生物建模在高中生物教學中的運用

【摘要】生物建模是以實際問題為載體，將生物建模、生物知識和計算機應用有機結合，讓學生順著科學的思路和方法建立起生物學知識和外部世界的聯系，這種聯系對于培養學生從生物學科的角度發現問題、提出問題、分析問題和運用生物學知識解決實際問題的能力具有重要的作用?；诖耍恼绿接懥松锝ν苿由飸煤腿瞬排囵B的重要性以及在課堂教學中的運用策略，即利用現代科技，為學生建構三維立體化物理模型；滲透數學思維，為學生建構數學模型；借助實踐活動，為學生建構概念模型。

【關鍵詞】生物教學；生物建模；重要性；運用策略

【中圖分類號】G633.91【文獻標志碼】A【文章編號】1004—0463（2024）18—0061—04

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下稱“新課標”）將“科學思維”列為生物學學科核心素養的重要內容，明確指出“學生應該在學習過程中逐步發展科學思維，如能夠基于生物學事實和證據運用演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創造性思維等方法，探討、闡述生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題”[1]。而在實際教學中，教師發現高中生物知識內容多、難度大，需要花費大量的精力和時間，導致教師在平時的課堂教學中不得不只注重對知識的講解，忽視了對學生提出問題的能力訓練。以往通過刷題的辦法還能應對高考，如今隨著新高考模式的實施，考試題目靈活多變，需要學生具備更高的思維能力、創造力以及準確的生物學術語和邏輯思維能力，教師在教學中就不能再按部就班地講授傳授系統的知識，很有必要把生物學習和豐富多彩、生動活潑的現實生活聯系起來，打開學生的視野，拓寬學生的知識領域。建模活動就是在實際問題和生物學知識之間打開一個通道，為學生提供了一種有效的學習方式，使學生能身臨其境地介入生物知識的發現或創造過程，取得書本上無法代替的寶貴經驗和切身感受，提高學生解決實際問題的能力。生物建模是生物走向應用的必經之路，也是啟迪生物學心靈的必勝之途。

一、生物建模的概念

生物建模和生物學的應用有關系，生物學要走向應用，真正顯示出它在各個領域應用中的關鍵作用以及強大的生命力，必須要在實際問題和生物學之間架設一座橋梁。首先要將實際問題轉化為相應的生物學問題，然后對生物學問題進行分析或計算，最后將所求得的結果或解答回歸實際，看能不能有效地回答原先的實際問題。這個全過程，其中的第一步就稱為生物建模，即為所考查的實際問題構建生物模型。這里涉及兩個既有區別又有聯系的名詞和概念，一個是生物模型，另一個是生物建模，強調的是構建生物模型的過程和方法。

二、生物建模對發展生物學科和推動生物應用的重要性

引領未來五大科技之首的是生物科技，第一代生物技術是基礎發酵，比如大家熟知的釀酒、饅頭、醋、醬油等都是菌群發酵。第二代生物技術叫定向發酵，是在自然界中找到一種單一菌群，通過細菌工廠獲得我們需要的物質，比如味精原來都是從海產品里提取，人們找到谷氨酸棒桿菌后，通過發酵得到的谷氨酸鈉就是味精的主要成分，它利用了微生物的力量。第三代生物技術叫合成生物，比如諾貝爾獎得主屠呦呦院士發現的青蒿素原材料。由此可見，生物科技能夠改變人類的未來。生物學是人類文明的重要組成部分，生物學教育對提高全民素質，對培養拔尖創新人才有著舉足輕重的作用。從整個生物學的研究來說，生物建模能給雄偉的生物技術大廈奠基搭架，為整個后續的生物研究工作開辟道路，已經成為發展現代生物技術的重要突破口和核心內容。從高中生物課堂教學開始，教師就要重視對學生建模意識的培養，提高學生生物建模的自覺性。教師要敢于突破傳統課堂教學中的種種障礙，以一種全新的視角來看待高中生物課堂教學，在教學中不斷改變教學策略，既關注已知，也關注未知，為學生提供實用、有生活價值的學習。

三、生物建模對人才培養的重要性

在模型認知與建模能力方面，要求考生能圍繞實際問題查閱資料，收集、整理和加工信息，從學科角度發現問題、提出問題、分析問題，從而建立模型來解答，有時還需驗證結果并且改進模型，最終解決問題。學生要真正走進生物課堂，學好生物，并且熱愛生物學科，教師的教學就不能和其他學科以及整個外部世界隔離起來，只在生物學內部的概念、方法和理論當中繞圈子，不利于學生了解生物概念、方法和理論的來龍去脈，更不利于學生自覺地解決各種各樣的現實問題，長此以往也不利于提高學生的核心素養。直到近年來強調了生物建模在高中生物課堂教學中的重要性，這方面的情況才發生了很大的變化。在教學過程中，教師能把生物學習和豐富多彩、生動活潑的現實生活聯系起來，學生通過圍繞實際問題查閱資料，收集、整理和加工信息，經過獨立思考、反復鉆研并相互切磋形成相應的生物問題，進而分析問題的特點，尋求解決問題的方法且得到有關結論。這種學習方式使學生的抽象思維、簡化思維、批判性思維等高階思維能力得到了發展，集知識、能力和素質的培養必將有力地促進創新型優秀人才的培養。

四、生物建模在高中生物課堂教學中的運用策略

2.滲透數學思維，為學生建構數學模型。數學模型是用來描述系統或它的性質的數學形式。建立數學模型一般包括以下四個步驟：觀察研究對象，提出問題——提出合理的假設——根據實驗數據，用適當的數學形式對事物的性質進行表達，即建立數學模型——通過進一步實驗或觀察等，對模型進行檢驗或修正。數學模型可以以曲線圖、解析式和柱形圖的形式呈現，各有優劣。教學中通過引導學生建構數學模型，能有效培養學生解決實際問題的能力。

3.借助實踐活動，為學生建構概念模型。概念模型是以文字表述來抽象概括出事物本質特征的模型。在高中生物教學中，概念、抽象名詞以及這些概念之間的聯系特別多，面對龐雜零散的概念和名詞，學生感到非常困惑，好像一點規律都沒有，學生拼命去記一大堆概念。死記硬背的學習方法不可取，不僅記憶時間短，效率低，而且不能建立各概念之間的聯系。教學中借助生物實踐活動，構建概念模型，有助于學生將抽象、零散的知識點之間建立邏輯關系，有效提升學生的學習效率，更好地理解和應用生物學知識。

例如，學習選擇性必修1“植物生長素”內容時，為了讓學生從本質上理解生長素的生理作用、兩重性以及在生產生活中的應用，教師設置了三個問題：①放在窗臺上久不移動的盆栽花為什么會貼著玻璃生長？②農業生產上是保留還是解除頂端優勢？如何解除頂端優勢？③如何避免植物的向光性？課堂上，讓學生展開討論，剛開始學生對頂端優勢似懂非懂，答案五花八門，教師沒有過多地去評價，而是將全班同學帶到學校小花園，通過觀察花園中月季花的生長狀況去直觀感受植物的頂端優勢和向光性，比教師講授學生聽的效果好很多，然后引導學生用控制單一自變量的原則對生長狀況相似的月季花進行修剪，摘除一部分月季花的頂芽，另一部分保留頂芽，并將摘除頂芽月季花分成兩組，一部分不做處理，另一部分在切口處涂含有生長素的羊毛脂。學生每天大課間去小花園觀察月季花的生長狀況，兩周后教師統一帶學生觀察三組月季花的生長情況，發現保留頂芽和摘除頂芽但在切口處涂含有生長素的羊毛脂的月季花的側枝比摘除頂芽的月季花側枝要少。實踐活動結束后，要求學生以思維導圖的形式自主構建生長素的產生、分布、運輸、生理作用、作用的兩重性以及在生產中的應用幾個方面的概念模型。在構建概念模型的過程中，教師應該積極引導學生主動參與，可以通過小組討論、合作探究等方式，也可以讓學生自主設計概念層次結構和搭建邏輯關系。這種教學方式，不僅能夠提高學生的學習興趣和參與度，還能夠幫助學生更加清晰地理解頂端優勢產生的原因是頂芽產生的生長素向側芽運輸，使側芽生長素濃度過高，抑制了側芽的生長，并將所學過的生物知識更好地應用于實際問題的解決，有效提升了學生的實踐操作能力、實驗設計能力和科學思維能力。

生物建模是聯系實際問題和生物學之間的橋梁，已經成為發展現代生物技術的重要突破口和核心內容。高中生的好奇心強、想象力豐富，思維活躍，對生物建模很有利，作為高中生物教師，課堂教學中合理運用生物建模，將探究實踐、知識生成和科學思維的訓練有機結合起來，能打開學生視野，拓寬學生知識領域，發展學生生物學核心素養，促進學生的全面發展。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]石虹梅.模型構建在生物學教學難點突破中的應用[J].生物學通報，2014（03）：35-37.

[3]薛進.模型建構方法在生物教學中應用例析[J].佳木斯教育學院學報，2012（11）：262-263.

編輯：張昀