模型及模型方法在生物教學(xué)中的應(yīng)用

1、模型及模型方法在生物教學(xué)中的應(yīng)用陳晶 九臺市三臺中心學(xué)校摘 要：隨著課程標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，模型和模型方法已經(jīng)成為高中生物教學(xué)課堂教學(xué)的重要內(nèi)容之一。從某種意義上說，利用模型及模型方法教學(xué)已經(jīng)成為高中學(xué)生學(xué)習(xí)生物知識必不可少的方式。本文通過對人教版三個必修模塊中與模型相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行分類與總結(jié)，以案例的形式對模型的構(gòu)建及如何利用模型的方法進(jìn)行教學(xué)提出了一些建議。關(guān)鍵詞：高中生物學(xué); 模型; 模型方法The Application of Modeling and Modeling Method in High School Biology TeachingChen Jing San Tai central

2、 school of Jiu TaiAbstract: Along with the new curriculum standard (testing), models and the implementation of the high school biology curriculum method has become one of the important contents of content, in a sense, use model and the model teaching methods has become high school students study bio

3、logical knowledge indispensable way. This paper is mainly about what is model method , its classify in three o 'clock required mode and some teaching cases using the method.Key words: high school biology ; modeling ; modeling approach教育部2003年頒布的普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗）（以下簡稱為課程標(biāo)準(zhǔn)）中，明確規(guī)定教學(xué)目標(biāo)分為知識目標(biāo)，能力目標(biāo)及情感、態(tài)

4、度價值觀。其中能力目標(biāo)包括操作技能，信息能力和科學(xué)探究能力三個方面，在操作技能這一方面明確指出“了解建立模型等科學(xué)方法及其在科學(xué)研究中的作用，培養(yǎng)學(xué)生的建模思維和建模能力，領(lǐng)悟、建立數(shù)學(xué)模型等科學(xué)方法及其在科學(xué)研究中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的建模思維和建模能力，獲得生物學(xué)的基本事實(shí)、概念、原理、規(guī)律和模型等方面的基礎(chǔ)知識”1。見，建模思維和建模能力被提到了較高的高度，被認(rèn)為是將來學(xué)生從事科研的必備能力。但由于以往對模型的重視不多，相關(guān)的理論研究不多，在實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐中往往不能達(dá)到預(yù)期的效果，本文就根據(jù)眾多文獻(xiàn)的綜合來談?wù)剬δＰ图澳Ｐ头椒ǖ恼J(rèn)識。1、對生物模型方法的認(rèn)識 按錢學(xué)森的觀點(diǎn)：“模型就是通過我

5、們對問題的分析，利用我們考察來的機(jī)理。吸收一切主要因素，略去一切不主要因素所創(chuàng)造出來的一幅圖畫”2。就是把研究對象(原型)的一些次要的細(xì)節(jié)、非本質(zhì)的聯(lián)系舍去，從而以簡化和理想化的形式去再現(xiàn)原形的各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)、功能和聯(lián)系的一種科學(xué)方法。它是邏輯方法的一種特有形式，是現(xiàn)代科學(xué)的一種認(rèn)識手段和思維方法，是連接理論和應(yīng)用的橋梁。抽象化和具體化是模型方法的兩個重要特征（如下圖-1所示）3。 圖-1原型模型理論抽象化解釋證明具體化 一方面，在模型思維中，我們可以從原型出發(fā)，根據(jù)某一特定目的，抓住原型的本質(zhì)特征，對原型進(jìn)行抽象，把復(fù)雜的原型客體加以簡化和純化，建構(gòu)一個能反映原型本質(zhì)聯(lián)系的模型，并進(jìn)而通過對模

6、型的研究獲取原型的信息，為形成理論建立基礎(chǔ)。另一方面，高度抽象化地科學(xué)概念、假說和理論要正確體現(xiàn)其認(rèn)識功能，又必須具體化為某個特定的模型，才能發(fā)揮理論指導(dǎo)實(shí)踐的作用。所以模型作為一個認(rèn)識手段和思維方式，是科學(xué)認(rèn)識過程中抽象化與具體化的辯證統(tǒng)一4。2、生物模型的類型我國高中生物學(xué)的教科書（以2004年初審?fù)ㄟ^的人教版模塊教科書為例）提供了豐富的模型資源。生物模型根據(jù)模型所代表和反映的方式一般分為物理模型和數(shù)學(xué)模型兩大類。在高中生物的三個必修模塊中，物理模型又可分為物質(zhì)模型和思想模型，數(shù)學(xué)模型又可分為確定性模型和隨機(jī)性模型。具體再分類可用如下表-1所示：表-1 模型的分類物理模型數(shù)學(xué)模型物質(zhì)模型思

7、想模型確定性模型隨機(jī)性模型高中生物必修一嘗試制作真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建人體細(xì)胞與外界環(huán)境的物質(zhì)交換模型利用廢舊物品制作生物膜模型生物膜的流動鑲嵌模型高中生物必修二制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型高中生物必修三建立血糖調(diào)節(jié)的模型生態(tài)系統(tǒng)的能量流動模型建立減數(shù)分裂中染色體變化的模型種群的J型增長曲線碳循環(huán)模型減數(shù)分裂中DNA的數(shù)量變化種群的S 性增長曲線生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型有絲分裂過程中DNA及染色體數(shù)量的變化達(dá)爾文自然選擇學(xué)說的解釋模型3、生物模型的教育功能3.1 模型教學(xué)能促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知水平的發(fā)展科學(xué)教育應(yīng)當(dāng)促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知水平的發(fā)展，這種觀點(diǎn)已為科學(xué)教育工作者所接受。但具體實(shí)施的方法還是一個正在探討的問

8、題。我們認(rèn)為，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知水平的發(fā)展，主要還是將學(xué)生的認(rèn)知水平從具體運(yùn)算提高到形式運(yùn)算水平，也即使學(xué)生逐步從具體向抽象過渡，能對抽象的假設(shè)或命題進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換。這一過程當(dāng)然離不開從具體到抽象的過渡訓(xùn)練，而這種既能聯(lián)系具體，又能聯(lián)系抽象的性質(zhì)，正是模型所特有的。模型一方面提供了這種教學(xué)的情境，另一方面又使學(xué)生在這種從具體到抽象的認(rèn)識過程中發(fā)生認(rèn)知突變，從而促進(jìn)認(rèn)知水平的發(fā)展。3.2 模型教學(xué)能使學(xué)生更好地掌握科學(xué)知識首先，模型是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)知識的重要手段，學(xué)生掌握了模型方法能更透徹地理解科學(xué)知識。其次，模型方法作為思維方法和行為方式，蘊(yùn)含著很高的認(rèn)知價值。學(xué)生一旦將模型方法內(nèi)化為自己的認(rèn)知圖式，就

9、能獲得認(rèn)知水平的發(fā)展。最后，模型方法教育還有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力。3.3 模型教學(xué)能培養(yǎng)學(xué)生的研究能力模型的建立過程就是一個科學(xué)研究的過程。在這一過程中，需要學(xué)生自己確定研究對象，設(shè)置已知量與未知量，運(yùn)用科學(xué)規(guī)律，選擇研究方法，檢驗?zāi)Ｐ褪欠衽c實(shí)際相一致，這對學(xué)生研究能力的培養(yǎng)有著很好的作用。3.4 模型教學(xué)能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神模型建立的實(shí)質(zhì)就是要在原型的背后揭示出所包含的科學(xué)規(guī)律。然而，這種規(guī)律往往隱藏在現(xiàn)象的背后，并被紛繁復(fù)雜的非本質(zhì)的、無關(guān)因素所掩蓋。這樣，模型的建立過程就必然是一個艱苦的探索、發(fā)現(xiàn)的過程。它來不得半點(diǎn)虛假，需要有嚴(yán)謹(jǐn)、誠實(shí)的科學(xué)態(tài)度。模型的得來也并非“一蹴而就”，

10、往往要使認(rèn)識主體經(jīng)歷一個“苦其心志、勞其筋骨”的認(rèn)識過程，需要有堅韌不拔的意志。因此，模型的建立既培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)態(tài)度，又培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)作風(fēng)。4、生物模型的構(gòu)建方法明確類型 明確所構(gòu)建的模型屬于哪種類型，知道該模型的特點(diǎn)及所要表現(xiàn)的形式。掌握原理 掌握模型所代表的知識、過程、規(guī)律、機(jī)理等，弄清楚模型的構(gòu)成要素或包含內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系。型的構(gòu)成要素或所包含的內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系。 修飾完善 對照原理查檢所構(gòu)建的草圖（框架），確保其科學(xué)性；然后進(jìn)一步修飾完善模型，力求規(guī)范、簡潔、直觀、有美感。構(gòu)建草圖 選擇適當(dāng)?shù)膱D形、文字、符號、勾勒出草圖，或用適當(dāng)?shù)目蚣艽罱?。在?gòu)建是只需要考慮大多數(shù)情況即可，一

11、般不考慮極少數(shù)情況或特例補(bǔ)充詮釋 添加一些必要的文字說明、示例、圖注等，使模型更科學(xué)、更清楚、更規(guī)范。5、運(yùn)用模型的方法進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐5.1 動手構(gòu)建模型，領(lǐng)悟和運(yùn)用建立模型的方法5.1.1 構(gòu)建模型的方法也是現(xiàn)代生物研究的重要方法 高中生物三個必修模塊中含有豐富的模型建立的活動，具體可參照上文中的表-1，三個模塊中模型建立的特點(diǎn)是提供一定的指導(dǎo)，由學(xué)生動手動腦建構(gòu)模型，提出的能力目標(biāo)是讓學(xué)生領(lǐng)悟和運(yùn)用建構(gòu)模型的方法。例如第三章“制作真核細(xì)胞模型”。教材中描述的是在電子顯微鏡下才能觀察到的微細(xì)結(jié)構(gòu)，因而學(xué)生缺乏感性認(rèn)識。因此，學(xué)生親身體驗?zāi)M制作“細(xì)胞”的立體結(jié)構(gòu)模型有助于再現(xiàn)實(shí)驗條件下讓細(xì)胞變

12、“微觀”為“宏觀”，而更好地構(gòu)建他們完整的知識體系。5.1.2 模型制作的過程我們制作的細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型是屬于實(shí)物模型，是對原型的模仿和抽象?，F(xiàn)以動物細(xì)胞和植物細(xì)胞為例，體驗建構(gòu)模型過程:(l)分組進(jìn)行討論，動、植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)主要包括哪些，設(shè)計制作模型方案。方案:動物細(xì)胞主要結(jié)構(gòu)有細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核，其中細(xì)胞質(zhì)中含各種細(xì)胞器，主要有線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、核糖體、中心體、溶酶體等。植物細(xì)胞與動物細(xì)胞的主要區(qū)別是不含中心體，但含有葉綠體和細(xì)胞壁。(2)尋找和選擇材料：泡沫塑料、木板、紙板、橡皮泥、線繩、布、塑料袋、細(xì)鐵絲、大頭針、鐵碗等。(3)小組討論制作模型規(guī)格(大小，展示的是全部還是局部，

13、平面圖還是立體圖等)、模型包含的結(jié)構(gòu)等。(4)小組討論材料使用。各種細(xì)胞結(jié)構(gòu)用何種材料，細(xì)胞結(jié)構(gòu)如何制作，細(xì)胞結(jié)構(gòu)之間如何連接等都需討論、細(xì)化。真實(shí)的細(xì)胞顏色并不鮮艷，但是可以用不同的顏色區(qū)分不同的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞的各部分結(jié)構(gòu)特點(diǎn)更加突出，便于觀察。(5)學(xué)生以小組形式合作完成真核細(xì)胞的模型制作，并交流成果，作出評價。(6)成果:學(xué)生做的模型有：用硬紙殼作“細(xì)胞壁”，塑料薄膜緊貼其上當(dāng)作“細(xì)胞膜”，用橡皮泥精心捏制成各種各樣的細(xì)胞器;用精美的包裝盒作細(xì)胞壁，內(nèi)有一層硬質(zhì)的透明殼作細(xì)胞膜，用瓊脂制作透明的細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)，用中藥小藥丸作核糖體散放在其內(nèi)，非常形象直觀，也利于保存和收藏等。在整個制作過程

14、中，學(xué)生討論分析，分工合作，氣氛熱烈。5.1.3 模型制作的學(xué)習(xí)價值通過模型制作實(shí)踐活動，進(jìn)一步探究細(xì)胞的結(jié)構(gòu)及功能，使學(xué)生由理性認(rèn)識轉(zhuǎn)向感性認(rèn)識，更容易把握細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性以及與其功能相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn);而且通過分組活動，小組各成員能分工合作，積極思維，互幫互助，相互促進(jìn)和提高，最后給小組成員及其作品合影留念增加了學(xué)生之間的感情。5.2 模型做為工具，用來分析研究對象除了學(xué)生自己建構(gòu)模型，教材中還把模型作為工具，用來分析研究對象的組成因素，各因素之間的關(guān)系，因素運(yùn)行的特點(diǎn)，預(yù)測評價等。在生產(chǎn)生活中，模型也可以是工具，定量評價，預(yù)測，檢驗研究對象中特征因素的變化，解決有關(guān)的生物學(xué)問題。例如:在“

15、生物與環(huán)境”知識模塊中有這樣一道題：下面2條食物鏈，假如生產(chǎn)者的數(shù)量一樣多，能量傳遞效率相同，哪條食物鏈中，消費(fèi)者所包含的能量多？草羊狼；草蟲子鳥鷹。學(xué)生中的答案普遍有兩種(設(shè)草固定的總能量為A，能量傳遞效率為20%)。第一種:草 羊 狼A 20%A 20%×20%A消費(fèi)者所包含的能量=20%A+20%×20%A。草 蟲子 鳥 鷹A 20%A 20%×20%A 20%×20% ×20%A消費(fèi)者所包含的能量=20%A+20%×20%A +20%×20%×20%A。所以食物鏈消費(fèi)者所包含的能量大于中消費(fèi)者所包含的能量。第二種:假設(shè)第二，第三，第四營養(yǎng)級呼吸作用消耗能量分別為a，b，c。食物鏈消費(fèi)者所包含的能量=A-(a+b)；食物鏈消費(fèi)者所包含的能量=A-(a+b+c)。結(jié)果與第一種相反，這兩種好象都有道理，孰錯孰對？ 教材中提供了生態(tài)系統(tǒng)能量流動的概念模型，定量描述能量流動的特點(diǎn)：生產(chǎn)者初級消費(fèi)者次級消費(fèi)者三級消費(fèi)者呼吸作用分解者從模型分析，每個營養(yǎng)級(除了第一營養(yǎng)級外)的能量由上一個營養(yǎng)級傳遞而來，能量去向有3個：自身的呼吸作用，傳遞給下一個營養(yǎng)級，遺體殘骸中的能量交給分解者。上面4種解法，第一種未考慮每個營養(yǎng)級中應(yīng)該有呼吸作用等散失能量，第二種方法相對正確。 總之，建立生物模型在高中生物研究中