跨學科融合視角下生物學建模教學創新

在當今數字化時代，信息技術飛速發展為教育領域帶來了前所未有的機遇與挑戰。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）強調以核心素養為導向，注重培養學生的科學思維與實踐能力。然而，傳統教學模式在培養學生對復雜生物學現象的理解和分析能力方面存在一定的局限性。為了突破這一瓶頸，筆者將計算機建模技術引人高中生物學教學，以數字化手段助力模型建構，使它成為一種創新且有效的教學策略。本文通過分析中美課標中模型建構的要求，結合具體教學案例，探討如何利用計算機模型模擬生物學過程，發展學生的科學思維與核心素養。

一、核心素養導向的模型建構價值：基于中美課標的對比分析

科學思維是一種尊重事實和證據、崇尚嚴謹和務實的求知態度，它不僅是能力和品格的體現，更是新課標中四大生物學核心素養之一{1。學生在面對生命現象時，可以通過抽象、概括（概念）、判斷（命題）和推理（歸納、演繹）等步驟進行處理，這些步驟涉及歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等多種方法[2]。其中，“模型”這一概念在新課標中占據重要地位，共被提及36次，廣泛出現在次位概念、學業要求、評價建議以及學科核心素養水平劃分表等部分。例如，次位概念2.1.2要求學生嘗試建立數學模型來解釋種群數量的變動（第24頁）；新課標大概念2的學業要求強調應用數學模型來表征種群數量變化的規律，分析和解釋影響這一變化規律的因素，并應用于相關實踐活動中（第26頁）。模型的概念同樣存在于《美國新一代科學教育標準》（NGSS）中，“系統與系統模型（systemandsystemmodel）”被列為跨學科概念[3。《新一代科學教育標準一一學科核心概念序列》詳細描述了系統與系統模型在不同學段和主題中的應用，指出模型（例如實物模型、數學模型以及計算機模型）可以用來模擬不同尺度上的系統及其內部與系統之間的相互作用，包括物質、能量和信息流（HS-LS2-5）[4]。

模型和模型建構在科學思維的培養中扮演著關鍵角色，它們作為一種認知工具（科學方法）和思考方式（科學思維），能夠幫助學生識別并抽象事物的核心要素，從而深化對現象、概念、過程及系統的理解，培養系統性思維。物理模型通過直觀的實物或圖畫形式，幫助學生將理論與現實問題聯系起來，促進自主探究。例如，DNA雙螺旋模型和細胞膜流動鑲嵌模型不僅讓學生能夠直觀地理解復雜的生物學結構，還能夠引導學生分析這些結構與其功能之間的關聯，形成結構與功能關系的整體認識，最終上升為“結構與功能觀”。概念模型將事物的本質特征用學科語言加以提煉，使學生能夠建立知識之間的聯結，幫助學生從宏觀層面把握生命現象的基本原理，從而在認知上實現從具體到抽象的過渡。例如，食物鏈（網）和光合作用概念能幫助學生發現生態系統中的能量流動和物質循環，引導學生形成正確的“物質與能量觀”。數學模型則通過對數據和現象的量化分析，用數學的形式描述事物呈現和變化的規律，提升學生的邏輯推理能力，促進學生深人思考科學問題的本質。例如，種群增長的“J”形曲線和“S”形曲線可以幫助學生理解和預測生物系統的動態變化；酶活性受溫度和pH影響的關系圖幫助學生理解酶活性與環境因素的關系，形成一定的“穩定與變化觀”。

具備模型構建能力的學生能夠利用模型分析與解釋新的現象和數據，清晰地描繪出系統的結構、相互關系以及運作流程[5]。學生參與模型建構，能夠更深人地理解生物學現象的復雜性及本質特征，并將這些知識應用于解決實際問題。因此，模型及模型建構對發展學生科學思維具有重要作用，在指向核心素養的生物學教學中，教師需要加強學生的模型意識和系統意識。

二、教材中模型建構內容的圖譜化解析

模型類型主要包括物理模型、概念模型和數學模型等。教師可以借助這些模型，采用多種方式幫助學生理解學科內容并形成科學思維。值得注意的是，同一內容的本質可以通過構建不同類型的模型來表達。例如，呼吸作用可以通過概念模型、化學方程式、有氧呼吸和無氧呼吸的實物圖解等多種方式詮釋。表1對新教材中可以進行模型建構的內容進行了總結，其中數字1、2、3分別表示物理模型、概念模型和數學模型。

模型與模型建構的思維貫穿于教材始終，為學生形成生命觀念提供了有力支持。教師構建不同類型的模型，能夠幫助學生更直觀地理解復雜的生物學概念。例如，構建DNA雙螺旋模型，不僅能讓學生清晰地理解DNA的結構特征，而且能揭示其穩定性與作為遺傳信息載體的功能之間的內在聯系。此外，分離定律、自由組合定律以及種群增長曲線等重要生物學概念，可以利用概念模型和數學模型進行描述、解釋和規律揭示。在此基礎上，進一步引入計算機模型進行輔助教學，能夠為學生提供更為豐富的學習體驗，幫助他們從多個角度深人理解這些概念。這種方法不僅加深了學生對生物學知識的理解，而且培養了他們的科學思維和分析能力。

表1教材中可以進行模型建構的內容

三、計算機建模的課堂轉化：編程實踐與可視化教學

計算機模型在高中生物學教學中的應用已被廣泛研究和深人探索，成為培養學生科學思維和實踐能力的有效手段。在生物學科的眾多教學輔助工具中，GeneticsToolKit和Pedagogical軟件能夠模擬孟德爾雜交實驗、果蠅繁殖實驗等經典生物學實驗。此外，中學課堂上教師還可以引入編程元素，例如編寫Python代碼、設計程序，模擬孟德爾豌豆雜交實驗、種群增長曲線等。學生通過程序模擬和預測生物體的遺傳特征、種群數量變化等，能夠更深入地理解生物學的本質。

使用計算機模型模擬生物學現象的關鍵是以需求為導向，尋找并抽象出生物學現象的本質，再將其轉化為數學模型。通過代碼實現對生物學現象的模擬，并通過運行與優化使其更貼近生物學現象的本質。這一過程涉及分析、抽象分解、建模和綜合評估等環節，有助于發展學生的生物學學科核心素養與計算思維能力。具體流程如下：

第一步，需求分析與模型設計：基于生物學知識，對問題進行抽象與分解，明確核心變量及其關系（例如種群動態中的增長速率與資源限制，或遺傳學中的基因型與表現型的關系）。在此基礎上選擇函數，建立初步的數學模型或算法框架。

第二步，模型實現與編程：利用編程語言（如Python），將數學模型轉化為可執行的代碼。編寫的程序應能準確模擬生物學現象的變化過程（如種群數量的變化或遺傳比例的計算），并以圖表等可視化形式直觀地展現模擬結果。

第三步，測試與優化：在程序運行過程中，通過調試和糾錯識別模型不足，并通過調整參數、優化算法等手段提高模型的精確度與適用性。

第四步，權衡與評價：在完成模型后，從科學性、效率與實際應用價值等多個維度對模型進行全面評估，尋找模型的局限性及改進空間，增強對問題復雜性的全面理解。

基于上述理論框架，筆者通過以下實例展示計算機程序對生物學現象背后的本質的建模和模擬過程：計算機程序模擬大腸桿菌在營養液中的種群數量和營養物質隨時間變化的情況。掃碼查看實例的完整代碼和運行視頻。

案例：模擬大腸桿菌在營養液中的種群數量和營養物質數量隨時間的變化。

本程序采用邏輯斯蒂（Logistic）增長模型來模擬天腸桿菌在營養液中的種群數量和營養物質數量隨時間的變化。該模型假設種群增長受到環境最大容納量的限制，并且當前種群數量和營養物質的可用性對其產生影響。在這一模型中，營養物質被視為一種有限資源，而天腸桿菌則是消耗該資源的生物體。師生調整初始種群數量、環境最大容納量、大腸桿菌初始增長速率、營養物質消耗速率以及大腸桿菌死亡速率等參數，可以生成不同類型的種群增長曲線。這一模擬過程不僅有助于理解天腸桿菌種群動態，還揭示了資源限制對生物種群增長的影響。表2為該模擬實驗用到的原理、計算思維步驟及運行的設計思路。

根據以上思路設計Python代碼，步驟如下：

步驟1：安裝軟件并導人必要的庫。

在Python環境中安裝如下庫：NumPy庫用于科學計算；Matplotlib庫用于繪圖；Pandas庫用于數據處理和分析。

步驟2：設定初始參數。

定義模型初始化參數與大腸桿菌在營養液中的種群數量和營養物質數量隨時間變化的模型，包括基本條件：（1）定義初始參數，如初始種群數量 （n₀） 、最大容納量 （k） 、初始增長速率 （r） 1營養物質的消耗速率 （K） 和死亡速率 （d） 。（2）指定模擬的時間步長 （dt） 和總時間 （t_max） 。（本例中 n₀=100 ； k=40000 ； r=0.15 ； K=0.01 d=0.0025 ； dt=0.1 ； t_max=80 ）。

步驟3：模擬大腸桿菌在營養液中的種群數量和營養物質數量隨時間的變化。模擬過程中，程序會實時計算大腸桿菌種群數量和營養物質的含量，因此可以將此模擬過程拆分為5步，見表3。

表2設計思路

此外，步驟3涉及一些關鍵程序，例如：

（1）simulate_growth函數：data pd.DataFrame（columns O= ['Time'，'Population'，'Nutrient'，'GrowthRate']）：創建一個空的PandasDataFrame，用于存儲模擬結果，包括時間、種群數量、營養物質數量和生長速率。

（2）data.loc[0] ∣= [0， n₀ ，k，r]：初始化DataFrame的第一個數據點，即初始時間點的種群數量、營養物質數量和增長速率。

（3）time_steps L= np.arange s（0，t_max，dt） ：生成一個時間步長的數組，表示模擬的時間點。

（4）fori， t in enumerate（time_steps[1]，start =1 ）：迭代模擬，從第一個時間步長開始。

（5）種群數量（population）和營養物質數量（nutrient）的計算使用差分方程，考慮了種群的增長、資源的消耗以及死亡。

表3步驟拆分

（6）如果營養物質耗盡（nutrient _lt;0 ），則將種群數量置為0并退出模擬。

（7）將每個時間步長的結果添加到DataFrame中。

（8）simulation_data simu-late_growth（no，k，r，K，d，dt，tmax）：調用simulate_growth 函數進行模擬，得到結果。

步驟4：將計算機程序模型結果可視化。

調用Matplotlib繪制模型結果，繪制大腸桿菌在營養液中的種群數量和營養物質數量隨時間變化的曲線圖。

總之，本程序通過數學模型和可視化展示了一個簡化的大腸桿菌種群與營養物質之間的動態關系。圖1展示了參數設置為：初始種群數量為100、營養液中的最大容納量為40000、大腸桿菌初始增長速率為0.15、營養物質的消耗速率為0.01、大腸桿菌死亡速率為0.0025時，種群增長的曲線（綠色為大腸桿菌種群增長曲線，藍色為營養物質含量曲線）。這個例子清晰地揭示了種群數量和營養物質之間的相互作用，以及隨時間推移大腸桿菌種群數量的變化趨勢。調整不同的參數，我們可以獲得不同類型的曲線（如S形、J形增長曲線），這有助于學生更好地理解和預測生態系統中生物體之間的相互作用。

四、總結

隨著人工智能的迅猛發展，教師在教學過程中應特別注重培養學生的高階思維能力[。技術本身并非關鍵，重要的是能夠提出富有創造性的問題，并找到解決方案。分析上述實例，我們發現計算機模型具有高度自定義性、易操作性、超大樣本量以及高可視化程度等顯著優勢。這些特點使其能夠作為物理、概念和數學模型之外的新型教學工具，成功融人課堂教學之中。學習知識的最終目的是應用。學生需要深入理解本學科的知識與原理，掌握學科特有的思維方式和方法，并將其遷移到其他學科或日常生活中。通過跨學科的知識融合與轉化，學生能夠更好地將知識應用到本學科學習和實際生活中。在創建計算機模型實例時，教師可以通過多樣化的建模方式，培養學生系統地、多角度地分析問題、思考問題和解決問題的能力。這不僅有助于學生深人了解生物學現象的本質，而且能提升他們對生物學本質的理解，進而發展科學思維和生物學核心素養。

圖1大腸桿菌種群數量隨時間變化曲線

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]譚永平.生物學學科核心素養：內涵、外延與整體性[J].課程·教材·教法，2018（8）：86-91.

[3] NGSS Lead States. Next Generation Science Stan-dards：ForStates，by States[M].National AcademiesPress，2013.7.

[4]美國科學教育標準制定委員會.新一代科學教育標準學科核心概念序列和主題序列[M].葉兆寧，楊元魁，周建中，譯.北京：中國科學技術出版社，2020.

[5]胡衛平.深入理解科學思維有效實施課程標準[J].課程·教材·教法，2022（8）：55-60.

[6]王學男，李永智.人工智能與教育變革[J].電化教育研究，2024（8）：13-21.

（作者汪玉祥系西南大學附屬中學校教師；周廣志系廣州市天府路小學教師；葉曉陽系溫州市甌江口實驗學校教師；何鳳系西南大學附屬中學校教師）

責任編輯：祝元志