高中生物模型建構(gòu)教學(xué)研究與體會(huì)獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

高中生物模型建構(gòu)教學(xué)研究與體會(huì)獲獎(jiǎng)科研報(bào)告摘要：模型和模型方法在生命科學(xué)研究中發(fā)揮著重要作用，是學(xué)生獲取知識(shí)的條件，也是學(xué)生認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在高中生物學(xué)教學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和教育意義。

關(guān)鍵詞：高中生物模型建構(gòu)教學(xué)方法

我國(guó)《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》中的“知識(shí)”目標(biāo)指出：“獲得生物學(xué)基本事實(shí)、概念、原理、規(guī)律和模型等方面的知識(shí)。”新課標(biāo)明確將獲得生物學(xué)模型的基本知識(shí)作為課程目標(biāo)之一，并在內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)和活動(dòng)建議部分做了具體詳細(xì)的規(guī)定?？梢哉f(shuō)這是我國(guó)中學(xué)生物課程發(fā)展史上第一次將“生物模型”寫(xiě)入《大綱》（也就是課程標(biāo)準(zhǔn)）中。2016年福建省高考《生物考試大綱》將“建構(gòu)模型”納入“實(shí)驗(yàn)與探究能力”的考查范圍。因此，模型建構(gòu)不僅是課程目標(biāo)之一，還是高考的需要，更是改變學(xué)習(xí)方式，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的需要?？梢?jiàn)，生物模型的建構(gòu)在高中生物教學(xué)中有多么重要的地位。那么什么叫生物模型呢？高中生物有哪些生物模型建構(gòu)活動(dòng)呢？如何開(kāi)展模型建構(gòu)活動(dòng)呢？本文結(jié)合三年來(lái)高中課改實(shí)踐，就上述幾方面問(wèn)題做一探討。

一、模型與模型方法的內(nèi)涵及分類(lèi)

1.模型內(nèi)涵及分類(lèi)

所謂“模型”，就是模擬所要研究事物原型的結(jié)構(gòu)形態(tài)或運(yùn)動(dòng)形態(tài)，是事物原型的某個(gè)表征和體現(xiàn)，同時(shí)是事物原型的抽象和概括。不再包括原型的全部特征，但能描述原型的本質(zhì)特征。模型一般可分為物理模型和數(shù)學(xué)模型兩大類(lèi)。

物理模型就是根據(jù)相似原理，把真實(shí)事物按比例大小放大或縮小制成的模型，其狀態(tài)變量和原事物基本相同，可以模擬客觀事物的某些功能和性質(zhì)。物理模型可分為物質(zhì)模型和想象模型。生物學(xué)中物質(zhì)模型有實(shí)物模型和模擬模型，如生物體結(jié)構(gòu)的模式標(biāo)本屬于實(shí)物模型；而細(xì)胞結(jié)構(gòu)模式圖、減數(shù)分裂圖解等則屬于模擬模型。想象模型是事物在人們思想中的理想化反映，是物質(zhì)模型在思維中的延伸。根據(jù)建構(gòu)模型的思想方法不同，又可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是以形象化方法（或稱(chēng)為意象思維方法）構(gòu)建的具象模型，它是人們?cè)谒季S中通過(guò)對(duì)生物原型的簡(jiǎn)化和純化而構(gòu)思出來(lái)的，具象模型具有一定的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征。如DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型、細(xì)胞膜流動(dòng)鑲嵌模型、T2噬菌體的模型等。它能使研究對(duì)象直觀化，既可以促進(jìn)研究，又可以簡(jiǎn)略描述研究成果，使之便于理解和傳播。另一類(lèi)是以理想化方法（或稱(chēng)抽象思維方法）構(gòu)建的模型，是人們抽象出生物原型某方面的本質(zhì)屬性而構(gòu)思出來(lái)的，例如，物質(zhì)出入細(xì)胞的模型、細(xì)胞分裂過(guò)程模型、光合作用過(guò)程模型、呼吸作用過(guò)程模型、激素分泌的調(diào)節(jié)模型、動(dòng)物的個(gè)體發(fā)育過(guò)程模型、生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能模型等。

數(shù)學(xué)模型就是對(duì)于一個(gè)特定的事物為了一個(gè)特定目標(biāo)，根據(jù)特有的內(nèi)在規(guī)律，做出一些必要的簡(jiǎn)化假設(shè)，運(yùn)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具，得到的一個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，用來(lái)描述一個(gè)系統(tǒng)或它的性質(zhì)的數(shù)學(xué)形式。用符號(hào)、公式、圖像等數(shù)學(xué)語(yǔ)言表現(xiàn)生物學(xué)現(xiàn)象、特征和狀況的方法稱(chēng)為生物數(shù)學(xué)模型方法。如果其變量中不含時(shí)間因素，則為靜態(tài)模型，如種群數(shù)量變化曲線、生長(zhǎng)素作用的兩重性曲線、酵母菌生長(zhǎng)曲線等；如與時(shí)間有關(guān)，則為動(dòng)態(tài)模型，如基因表達(dá)模型、生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)模型等。

2.模型方法的內(nèi)涵及分類(lèi)

模型方法是以研究模型揭示原型的形態(tài)、特征和本質(zhì)的方法，是邏輯方法的一種特有形式。模型舍去了原型的一些次要的細(xì)節(jié)、非本質(zhì)的聯(lián)系，以簡(jiǎn)化和理想化的形式再現(xiàn)原型的各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)、功能和聯(lián)系，是連接理論和應(yīng)用的橋梁（模型和原型的關(guān)系如下圖）。

高中生物模型方法根據(jù)模型代表和反映的方式可以分為三大類(lèi)：物質(zhì)模型方法即用實(shí)物代替原物進(jìn)行研究的方法叫做物質(zhì)模型方法；想象模型方法即用想象的抽象物代替原型進(jìn)行研究的方法叫做想象模型方法，這種方法是人們抽象出生物原型某些方面的本質(zhì)屬性而構(gòu)思出來(lái)的，使對(duì)象簡(jiǎn)化便于研究；數(shù)學(xué)模型方法即用符號(hào)、公式、圖像等數(shù)學(xué)語(yǔ)言表現(xiàn)生物學(xué)現(xiàn)象、特征和狀況的方法。

二、高中生物人教版教材中的主要模型建構(gòu)活動(dòng)分析

三、開(kāi)展生物模型建構(gòu)活動(dòng)的程序和案例分析

1.開(kāi)展生物模型建構(gòu)活動(dòng)的基本程序主要包括：

（1）教師利用課堂教學(xué)時(shí)間介紹相關(guān)理論知識(shí)、建模過(guò)程、注意事項(xiàng)、獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制等。提醒學(xué)生在設(shè)計(jì)并制作模型時(shí)，科學(xué)性、準(zhǔn)確性應(yīng)該放在第一位，其次才是模型的美觀與否；（2）學(xué)生自由分組，在教師的指導(dǎo)下，確定原型與模型及進(jìn)行模擬的形式，并根據(jù)模擬的形式設(shè)計(jì)本組模擬的方案，然后小組成員根據(jù)分工準(zhǔn)備模擬材料并動(dòng)手制作模型；（3）各小組展示制作的模型，并給出書(shū)面介紹，便于各小組之間互評(píng)；（4）利用課堂或課余時(shí)間開(kāi)展一次展評(píng)會(huì)，各組選擇合適的方式介紹自己制作的模型，通過(guò)小組自評(píng)、組間互評(píng)、教師評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式評(píng)選出優(yōu)秀模型。對(duì)獲獎(jiǎng)的個(gè)人與小組頒發(fā)獎(jiǎng)勵(lì)，拍攝優(yōu)秀模型的制作過(guò)程，并利用校園墻報(bào)、廣播、網(wǎng)絡(luò)等方式進(jìn)行宣傳，便于交流，能很好地起到鼓勵(lì)本人、激勵(lì)他人的作用。

2.開(kāi)展生物模型建構(gòu)活動(dòng)的案例分析

如高中生物人教版必修3《生長(zhǎng)素的生理作用》一節(jié)教材中指出“生長(zhǎng)素在濃度較低時(shí)促進(jìn)生長(zhǎng)，在濃度過(guò)高時(shí)則會(huì)抑制生長(zhǎng)，甚至殺死植物”。學(xué)生在理解生長(zhǎng)素生理作用的兩重性時(shí)，難度最大的就是如何判斷什么時(shí)候是“低濃度”，什么時(shí)候是“高濃度”。為了幫助學(xué)生理解這一難點(diǎn)，我們?cè)诮虒W(xué)中引入數(shù)學(xué)模型：生長(zhǎng)素濃度對(duì)植物生長(zhǎng)的影響（如圖1）。由圖可知，b點(diǎn)為生長(zhǎng)素的最適濃度，在這一濃度下植物生長(zhǎng)速度最快；曲線abc段對(duì)植物生長(zhǎng)都有促進(jìn)作用，為生長(zhǎng)素的適宜濃度。在曲線ab段，生長(zhǎng)素的促進(jìn)作用隨著濃度的升高而增大，則ab段生長(zhǎng)素濃度為適宜濃度范圍內(nèi)的低濃度。在曲線bc段，生長(zhǎng)素的促進(jìn)作用隨著濃度的進(jìn)一步升高而逐漸減弱，則bc段生長(zhǎng)素濃度為適宜濃度范圍內(nèi)的較高濃度。c點(diǎn)時(shí)生長(zhǎng)素濃度對(duì)植物生長(zhǎng)無(wú)影響，既不促進(jìn)，又不抑制。在曲線cd段，生長(zhǎng)素完全表現(xiàn)為抑制作用，并且隨著生長(zhǎng)素濃度的提高，抑制作用逐漸增強(qiáng)，可見(jiàn)該范圍的生長(zhǎng)素濃度為“高濃度”。學(xué)生順理成章地理解了“生長(zhǎng)素生理作用的兩重性”這一知識(shí)。

圖1

3.防止建模活動(dòng)幼稚化為“游戲”

例如，必修3中安排的“建立血糖調(diào)節(jié)的模型”，目前看到的教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)案例，大多數(shù)都把主要精力放在模擬活動(dòng)上，有些教學(xué)活動(dòng)還在如何讓學(xué)生扮演胰腺、肝臟更為形象上下了不少工夫（如讓學(xué)生貼上胰腺、肝臟的圖片），模擬吃飯和運(yùn)動(dòng)后的反應(yīng)過(guò)程也不厭其煩，事實(shí)上，這個(gè)模型建構(gòu)活動(dòng)模擬過(guò)程的關(guān)鍵是：一要體現(xiàn)“激素”卡片作為信息起作用這一本質(zhì)，二要體現(xiàn)反饋和拮抗作用。模擬活動(dòng)后的討論，以及通過(guò)討論繪制圖解式模型應(yīng)該是本活動(dòng)的重中之重。也就是說(shuō)，模擬活動(dòng)旨在通過(guò)形象化展示肉眼看不見(jiàn)的過(guò)程，但這不是根本目的，在形象化基礎(chǔ)上再高度抽象出這個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程的本質(zhì)才是關(guān)鍵。缺少形象化之后抽象出調(diào)節(jié)過(guò)程的本