(gòu)成，讓學(xué)生了解綠色能夠進(jìn)行光合作用的植物是生產(chǎn)者，而動(dòng)物是消費(fèi)者，除此之外還有分解者。在明確這些內(nèi)容之后，為了能夠讓學(xué)生掌握數(shù)學(xué)模型，從數(shù)學(xué)的角度看待生物知識，教師可以給學(xué)生引出這些知識點(diǎn)，首先生物能量的傳遞效率通常很低，這是因?yàn)槟芰吭谏鷳B(tài)系統(tǒng)傳遞當(dāng)中通常伴隨著損失。以食物鏈當(dāng)中的各個(gè)層次而言，能量從一個(gè)層次傳遞到下一個(gè)層次的效率大約是5%～20%。食草動(dòng)物是消費(fèi)者的一級，而食肉動(dòng)物是消費(fèi)者的二級。比如：一個(gè)食肉動(dòng)物一餐獲得了1000卡的能量，按5%效率的傳遞。那么，被吃掉的一級消費(fèi)者所需要攝入的能量為1000÷5%=20000卡。而作為生產(chǎn)者的植物需要產(chǎn)生20000÷5%=400000卡。通過這樣簡單的數(shù)學(xué)計(jì)算構(gòu)建出來的數(shù)學(xué)模型，能夠讓學(xué)生了解生態(tài)系統(tǒng)中的能量傳遞，在模型的認(rèn)識當(dāng)中能夠增強(qiáng)學(xué)生的生物水平。

四、建立有關(guān)進(jìn)化的計(jì)算機(jī)模型

（一）物種進(jìn)化樹模型

在高中生物課堂上，要想讓學(xué)生了解物種進(jìn)化的歷程，教師就可以通過計(jì)算機(jī)給學(xué)生構(gòu)建物種進(jìn)化樹模型。所謂的物種進(jìn)化樹模型是通過計(jì)算機(jī)模擬和分析物種之間的遺傳關(guān)系和進(jìn)化歷程，來構(gòu)建物種之間的進(jìn)化樹。這種模型結(jié)構(gòu)的好處是讓學(xué)生能夠理解物種之間的親緣關(guān)系和進(jìn)化過程，從而更好地理解生物的多樣性以及凈化的定向選擇性。在這樣的課堂當(dāng)中，能夠讓學(xué)生挖掘生物最本質(zhì)的知識，提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

例如：在進(jìn)行《生物的進(jìn)化》教學(xué)的時(shí)候，首先，教師需要先給學(xué)生簡單介紹物種進(jìn)化樹模型的基本概念和構(gòu)建原理。通過示意圖和實(shí)例，解釋物種進(jìn)化樹模型如何通過比較物種的遺傳信息和形態(tài)特征，推測物種之間的親緣關(guān)系和進(jìn)化歷程的。然后借助信息設(shè)備和在線搜索工具，利用計(jì)算機(jī)給學(xué)生構(gòu)建生物進(jìn)化的模型。就以人類為例，教師可以讓學(xué)生了解人類是從什么時(shí)候開始，與其他靈長類動(dòng)物產(chǎn)生不同的。

（二）生物分類模型

為了能夠讓學(xué)生了解生物之間的關(guān)系，直觀地感受生物模型和遺傳的生態(tài)特征，教師可以在課堂上通過計(jì)算機(jī)模擬和分析生物的形態(tài)，并基于互聯(lián)網(wǎng)去給學(xué)生尋找有關(guān)遺傳以及生態(tài)的基本特征。在此之后對于生物分類進(jìn)行研究，建立企業(yè)生物分類模型，幫助學(xué)生理解生物分類的原理及其方法，從而讓學(xué)生了解生物的多樣性及其分類體系。這種模型結(jié)構(gòu)的方式符合學(xué)生的認(rèn)知，也能夠切實(shí)體現(xiàn)出高中生物建模教學(xué)的優(yōu)勢。

例如：在進(jìn)行《協(xié)同進(jìn)化與生物多樣性的形成》教學(xué)的時(shí)候，為了能夠讓學(xué)生了解生物分類的模型建構(gòu)依據(jù)，教師就可以利用多媒體設(shè)備，引導(dǎo)學(xué)生收集相關(guān)生物的形態(tài)特征、細(xì)胞結(jié)構(gòu)和遺傳信息數(shù)據(jù)，然后，教師可以和學(xué)生一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用計(jì)算機(jī)軟件或者在線工具，讓學(xué)生收集自己所需要的數(shù)據(jù)，并且根據(jù)生物分類的依據(jù)討論生物之間的相似性和差異性。學(xué)生在挖掘知識的過程中，就能夠理解系統(tǒng)進(jìn)化與生物多樣性之間的關(guān)系，進(jìn)而有效培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維。

結(jié)束語

綜上所述，模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對認(rèn)識對象所做的一種簡化的概括性的描述，是科學(xué)研究中對復(fù)雜事物的一種簡單的描述方法。在生物學(xué)教學(xué)中，如果能在教師的引導(dǎo)下，讓學(xué)生在一定的情境中通過自己動(dòng)手建構(gòu)相關(guān)模型來學(xué)習(xí)生物學(xué)知識，將會(huì)非常有利于學(xué)生對相關(guān)知識的掌握。在模型建構(gòu)教學(xué)活動(dòng)中，是以學(xué)生為主體，以建構(gòu)模型為主線，讓學(xué)生去探索、交流和學(xué)習(xí)，注重學(xué)習(xí)過程的主動(dòng)性和積極性，而學(xué)生一旦掌握了模型建構(gòu)的方法，也就掌握了一種科學(xué)研究的方法，這正符合新課改理念。

參考文獻(xiàn)

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本文系閩清縣教育科學(xué)研究“十四五”規(guī)劃2023年度課題“‘雙減’背景下巧用模型建構(gòu)提升高中生物學(xué)核心素養(yǎng)的實(shí)踐研究”（課題編號：MQ202301Z）的研究成果。