基于模型建構(gòu)的高中生物學(xué)教學(xué)研究

韋嫦春

［摘 要］文章以“種群密度及其調(diào)查方法”的教學(xué)為例，具體闡述通過對模擬物的恰當(dāng)選擇和應(yīng)用，建構(gòu)物理模型引導(dǎo)學(xué)生完成樣方法模擬實(shí)驗(yàn)；利用數(shù)學(xué)模型分析標(biāo)記重捕法模擬實(shí)驗(yàn)的步驟和原理，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行誤差分析；利用概念模型建構(gòu)知識體系，培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力。

［關(guān)鍵詞］模型建構(gòu)；教學(xué)設(shè)計(jì)；種群密度；調(diào)查方法

［中圖分類號］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）08-0090-04

模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對認(rèn)識的對象所做的一種簡化的概括性的描述，有的模型借助具體的實(shí)物或其他形象化的手段表達(dá)，有的模型則通過抽象的形式來表達(dá)。模型的形式主要有物理模型、數(shù)學(xué)模型、概念模型。物理模型是以實(shí)物或圖畫的形式直觀地表達(dá)認(rèn)識對象的特征的模型［1］。數(shù)學(xué)模型是用來描述一個(gè)系統(tǒng)或它的性質(zhì)的數(shù)學(xué)形式的模型［2］。概念模型是以圖式、文字、符號等組成的流程圖的形式描述、闡明生物生命活動(dòng)的規(guī)律和機(jī)理的模型［3］。

模型建構(gòu)是在科學(xué)研究方法和原則的基礎(chǔ)上，人為建立目標(biāo)對象模型的過程［4］。模擬實(shí)驗(yàn)是在人為控制研究對象的條件下進(jìn)行觀察，模仿實(shí)驗(yàn)的某些條件進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，如教材中性狀分離比的模擬實(shí)驗(yàn)、模擬減數(shù)分裂中染色體數(shù)目和主要行為的變化等實(shí)驗(yàn)。當(dāng)教學(xué)條件無法直接進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。模擬實(shí)驗(yàn)可架起抽象和具象之間的橋梁，將復(fù)雜的事物或問題轉(zhuǎn)化為簡單的模型，通過模型建構(gòu)直觀系統(tǒng)地呈現(xiàn)生物學(xué)知識，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和創(chuàng)新思維。

本文以人教版生物學(xué)選擇性必修2第 1 章第 1 節(jié)中“種群密度及其調(diào)查方法”這一內(nèi)容的教學(xué)為例，具體闡述如何合理選擇模擬物，建構(gòu)物理模型和數(shù)學(xué)模型，引導(dǎo)學(xué)生開展“利用樣方法和標(biāo)記重捕法調(diào)查種群密度”模擬實(shí)驗(yàn)，并在模擬實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行誤差分析，最后建構(gòu)概念模型對本節(jié)課的內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)歸納。

一、課前準(zhǔn)備

根據(jù)逐個(gè)計(jì)數(shù)法、樣方法和標(biāo)記重捕法的適用范圍，教師合理選擇模擬物，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。逐個(gè)計(jì)數(shù)法模擬實(shí)驗(yàn)選擇的模擬物為印有△和★兩種圖形的紙張（如圖1所示，紙張代表農(nóng)田，△代表農(nóng)作物，★代表某種雜草）。樣方法常采用正方形的樣方，樣方法模擬實(shí)驗(yàn)選擇的模擬物為田字方格紙、白米粒、黑米粒（如圖2所示，田字方格紙代表農(nóng)田，白米粒代表農(nóng)作物，黑米粒代表某種雜草）。標(biāo)記重捕法模擬實(shí)驗(yàn)選用的模擬物為燒杯、白米粒、黑米粒（如圖3所示，燒杯代表一片有邊界的草原，白米粒代表未被標(biāo)記的羊，黑米粒代表被標(biāo)記的羊）。

二、教學(xué)流程

（一）創(chuàng)設(shè)具體情境，引出種群密度

教師設(shè)問：假設(shè)你發(fā)明了一種新型除草劑，為了檢測除草劑的效果，在兩塊農(nóng)田中做了對照實(shí)驗(yàn)。為了檢測除草劑對某種雜草的防治效果，需要知道除草劑使用前后某種雜草的種群密度，你如何計(jì)算此種雜草的種群密度？

教師先給出物理模型（如圖4），并告知學(xué)生：紙張代表長和寬均為2米的草地，△代表蒲公英，★代表某種雜草，然后讓學(xué)生計(jì)算該草地中此種雜草的種群密度。學(xué)生根據(jù)初中所學(xué)的“密度”的概念，提出設(shè)想，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)種群密度的概念和計(jì)算方法。

設(shè)計(jì)意圖：將生物學(xué)知識置于具體情境中，并用物理模型直觀展示，引導(dǎo)學(xué)生將初中所學(xué)的“密度”的概念進(jìn)行遷移應(yīng)用，使學(xué)生能夠利用已有的知識建構(gòu)新知識。

（二）引入估算方法，選擇最優(yōu)模型

教師展示如圖4所示的物理模型，供學(xué)生進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，并告知學(xué)生：圖4模擬的是個(gè)體較小、范圍較大的農(nóng)田，其中△代表某種農(nóng)作物，★代表某種雜草。教師引導(dǎo)學(xué)生思考：要計(jì)算種群密度，首先要獲得種群數(shù)量和農(nóng)田面積，農(nóng)田面積可以測量，如何得出農(nóng)田中某種雜草的數(shù)量呢？

學(xué)生通過分析物理模型的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)可以采用取樣估算的方法。教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生說出估算種群數(shù)量的步驟、取樣的原則、常用的取樣方法、邊線上個(gè)體的計(jì)數(shù)方法等，并提出問題：取樣時(shí)是選擇正方形的樣方，還是三角形的樣方或圓形的樣方呢？學(xué)生帶著問題，分三組進(jìn)行樣方法模擬實(shí)驗(yàn)（如圖5）。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)歸納得出：正方形的樣方容易獲得，且面積計(jì)算較簡單，邊線個(gè)體計(jì)數(shù)更明確。

設(shè)計(jì)意圖：通過直觀模擬實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生采用不同形狀的樣方進(jìn)行取樣，體會(huì)在真實(shí)情境下選擇正方形樣方的優(yōu)點(diǎn)。

（三）實(shí)施模擬實(shí)驗(yàn)，匯總分析數(shù)據(jù)

教師將全班學(xué)生進(jìn)行分組，編號1～10組，給每個(gè)小組分發(fā)一張含11×16個(gè)小方格的田字方格紙，每個(gè)小組分發(fā)裝有200粒白米粒和100粒黑米粒的袋子，引導(dǎo)學(xué)生將白米粒和黑米粒在田字方格紙上混合攤開（如圖6），并模擬樣方法快速調(diào)查種群密度。

其中，1～5組估算白米粒的數(shù)量（代表個(gè)體數(shù)量多的種群），6～10組估算黑米粒的數(shù)量（代表個(gè)體數(shù)量少的種群）。田字方格紙里的方格代表正方形的樣方。學(xué)生根據(jù)調(diào)查對象數(shù)量的多少，自行選擇樣方大小，樣方數(shù)量為5個(gè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，每個(gè)小組派代表將數(shù)據(jù)填寫到黑板上的表格中（如表1），供全班學(xué)生分析和討論。

教師公布白米粒和黑米粒的實(shí)際值，學(xué)生分析估算值與實(shí)際值偏差較大的可能原因——樣方大小不合適、取樣方法有誤、壓在邊線上的個(gè)體計(jì)數(shù)錯(cuò)誤等。教師引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)：取樣的關(guān)鍵是做到隨機(jī)取樣，不能摻入主觀因素。樣方的大小可根據(jù)種群個(gè)體數(shù)的多少進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)種群個(gè)體數(shù)較少時(shí)，樣方面積可適當(dāng)擴(kuò)大；壓在邊線上的個(gè)體可以采用“計(jì)上不計(jì)下，計(jì)左不計(jì)右”的計(jì)數(shù)方式；等等。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生利用樣方法估算黑白兩種米粒的數(shù)量，并通過自行決定樣方大小和位置，使學(xué)生在模擬實(shí)驗(yàn)中體會(huì)隨機(jī)取樣的重要性，體會(huì)樣方大小的確定應(yīng)與種群數(shù)量的多少有關(guān)。

（四）總結(jié)適用范圍，列舉調(diào)查實(shí)例

教師設(shè)問：若在一片已知面積的大草原中，牧民放養(yǎng)了很多白羊，我們是否能用樣方法調(diào)查這片草原上白羊的密度？教師引導(dǎo)學(xué)生歸納出樣方法的適用范圍：樣方法適用于調(diào)查植物等活動(dòng)能力弱的種群的密度，如某種植株及其植株上的蚜蟲、昆蟲卵、跳蝻等；對于活動(dòng)能力強(qiáng)、活動(dòng)范圍大的動(dòng)物，如草原上的羊、農(nóng)田中的鼠等，通常使用標(biāo)記重捕法來調(diào)查種群密度。

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)新情境，引出標(biāo)記重捕法；歸納樣方法和標(biāo)記重捕法的適用范圍，列舉調(diào)查實(shí)例。

（五）建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，提煉建構(gòu)依據(jù)

教師展示標(biāo)記重捕法模擬實(shí)驗(yàn)的四個(gè)步驟（如圖7），并告知學(xué)生：燒杯代表一片有邊界的草原，白米粒代表未被標(biāo)記的羊，黑米粒代表被標(biāo)記的羊。步驟一，在燒杯中放入白米粒，計(jì)其總數(shù)為N粒；步驟二，用勺子取出白米粒若干并計(jì)數(shù)，記為M粒；步驟三，用M粒黑米粒代替白米粒，放入燒杯中并攪拌均勻；步驟四，用勺子取出混合米粒若干并計(jì)數(shù)，勺子中黑、白米粒共n粒，其中黑米m粒。

教師提出問題：哪個(gè)步驟代表標(biāo)記的過程？哪個(gè)步驟代表重捕過程？步驟三換入等量黑米粒后，為什么要攪拌均勻？你能否建構(gòu)數(shù)學(xué)模型估算步驟一中白米粒的數(shù)量，建構(gòu)該數(shù)學(xué)模型的依據(jù)是什么？

學(xué)生分小組討論，回答問題：步驟三用等量黑米粒代替白米粒代表標(biāo)記過程，步驟四代表重捕過程；步驟三換入等量黑米粒后攪拌均勻的目的是確保被標(biāo)記個(gè)體與未被標(biāo)記個(gè)體在重捕時(shí)被捕的概率相等；可以用m/n=M/N來估算步驟一中白米粒的數(shù)量，依據(jù)是勺子中黑米粒數(shù)量占米粒總數(shù)的比例等于燒杯中黑米粒數(shù)量占米粒總數(shù)的比例。通過對模擬實(shí)驗(yàn)的分析，教師引導(dǎo)學(xué)生歸納標(biāo)記重捕法的步驟和原理。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過觀察標(biāo)記重捕法模擬實(shí)驗(yàn)示意圖，以及討論分析教師提出的問題，理解標(biāo)記重捕法的步驟和原理，并且建構(gòu)數(shù)學(xué)模型解決問題。

（六）利用數(shù)學(xué)模型，分析實(shí)驗(yàn)誤差

教師介紹：在利用標(biāo)記重捕法調(diào)查動(dòng)物的種群密度時(shí)，若調(diào)查時(shí)操作不當(dāng)，估算值會(huì)偏大或偏小。并出示鞏固練習(xí)：下列哪些行為會(huì)使估算值偏大呢？A.標(biāo)記方法對動(dòng)物的身體產(chǎn)生傷害，在調(diào)查過程中被標(biāo)記個(gè)體死亡。B.標(biāo)志物過于醒目，被標(biāo)記個(gè)體易于被天敵捕食。C.標(biāo)記符號易于脫落，在調(diào)查期間消失。D.調(diào)查期間有較多未被標(biāo)記個(gè)體死亡或遷出。E.被標(biāo)記個(gè)體被捕獲一次后，難以再次被捕獲。

學(xué)生利用計(jì)算公式m/n=M/N，根據(jù)情境找出公式中的變化量，推測估算結(jié)果。教師總結(jié)歸納進(jìn)行標(biāo)記重捕法的注意事項(xiàng)。

設(shè)計(jì)意圖：利用課堂鞏固練習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系實(shí)際分析實(shí)驗(yàn)誤差，認(rèn)識利用標(biāo)記重捕法調(diào)查種群密度的注意事項(xiàng)。

（七）建構(gòu)概念模型，完善知識體系

教師介紹逐個(gè)計(jì)數(shù)法、樣方法和標(biāo)記重捕法是調(diào)查種群密度或數(shù)量的常用方法，這些方法需要直接觀察或捕捉個(gè)體，不適用于調(diào)查生活在隱蔽、復(fù)雜生活環(huán)境中的猛禽、猛獸等生物。科學(xué)家開發(fā)出一些調(diào)查種群數(shù)量或密度的新方法，如利用紅外觸發(fā)相機(jī)、不同動(dòng)物糞便的不同特征、不同個(gè)體聲音的差異等方法對種群數(shù)量進(jìn)行檢測。

教師給出本節(jié)課的關(guān)鍵詞，學(xué)生根據(jù)課堂所學(xué)知識，利用箭頭和文字表達(dá)概念之間的相互關(guān)系，建構(gòu)出概念模型（如圖8）。

設(shè)計(jì)意圖：簡單介紹科學(xué)研究中調(diào)查種群密度的新方法，拓展學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)的興趣。在建構(gòu)概念模型的環(huán)節(jié)中，教師提供“腳手架”，讓學(xué)生親自建構(gòu)概念間的聯(lián)系，有助于學(xué)生形成系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化的知識體系。

三、教學(xué)反思

本節(jié)課借助物理模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，建構(gòu)數(shù)學(xué)模型分析問題，利用概念模型建構(gòu)科學(xué)概念，讓學(xué)生在建構(gòu)模型的過程中發(fā)展科學(xué)思維。根據(jù)逐個(gè)計(jì)數(shù)法、樣方法和標(biāo)記重捕法的特點(diǎn)，教師選擇了田字方格紙、燒杯、白米粒、黑米粒作為模擬物，開展調(diào)查農(nóng)田中某種雜草、草原上的羊的種群密度的模擬實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在模擬實(shí)驗(yàn)過程中體驗(yàn)了實(shí)驗(yàn)操作步驟和方法，并明確了樣方法和標(biāo)記重捕法的概念、原理和注意事項(xiàng)。本節(jié)課利用模型建構(gòu)的方法，最大限度地接近學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”，使學(xué)生在已有的認(rèn)知水平上自主建構(gòu)知識和發(fā)展能力。

模型建構(gòu)教學(xué)對培養(yǎng)學(xué)生思維能力、創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力具有重要意義［5］。模擬實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了“教學(xué)做合一”的教育理念。在模擬實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備環(huán)節(jié)和教學(xué)環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了教師的主導(dǎo)地位和學(xué)生的主體地位。在模擬實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，教師應(yīng)根據(jù)原型的特點(diǎn)合理選擇模擬物，預(yù)設(shè)學(xué)生可能出現(xiàn)的問題，并設(shè)計(jì)好應(yīng)對方案；在模擬實(shí)驗(yàn)過程中，關(guān)鍵是讓學(xué)生動(dòng)手做、動(dòng)腦想，教師要引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，從而提升學(xué)生的科學(xué)思維能力和科學(xué)探究能力。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

［1］? 人民教育出版社，課程教材研究所，生物課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書 生物學(xué) 必修1 分子與細(xì)胞［M］.北京：人民教育出版社，2019.

［2］? 人民教育出版社，課程教材研究所，生物課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書 生物學(xué) 選擇性必修2 生物與環(huán)境［M］.北京：人民教育出版社，2015.

［3］? 陳欣.概念模型在高中生物學(xué)重要概念教學(xué)中的應(yīng)用［J］.中學(xué)生物教學(xué)，2014（10）：16-18.

［4］? 王睿.淺析高中生物教材中模型與建構(gòu)的應(yīng)用［J］.科教文匯（中旬刊），2021（20）：165-167.

［5］? 郝琦蕾，姚燦.基于核心素養(yǎng)的高中生物模型建構(gòu)教學(xué)研究［J］.教學(xué)與管理，2019（12）：111-113.

（責(zé)任編輯 黃春香）