運(yùn)用信息技術(shù)進(jìn)行生物學(xué)模型方法教學(xué)

摘 要 從理論上對(duì)模型方法的概念、生物學(xué)模型方法的分類進(jìn)行歸納，強(qiáng)調(diào)了生物模型方法和信息技術(shù)的整合在生物學(xué)教學(xué)過程中的重要作用。實(shí)踐上，應(yīng)用信息技術(shù)制作生物模型，并有針對(duì)性地設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)模型方法的教學(xué)方案，具體落實(shí)在教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)過程中，取得了比較好的效果，為信息技術(shù)和生物學(xué)模型方法教學(xué)的整合提供了依據(jù)和案例。

關(guān)鍵詞 信息技術(shù) 生物模型 模型方法 生物學(xué)教學(xué)

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B

生物學(xué)研究對(duì)象是極其復(fù)雜的，對(duì)于每一個(gè)研究對(duì)象來說，它涉及的因素是相當(dāng)多的。因此，為便于研究生物問題和探究生物問題本質(zhì)，從復(fù)雜的生物現(xiàn)象和過程中抽象出研究對(duì)象的簡(jiǎn)化描述或模擬稱為生物模型。它不僅具有高度的抽象性，還具有廣泛的代表性。正如錢學(xué)森先生所說：“模型就是通過我們對(duì)問題的現(xiàn)象的分析，利用我們研究得來的機(jī)理，吸收一切主要因素，略去次要因素所創(chuàng)造出來的一幅圖畫，是形象化了的自然現(xiàn)象?！?/p>

1 生物模型分類

所謂“模型”指模擬原型(所要研究的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)或運(yùn)動(dòng)形態(tài))的形式，它不再包括原型的全部特征，但能描述原型的本質(zhì)特征，一般可分為物理模型和數(shù)學(xué)模型兩大類。

1．1物理模型

物理模型又包括物質(zhì)模型和思想模型兩類。

1．1．1物質(zhì)模型

高中生物課程中涉及的物質(zhì)模型包括模式標(biāo)本和模擬模型。有些對(duì)象不可能或不易看到它的實(shí)物，如珍稀鳥類、魚類等，通過模式標(biāo)本，可以間接地看到它們。

有些生物體太小，不能迅速看清它們的結(jié)構(gòu)，如植物根尖結(jié)構(gòu)、葉片結(jié)構(gòu)等，模擬模型則把它們放大很多倍，而且能把其中要研究的各部位明確地表示出來。有的因?qū)嵨锏目臻g層次復(fù)雜，通過模擬模型可以把它的不同結(jié)構(gòu)組合起來，形成立體結(jié)構(gòu)，還可以從整體中了解局部。如人體的構(gòu)造和機(jī)能模型，在一個(gè)人體模型內(nèi)把各器官系統(tǒng)按自然位置組合到里邊，用不同深淺的顏色把各系統(tǒng)區(qū)分開，這樣不僅可以觀察到各器官系統(tǒng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能，還可以動(dòng)手進(jìn)行裝卸，對(duì)學(xué)習(xí)起到很大的幫助作用。

1．1．2思想模型

思想模型是物質(zhì)模型在思維中的引申，它包括兩類。一類是以形象化方法構(gòu)建的模型，如DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型、生物膜液態(tài)鑲嵌模型，它是對(duì)生物原型進(jìn)行簡(jiǎn)化和純化，進(jìn)而構(gòu)思出來的模型，具有一定的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，能簡(jiǎn)略描述研究成果，使研究對(duì)象更直觀，便于理解。

另一類是以抽象方法構(gòu)建的模型，如呼吸作用圖解、光合作用圖解、有絲分裂和減數(shù)分裂過程、興奮在細(xì)胞間的傳遞、蛋白質(zhì)合成過程的圖解、雜交過程圖解等。它是在一定條件下對(duì)具體運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行抽象而形成的理想化過程。

1．2數(shù)學(xué)模型

借助數(shù)學(xué)思想、數(shù)學(xué)工具和數(shù)學(xué)方法，構(gòu)造函數(shù)曲線圖或用概率論和統(tǒng)計(jì)方法描述和研究隨機(jī)現(xiàn)象，稱為數(shù)學(xué)模型。它可以反映生物之間、生物與環(huán)境之間或某一生理過程中某種物質(zhì)量的變化，具有解釋、判斷和預(yù)測(cè)等功能，如理想環(huán)境中的種群增長(zhǎng)模型，種群在有限環(huán)境中的增長(zhǎng)模型。利用“種群數(shù)量增長(zhǎng)的模型”，可以判斷、預(yù)測(cè)“外來物種入侵對(duì)本地物種的影響”。一個(gè)新的物種進(jìn)入新的環(huán)境中，由于空間和食物資源的充裕，可以把它認(rèn)為是一個(gè)理想的環(huán)境，外來物種在一定時(shí)間內(nèi)呈“J”型增長(zhǎng)曲線，占據(jù)了本地物種生存所用的空間和食物，對(duì)本地物種會(huì)帶來毀滅性的災(zāi)難。又如對(duì)基因的分離和隨機(jī)結(jié)合問題的理解，本來是一個(gè)數(shù)學(xué)上的概率問題，通過完成“性狀分離比的模擬實(shí)驗(yàn)”，基因分離規(guī)律這一遺傳學(xué)定律更容易被學(xué)生接受，他們理解起來也更直觀。

2 信息技術(shù)與生物學(xué)模型方法結(jié)合的必要性

2．1信息技術(shù)使生物數(shù)學(xué)模型教學(xué)直觀化、形象化、快速化

數(shù)學(xué)模型是聯(lián)系實(shí)際問題與數(shù)學(xué)的橋梁，具有解釋、判斷、預(yù)測(cè)等重要功能。在科學(xué)研究中，數(shù)學(xué)模型是發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和探索新規(guī)律的有效途徑之一。在教科書中，有大量的數(shù)學(xué)模型，如生物必修一《分子與細(xì)胞》第六章第一節(jié)“細(xì)胞的增殖”關(guān)于在有絲分裂過程中DNA、染色體數(shù)量的變化的曲線圖；生物必修三《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》第四章第二節(jié)“種群數(shù)量的變化”，用數(shù)學(xué)模型表示種群數(shù)量增長(zhǎng)的曲線等。很多相關(guān)數(shù)學(xué)模型的得出是一個(gè)復(fù)雜繁瑣且抽象的過程，上課時(shí)費(fèi)時(shí)學(xué)生又不易理解，而多媒體的介入可以把這些復(fù)雜抽象的推導(dǎo)過程快速化、直觀化、形象化，便于學(xué)生自己探究得出結(jié)論，從而使學(xué)生對(duì)相應(yīng)的知識(shí)產(chǎn)生深刻的認(rèn)識(shí)，大大提高了教學(xué)的效率。

2．2信息技術(shù)使生物物理模型的制作過程規(guī)范化、高效化，評(píng)析清晰化

以實(shí)物或圖畫形式直觀地表達(dá)認(rèn)識(shí)對(duì)象的特征，這就是物理模型。生物膜的結(jié)構(gòu)的實(shí)物模型和模型示意圖就是典型的物理模型，它形象而概括地反映了所有生物膜的共同特征。借助信息技術(shù)中的實(shí)物投影儀不僅可以把已經(jīng)制作好的實(shí)物投影放大，供全班學(xué)生觀賞評(píng)價(jià)，也可以用實(shí)物掃描儀對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行全方面的掃瞄，再通過軟件制作顯示出模型的立體圖，使學(xué)生可以看到這個(gè)模型不同角度的特征，對(duì)模型有全方面的深刻認(rèn)識(shí)。

2．3信息技術(shù)使理想模型教學(xué)化虛為實(shí)、化靜為動(dòng)

理想模型是人們?yōu)榱吮阌谘芯慷⒌膶?duì)原型事物高度抽象化的思想客體或思想事物，它是對(duì)研究對(duì)象的簡(jiǎn)化，突出反映了顯示原型的主要特征和聯(lián)系。但如果上課教師僅僅依靠課本上的模式圖、示意圖等一些理想模型．就顯得枯燥、抽象，導(dǎo)致學(xué)生缺乏興趣，影響教學(xué)效果。信息技術(shù)可以使生物的結(jié)構(gòu)和一系列的生理過程化抽象為直觀，化虛為實(shí)、化靜為動(dòng)。這樣就大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，這樣很容易達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

例如：“DNA的復(fù)制”一節(jié)。采取盧像點(diǎn)睛的方式，首先讓學(xué)生們看一段課外閱讀，思考什么是遺傳物質(zhì)，DNA為什么能控制性狀的遺傳，引導(dǎo)學(xué)生去探索DNA結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。然后打開顯示器，就可出現(xiàn)DNA的基本組成單位及代表各種化學(xué)分子的圖形……在復(fù)制過程中，首先出現(xiàn)一個(gè)旋轉(zhuǎn)的DNA空間結(jié)構(gòu)，有一個(gè)動(dòng)態(tài)的自動(dòng)解旋、堿基的配對(duì)和形成2條DNA分子的過程。這是在其他教學(xué)手段中所不能比擬的。在演示DNA分子復(fù)制的同時(shí)，還可進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練，也可自學(xué)練習(xí)。如堿基配對(duì)有一定的規(guī)律：A(腺嘌呤)一定與T(胸腺嘧啶)配對(duì)，G(鳥嘌呤)一定與C(胞嘧啶)配對(duì)。在計(jì)算機(jī)的顯示器上表示如堿基配對(duì)不符，會(huì)發(fā)出“嘟嘟”的響聲(諧音“不不”)。這就對(duì)學(xué)生出現(xiàn)了聲刺激，如果對(duì)了會(huì)發(fā)出清脆悅耳的音樂聲。學(xué)了這節(jié)課后，學(xué)生們記憶深刻，課后練習(xí)時(shí)正確率達(dá)到90％。

3 運(yùn)用信息技術(shù)進(jìn)行生物學(xué)模型方法教學(xué)的具體實(shí)施

在進(jìn)行模型教學(xué)時(shí)，教師要引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)：為什么要建立模型，怎樣建立模型，模型運(yùn)用的條件是什么，怎樣檢驗(yàn)和完善模型。簡(jiǎn)言之，既要教模型的知識(shí)，又要教模型的方法。下面以“植物對(duì)水分的吸收和利用”一課為例談?wù)勀Ｐ头椒ǖ慕虒W(xué)環(huán)節(jié)。

植物細(xì)胞滲透作用的原理是這節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)，根據(jù)教材的安排，先進(jìn)行滲透作用的實(shí)驗(yàn)演示，了解滲透作用條件及原理，然后引出成熟的植物細(xì)胞具備這兩個(gè)條件，因此它是一個(gè)滲透系統(tǒng)。從知識(shí)內(nèi)在邏輯體系上看是順理成章的，但從學(xué)生程序性知識(shí)的獲得過程上看，根據(jù)植物細(xì)胞吸水、失水現(xiàn)象想到設(shè)計(jì)滲透作用裝置來探究，就顯得生硬和牽強(qiáng)。所以我根據(jù)模型方法的形成特點(diǎn)，對(duì)教學(xué)程序進(jìn)行了調(diào)整。

3．1觀察對(duì)象的外部表現(xiàn)，提出疑問和研究課題

如果將3塊形狀大小相同的蘿卜條，一塊置于盛有清水的燒杯中，一塊置于盛有鹽水的燒杯中，一塊用培養(yǎng)皿盛放，以作對(duì)照，此實(shí)驗(yàn)一般需要0.5h才能看到明顯的結(jié)果，現(xiàn)在我運(yùn)用多媒體來展示給學(xué)生。通過觀察，讓學(xué)生自己根據(jù)觀察到的現(xiàn)象提出問題：在鹽水中蘿卜條為什么會(huì)萎蔫變小?并作出假設(shè)：在鹽水中的蘿卜條是因?yàn)槭?。在假設(shè)基礎(chǔ)上提出新的問題：為什么失水?在清水中的蘿卜條為什么會(huì)脹大?并作出假設(shè)：同樣，在清水中的蘿卜條是因?yàn)槲蛎?。在假設(shè)基礎(chǔ)上提出新的問題：為什么吸水?從而確定研究課題：植物細(xì)胞是如何吸水和失水的，也就是建立“植物細(xì)胞滲透作用”的模型。通過從個(gè)體失水吸水現(xiàn)象到細(xì)胞失水吸水分析，是對(duì)研究對(duì)象的一種簡(jiǎn)化，這是模型方法的基本思想的體現(xiàn)。

3．2設(shè)計(jì)模型實(shí)臉，找出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的主要特征及產(chǎn)生這些現(xiàn)象的條件

通過計(jì)算機(jī)模擬的細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型的分析：由細(xì)胞膜、液泡膜以及兩者之間的細(xì)胞質(zhì)構(gòu)成的原生質(zhì)層可以看作半透膜，水分子可以自由通過而其他物質(zhì)選擇通過，如將植物細(xì)胞放入濃鹽水中，水分子從細(xì)胞向外擴(kuò)散的就會(huì)多，也就是會(huì)失水，從而會(huì)表現(xiàn)出原生質(zhì)層與細(xì)胞壁分離的現(xiàn)象。在分析基礎(chǔ)上，學(xué)生開始設(shè)計(jì)驗(yàn)證植物細(xì)胞滲透吸水失水的實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作，觀察現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)原因。實(shí)驗(yàn)中除提供必需的器材外，還準(zhǔn)備了多種溶液，如濃鹽水、不同濃度的蔗糖溶液、酒精、硝酸鉀溶液等，雖然這些藥品不一定都要用到，但有利于抽象和概括的模型思想的形成。

3．3分析實(shí)驗(yàn)事實(shí)，建立相應(yīng)模型

由于實(shí)驗(yàn)過程只是對(duì)思維的一種判斷或驗(yàn)證，對(duì)于形成滲透模型，仍然借助于信息的質(zhì)壁分離及復(fù)原的微觀過程模型的演示，建立起“半透膜兩側(cè)存在濃度差，可以發(fā)生滲透作用”的模型。由于細(xì)胞的質(zhì)壁分離過程中，受細(xì)胞復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的影響，建立起的模型需通過檢驗(yàn)，于是設(shè)計(jì)了滲透作用演示實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證半透膜兩側(cè)存在濃度差是否發(fā)生滲透作用，同時(shí)提出變式問題：長(zhǎng)頸漏斗口如不用半透膜，用全透或不透的膜，結(jié)果如何?膜兩側(cè)溶液調(diào)換，結(jié)果又如何?……

3．4運(yùn)用所建模型解釋現(xiàn)象

生產(chǎn)、生活中有許多例子：當(dāng)我們吃比較咸的食物時(shí)，例如腌制的咸菜、連續(xù)瞌帶鹽的瓜子等，你的口腔和唇會(huì)有干燥難受的感覺，其他如植物的燒苗、萎蔫現(xiàn)象，涼拌黃瓜，合理施肥、灌溉等，學(xué)生都可以運(yùn)用滲透模型來解釋這些現(xiàn)象。這樣可以使學(xué)生體驗(yàn)到理論知識(shí)的作用，使他們對(duì)探究活動(dòng)成功后的喜悅感、自豪感產(chǎn)生穩(wěn)定的需要，有助于提高學(xué)習(xí)興趣。

3．5修正和完善模型

植物細(xì)胞都是通過滲透作用吸水和失水的嗎?通過干種子吸水的信息模擬，證明有的細(xì)胞是通過吸脹作用吸收水分的。這樣對(duì)原先的模型進(jìn)行補(bǔ)充或擴(kuò)充，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到模型的建立是一個(gè)不斷發(fā)展和完善的過程。

4 生物模型的教育價(jià)值

4．1有利于培養(yǎng)學(xué)生的思維品質(zhì)

模型是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的重要手段，掌握了模型方法不僅能更透徹地理解科學(xué)知識(shí)，還能將學(xué)生的認(rèn)知水平逐步從具體向抽象過渡，從感性思維上升到理性思維，有利于培養(yǎng)學(xué)生的思維品質(zhì)。

如在遺傳規(guī)律的教學(xué)中，以一對(duì)相對(duì)性狀的遺傳實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，首先讓學(xué)生從F2及測(cè)交后代不同表現(xiàn)型具體的數(shù)量中抽象出3：1和1：1的比例關(guān)系，從而理解含一對(duì)等位基因的雜合子產(chǎn)生的配子種類、子代基因型及表現(xiàn)型的種類及比例，然后借助遺傳圖解和概率的計(jì)算，推理出2對(duì)位于非同源染色體上的非等位基因的遺傳結(jié)果，最后揭示出含n對(duì)非等位基因(位于非同源染色體上)的雜合子的遺傳行為和結(jié)果，得出2、3、(3：1)、(1：2：1)n等結(jié)論。

模擬實(shí)驗(yàn)說明了生物學(xué)實(shí)驗(yàn)除了可以用生物材料來做，也可以用非生物材料來做，可以因陋就簡(jiǎn)、就地取材進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，這對(duì)于學(xué)生發(fā)散思維的培養(yǎng)，大有裨益。

4．2有利于促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)

模擬實(shí)驗(yàn)和構(gòu)建模型具有寓生物學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)和探究于游戲之中的性質(zhì)，這樣的實(shí)驗(yàn)既體現(xiàn)了生物學(xué)知識(shí)的科學(xué)性，又符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性得以提高。

4．3有利于發(fā)展學(xué)生的探究能力

模型的建立過程就是一個(gè)科學(xué)探究的過程。在這一探究過程中，需要學(xué)生自己確定對(duì)象，設(shè)置已知和未知，運(yùn)用科學(xué)規(guī)律，選擇研究方法，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠衽c實(shí)際一致。這對(duì)學(xué)生探究能力的培養(yǎng)是很有好處的。但生物建模對(duì)于教師和學(xué)生都有一個(gè)逐步學(xué)習(xí)和適應(yīng)的過程。建?；顒?dòng)也要經(jīng)歷一個(gè)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由低級(jí)到高級(jí)的復(fù)雜活動(dòng)。教師在設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)時(shí)，應(yīng)充分挖掘和利用教材中可運(yùn)用模型方法教學(xué)的內(nèi)容，同時(shí)考慮學(xué)生的實(shí)際能力和水平，有利于更多的學(xué)生參與。

生物模型方法是生物教學(xué)的一個(gè)重要內(nèi)容，是進(jìn)行科學(xué)方法教育必須貫徹落實(shí)的重要組成部分。運(yùn)用信息技術(shù)進(jìn)行模型方法教學(xué)，可以更加充分、有效地發(fā)揮模型方法功能，提高學(xué)生生物學(xué)素養(yǎng)。