培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建生物模型的能力的研究

黃勛歡

【摘要】 《高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：“要讓學(xué)生領(lǐng)悟建立模型的科學(xué)方法及其在科學(xué)研究中的作用?！备咧猩飳W(xué)課程中的模型建構(gòu)活動(dòng)，其主要價(jià)值是讓學(xué)生通過嘗試建立模型，體驗(yàn)建立模型中的思維過程，領(lǐng)悟模型方法，并獲得或鞏固有關(guān)生物學(xué)概念.通過建構(gòu)模型，培養(yǎng)學(xué)生的建模思維和建模能力，不但可以排除、舍棄非本質(zhì)因素，突出事物的本質(zhì)特征，使生命現(xiàn)象或過程得到純化和簡(jiǎn)化，讓學(xué)生容易地掌握知識(shí)的規(guī)律，而且還可以提高課堂效率，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)探究能力，同時(shí)也是教師適應(yīng)新課程改革的必需。

【關(guān)鍵詞】 培養(yǎng) 構(gòu)建 生物模型

【中圖分類號(hào)】 G633.91 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 1992-7711（2017）07-174-02

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無論在科學(xué)研究還是在學(xué)習(xí)科學(xué)的過程中，模型和模型方法都起著十分重要的作用。高中生物學(xué)課程中的模型建構(gòu)活動(dòng)，讓學(xué)生通過嘗試建立模型，體驗(yàn)建立模型中的思維過程，領(lǐng)悟模型方法，并獲得或鞏固有關(guān)生物學(xué)概念。在某種程度上講，模型構(gòu)建和理解模型是學(xué)生理解和掌握生物學(xué)知識(shí)的有效工具。建構(gòu)模型的方法，是高中新課標(biāo)對(duì)學(xué)生科學(xué)方法和探究能力的要求。那么，什么是模型？如何構(gòu)建相應(yīng)的模型呢？

一、模型的概念及分類

高中必修一課本對(duì)模型的介紹如下“模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對(duì)認(rèn)識(shí)對(duì)象所作的一種簡(jiǎn)化的概括性的描述，這種描述可以是定性的，也可以是定量的；有的借助于具體的實(shí)物或其他形象化的手段，有的則通過抽象的形式來表達(dá)。模型的形式很多，包括概念模型、數(shù)學(xué)模型和物理模型等?！?/p>

二、培養(yǎng)構(gòu)建模型的實(shí)例

1.概念模型

概念模型是指以文字表述來抽象概括出事物的本質(zhì)特征的模型。如每章節(jié)畫的概念圖、真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)共同特征的文字描述、光合作用過程中物質(zhì)和能量的變化的解釋、達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說的解釋模型等。

例如，在學(xué)習(xí)完《基因的表達(dá)》后，讓學(xué)生從中理出核心概念，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建概念圖。首先，確定主題并且圍繞主題寫出主要概念和次要概念；然后，將主要概念放在頂端或中央，向下或四周按概念等級(jí)一層一層輻射開來，并用線條和連接語把概念連接起來。過程如下：

主要概念：基因的表達(dá)，轉(zhuǎn)錄，翻譯

次要概念：基因，蛋白質(zhì)，脫氧核苷酸序列，氨基酸序列，遺傳信息，信使RNA（mRNA），轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA），核糖體RNA（rRNA），密碼子，核糖體

然后讓學(xué)生進(jìn)行補(bǔ)充完善，詳細(xì)擴(kuò)充各模塊的的知識(shí)，逐步培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的能力。而在總復(fù)習(xí)、專題復(fù)習(xí)中則將不同模塊、不同章節(jié)之間的內(nèi)容整合起來。

2.數(shù)學(xué)模型。

數(shù)學(xué)模型是用來描述一個(gè)系統(tǒng)或它的性質(zhì)的數(shù)學(xué)形式，包括計(jì)算公式、函數(shù)式、曲線圖以及由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成的柱形圖、餅狀圖等。教材中有用數(shù)學(xué)模型研究生物種群數(shù)量的增長(zhǎng)、有絲分裂過程中DNA含量變化曲線、酶的活性隨pH變化而變化的曲線、同一植物不同器官對(duì)生長(zhǎng)素濃度的反應(yīng)曲線、孟德爾豌豆雜交實(shí)驗(yàn)中9：3：3：1的比例關(guān)系等。

數(shù)學(xué)模型建構(gòu)的一般步驟為：觀察研究對(duì)象，提出問題→作出假設(shè)→根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)形式對(duì)事物的性質(zhì)進(jìn)行表達(dá)→通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)或觀察等對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)或修正。下面以《種群數(shù)量的變化》一節(jié)中“建構(gòu)種群數(shù)量增長(zhǎng)的模型”為例，培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)數(shù)學(xué)模型的能力。

（1）觀察研究對(duì)象，提出問題

學(xué)生觀察細(xì)菌進(jìn)行二分裂，每20min分裂一次，提出細(xì)菌種群數(shù)量增長(zhǎng)應(yīng)該怎么描述、解釋和預(yù)測(cè)？

（2）作出假設(shè)

此建模中提到的假設(shè)是“在資源和空間無限多的環(huán)境中，細(xì)菌種群的增長(zhǎng)不會(huì)受到種群密度增加的影響"，也就是在"理想的環(huán)境中，此環(huán)境一般指的是資源和空間充足，氣候適宜，沒有天敵，沒有疾病等”。

（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)形式對(duì)事物的性質(zhì)進(jìn)行表達(dá)

通過上述的分析，學(xué)生得出細(xì)菌增殖的特點(diǎn)滿足指數(shù)函數(shù)的形式進(jìn)行增長(zhǎng)，因此用數(shù)學(xué)形式表達(dá)為，其中N代表細(xì)菌數(shù)量，n代表第幾代。

一道實(shí)際問題的解決往往需要紛繁的計(jì)算，可以采用解方程、畫圖形、證明定理、邏輯運(yùn)算、數(shù)值運(yùn)算等各種傳統(tǒng)的和近代的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行模型的求解。如在這一數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建中，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)剛才的指數(shù)函數(shù)一模型把細(xì)菌的數(shù)量進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)，把數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，此時(shí)構(gòu)建出另一種數(shù)學(xué)模型——表格。

表格具有一定的局限型，因此繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生把它構(gòu)建成坐標(biāo)圖的數(shù)學(xué)模型。利用建立坐標(biāo)圖像使一些抽象的知識(shí)變得更具體，從而得到了在理想的環(huán)境中生物種群的一種增長(zhǎng)曲線——“J型增長(zhǎng)曲線”。

（4）通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)或觀察等對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)或修正

在生物學(xué)中存在這許多不確定因素和例外的現(xiàn)象，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到模型的構(gòu)建是一個(gè)不斷發(fā)展和完善的過程。如讓學(xué)生進(jìn)一步思考問題：①其它的生物并不一定進(jìn)行二分裂的生殖方式，那么它們的種群數(shù)量的變化是否也滿足上述的“J型增長(zhǎng)曲線”呢？如果滿足那么要建立它的函數(shù)模型又是怎樣呢？通過進(jìn)一步的假設(shè)分析，得到，其中為該種群的起始數(shù)量，t為時(shí)間，t年后該種群的數(shù)量，λ為該種群每年增長(zhǎng)倍數(shù)。②生物的實(shí)際生活環(huán)境是否真得這么理想呢？讓學(xué)生對(duì)在實(shí)際環(huán)境（如資源和空間有限，氣候并不一直適宜，出現(xiàn)天敵和競(jìng)爭(zhēng)者，同時(shí)還會(huì)受到疾病等的威脅等）中生物種群的數(shù)量變化進(jìn)行進(jìn)一步的假設(shè)分析，得出在自然界中種群不能無限增長(zhǎng)，種群總是在增長(zhǎng)到一定限度后達(dá)到相對(duì)的穩(wěn)定，因此構(gòu)建出另一增長(zhǎng)曲線——“S型增長(zhǎng)曲線”。③當(dāng)然生物生活的環(huán)境是不斷變化的，例如當(dāng)種群增長(zhǎng)已經(jīng)進(jìn)入到了“S型增長(zhǎng)曲線”的相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)候，隨著生活資源的消耗完，并產(chǎn)生了一些有毒的代謝終產(chǎn)物，使其生活環(huán)境變得更加惡劣，將會(huì)產(chǎn)生種群數(shù)量急劇下降甚至滅絕的增長(zhǎng)曲線；又或者在環(huán)境的改變中引起了種群中的生物體發(fā)生了基因突變，從而出現(xiàn)了新的性狀以很好地適應(yīng)當(dāng)時(shí)的環(huán)境變化并重新大量繁殖，將會(huì)產(chǎn)生種群數(shù)量又上升的增長(zhǎng)曲線等等。

通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，學(xué)生對(duì)生物種群數(shù)量的變化過程能更深刻的認(rèn)識(shí)，并通過圖像的形式讓學(xué)生把抽象的東西轉(zhuǎn)化為具體化的知識(shí)，有助于知識(shí)的識(shí)記、理解和掌握。

3.物理模型

物理模型指以實(shí)物或圖畫形式直觀地表達(dá)認(rèn)識(shí)對(duì)象的特征。如：細(xì)胞模型、細(xì)胞器模型、生物大分子模型、生物膜模型、動(dòng)（植）物有絲分裂模型和減數(shù)分裂中染色體的變化模型、DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)、血糖調(diào)節(jié)的模型、制作生態(tài)缸等。

如以必修一“利用廢舊物品制作生物膜模型”為例。在本制作中，學(xué)生可以用包裹中藥丸的球形蠟質(zhì)盒做磷脂分子的頭部，用穿過藥盒的鐵絲或電線做磷脂分子的尾部。通過打孔并用鐵絲串接做成磷脂雙分子層。再用包裝常用的硬質(zhì)泡沫塑料做成各種形狀的蛋白質(zhì)。通過設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)的排布來體現(xiàn)“鑲嵌”的方式。

這個(gè)物理模型的制作，材料容易獲得，制作過程簡(jiǎn)單而不失創(chuàng)意。通過建構(gòu)的過程，讓學(xué)生對(duì)生物膜的分子組成和空間結(jié)構(gòu)有了更形象的認(rèn)識(shí)。

從以上的眾多例子不難看出，模型的特點(diǎn)就是以簡(jiǎn)化和直觀的形式來顯示復(fù)雜事物或過程。數(shù)學(xué)模型和物理模型都是通過圖解的形式將事物的特點(diǎn)或變化規(guī)律勾畫出來，也都能夠定性和定量地準(zhǔn)確描述。但是，數(shù)學(xué)模型在定量描述上更加直觀；而物理模型則在定性描述上更加形象。概念模型由于是文字性高度的概括和歸納，可以很好地幫助我們?nèi)胬斫庀嚓P(guān)問題的實(shí)質(zhì)。

模型的建立要根據(jù)研究的任務(wù)，抽象出被研究對(duì)象的本質(zhì)特征，舍去許多次要的細(xì)節(jié)和非本質(zhì)的屬性，把要研究的現(xiàn)象、問題從紛繁復(fù)雜的交錯(cuò)關(guān)系中明確、清晰地顯示出來，使問題得以簡(jiǎn)化和明確化，并制訂出解決問題的程序，從而充分地發(fā)揮思維的能動(dòng)作用，達(dá)到認(rèn)識(shí)原型的目的。隨著科技進(jìn)步，模型始終處在不斷地“構(gòu)建——解構(gòu)——建構(gòu)”的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程中?？傊瑹o論是構(gòu)建何種模型，都離不開嚴(yán)密的思維和科學(xué)探究精神，小組的合作與交流，所以培養(yǎng)模型構(gòu)建能力在高中生物教育中是不容忽視的。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1]劉軍波.《淺探構(gòu)建數(shù)學(xué)模型在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用》.

[2]周小潔.《減數(shù)分裂》一課的模型建構(gòu)教學(xué)的思考，廣州市第三中學(xué).

[3]劉鑫.《淺談模型教學(xué)在高中生物新教材中的使用》四川省遂寧市高級(jí)實(shí)驗(yàn)學(xué)校.

[4]《臨川一中生物活動(dòng)課校本課程》2013-5-2021：16：13.

[5]周曉強(qiáng).《利用生物科學(xué)史培養(yǎng)學(xué)生建模能力的教學(xué)模式初探》，（蘇州市實(shí)驗(yàn)中學(xué)215011）.