建模思想在高中生物教學(xué)中的運(yùn)用研究

居 曄

（江蘇省邗江中學(xué)，江蘇 揚(yáng)州225009）

建模是根據(jù)特定的科學(xué)研究對象，在一定假設(shè)條件下，通過建立、研究模型揭示研究對象的形態(tài)、特征及本質(zhì)的方法，是以簡化和直觀形式來顯示復(fù)雜事物或過程的手段。教師將建模思想運(yùn)用到教學(xué)中，就能將原本抽象復(fù)雜的事物直觀呈現(xiàn)，幫助學(xué)生深入理解，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。本文從四個方面具體闡述建模思想在高中生物教學(xué)中的實(shí)際運(yùn)用。

一、構(gòu)建概念模型，串聯(lián)知識

概念模型，就是借助文字描述事物本質(zhì)，將其特征抽象、概括出來，以此加深學(xué)生理解。對于高中生物而言，各種概念是重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容，相互間具有一定的邏輯關(guān)系。因此，教師要借助建模思想進(jìn)行梳理，幫助學(xué)生理清學(xué)科內(nèi)知識間的聯(lián)系。在設(shè)計(jì)教學(xué)時，為了讓學(xué)生能在復(fù)雜情境中正確運(yùn)用概念，教師要引導(dǎo)學(xué)生建立模型，對相關(guān)知識進(jìn)行系統(tǒng)的了解，隨后展開運(yùn)用與拓展。基于這一目的，教師可借助問題引導(dǎo)學(xué)生將概念與相關(guān)主題融合，學(xué)生就會思考：概念之間是從屬關(guān)系還是并列關(guān)系？以此展開梳理，這樣一來概念間的系統(tǒng)性、層次性以及聯(lián)系性就能清晰呈現(xiàn)，為后續(xù)靈活運(yùn)用概念奠定基礎(chǔ)。如在講解“種群”特征時，其中涉及概念較多，教師在梳理概念相互的關(guān)系時就可借助問題，幫助學(xué)生建立概念模型：（1）種群的數(shù)量有什么特征？（2）影響種群密度的因素有哪些？（3）年齡對種群密度有影響嗎？具體有哪些方面的影響？這些問題看似簡單，如果要全部正確回答，并不是易事。因此，教師就可先讓學(xué)生獨(dú)立思考，隨后展開交流，在得出結(jié)論后進(jìn)行匯報。在這一基礎(chǔ)上，就可進(jìn)一步引導(dǎo)：（4）人工合成的性引誘劑能夠誘殺害蟲，這種方法使得害蟲種群密度降低，主要原因是什么？鼓勵學(xué)生積極思考，在原有的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上充分發(fā)揮自身能動性，得出結(jié)論：雄性個體被誘殺后，導(dǎo)致害蟲性別比例失衡，因此種群密度下降。通過這樣的思考，學(xué)生就能在問題解決中加深對這一內(nèi)容的理解，在把握概念的基礎(chǔ)上完善知識結(jié)構(gòu)，明晰概念之間的聯(lián)系。

二、構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，引導(dǎo)分析

數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，能順利實(shí)現(xiàn)定量與抽象的轉(zhuǎn)換，引導(dǎo)學(xué)生對生命系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展及變化進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測和推理。這樣一來，學(xué)生就能從理性的視角對生物現(xiàn)象進(jìn)行準(zhǔn)確分析，由此獲得本質(zhì)認(rèn)知，促進(jìn)分析能力的提升。例如，教師在教學(xué)“酶活性影響條件”時，考慮到這是重難點(diǎn)知識，如果直接采取講解的方式，難以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。因此，可借助數(shù)學(xué)模型，讓學(xué)生在生動、真實(shí)的情境中思考、探索，獲得深刻認(rèn)知。先要將實(shí)驗(yàn)需要的材料和用具準(zhǔn)備好，像淀粉酶溶液、豬肝研磨液等，隨后組織學(xué)生以小組形式展開交流，圍繞數(shù)學(xué)模型的正態(tài)分布圖設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。在這一過程中，筆者會在教室巡視，隨時為學(xué)生解答。有一組就提出了這樣一個問題：所有的酶都會受pH影響呈正態(tài)分布嗎？分析這一問題，學(xué)生是想探究pH對過氧化氫酶活性的影響。對此，筆者就鼓勵這組學(xué)生圍繞這一問題展開分析。首先，可從最基礎(chǔ)的問題展開：為什么要選擇新鮮的肝臟？這個問題，大多數(shù)學(xué)生都明白，如果肝臟不新鮮，肝臟細(xì)胞內(nèi)腐生細(xì)菌就會特別活躍，導(dǎo)致對過氧化氫酶等有機(jī)物的分解就會很明顯。其次，可適當(dāng)深入：為什么要把肝臟制成研磨液？對于這個問題，學(xué)生思考片刻后，給出回答：為了使細(xì)胞充分接觸，加速酶的分解。隨著思考的深入，學(xué)生就會自主聯(lián)想到不同溶液的pH調(diào)至設(shè)定的數(shù)值應(yīng)該配制緩沖溶液。由此，整個探究環(huán)節(jié)就比之前要清晰明了，學(xué)生可順著這個思路不斷思考，逐步獲得發(fā)現(xiàn)，最終得出結(jié)論。

借助數(shù)學(xué)模型，引導(dǎo)學(xué)生圍繞分布圖展開思考，就能充分調(diào)動學(xué)生，讓其找到突破點(diǎn)，不斷思考，在逐步深入中分析、解決問題。在這一過程中，教師要加強(qiáng)對學(xué)生的引導(dǎo)，在關(guān)鍵處點(diǎn)撥指導(dǎo)，幫助學(xué)生高效完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

三、構(gòu)建虛擬模型，深化理解

虛擬模型，就是利用程序設(shè)計(jì)、制作出反映事物特征、功能等模擬過程的一種模型，最終可呈現(xiàn)出動態(tài)效果。這一模型的運(yùn)用，能促進(jìn)學(xué)生對知識點(diǎn)的理解，并培養(yǎng)其抽象思維能力，最終使學(xué)生完善認(rèn)知。在教學(xué)“植物的呼吸作用”時，教師提出“如何判斷植物呼吸時周圍的氣體是否發(fā)生變化”這一問題，大多數(shù)學(xué)生都知道與O2和CO2有關(guān)，但是具體減少、增加情況不是很清楚。由此，就出現(xiàn)了一個核心問題：如何檢測這種變化？對此，學(xué)生馬上聯(lián)想到分別檢測兩種氣體的方法，即“檢測O2可利用缺氧會使燃燒的蠟燭熄滅的方法”和“檢測CO2可利用澄清的石灰水變渾濁的方法”。然而，在實(shí)際操作中，由于存在無關(guān)變量，因而實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不是很明顯。針對這一問題，教師借助虛擬模式，采取動畫演示，就可讓學(xué)生清楚了解實(shí)驗(yàn)全過程，在看到“O2變化導(dǎo)致蠟燭火焰從大到小再到熄滅的過程”以及“CO2使得澄清石灰水變渾濁的變化”后，引導(dǎo)學(xué)生自主分析并在清楚了解實(shí)驗(yàn)原理和規(guī)律后得出結(jié)論。此外，在講到“光合作用”時，可采取同樣的方法，借助動畫模擬過程，讓學(xué)生直觀觀察，分析光合作用的場所、產(chǎn)物、原料、條件及過程中的物質(zhì)轉(zhuǎn)變和能量轉(zhuǎn)變。

四、構(gòu)建導(dǎo)圖模型，完善認(rèn)知

在構(gòu)建思維導(dǎo)圖時，教師先要引導(dǎo)學(xué)生找出相關(guān)知識概念，隨后建立關(guān)系圖，最后完善導(dǎo)圖。在教學(xué)“物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的方式”時，教師就可引導(dǎo)學(xué)生繪制導(dǎo)圖。這一類導(dǎo)圖的繪制形式是多種多樣的，學(xué)生可根據(jù)自身需要梳理知識脈絡(luò)，使導(dǎo)圖更貼合自身的學(xué)習(xí)特點(diǎn)。在實(shí)際運(yùn)用時，可讓學(xué)生以問答形式交流，如“穿膜運(yùn)輸?shù)姆绞接心男?，這時學(xué)生結(jié)合導(dǎo)圖模型就能知道：穿膜運(yùn)輸?shù)姆绞街饕袃煞N，即被動運(yùn)輸和主動運(yùn)輸，其中被動運(yùn)輸分為自由擴(kuò)散和協(xié)助擴(kuò)散。

導(dǎo)圖模型類似概念模型，但兩者的呈現(xiàn)形式不同，前者是以圖的形式呈現(xiàn)，后者主要依托文字，相比之下，導(dǎo)圖模型更加直觀。

總之，建模思想的運(yùn)用是優(yōu)化高中生物教學(xué)的有效途徑，其能使原本復(fù)雜的概念簡單化，抽象的問題具體化，更好地被學(xué)生了解。教師要從概念模型、數(shù)學(xué)模型、虛擬模型以及導(dǎo)圖模型等方面靈活設(shè)計(jì)教學(xué)方案，提高學(xué)生的生物核心素養(yǎng)。