指向科學(xué)思維的高中生物學(xué)建模教學(xué)實(shí)踐研究

摘 要：建模教學(xué)作為一種創(chuàng)新的教學(xué)方法，重視引導(dǎo)高中生主動(dòng)探究生物學(xué)知識(shí)，也能在建模思考中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)思維.本文以“光合作用與能量轉(zhuǎn)化”教學(xué)為例，在科學(xué)思維指向下，探索并實(shí)踐高中生物學(xué)建模教學(xué)，從而促進(jìn)高中生對(duì)課程知識(shí)的深入理解.

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維；高中生物；建模教學(xué)

中圖分類號(hào)：G632

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-0333（2024）33-0134-03

收稿日期：2024-08-25

作者簡(jiǎn)介：于林鷺（1991.7—），江蘇省常州人，碩士，中學(xué)一級(jí)教師，從事高中生物教學(xué)研究.

基金項(xiàng)目：無(wú)錫市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度教師發(fā)展專項(xiàng)課題“生物學(xué)教師實(shí)踐育人能力素質(zhì)提升研究”（課題編號(hào)：JFZX/2021/22）.

傳統(tǒng)教學(xué)模式不能滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)提出的需求，而建模教學(xué)能改變傳統(tǒng)的灌輸教學(xué)模式，重視讓高中生在理論知識(shí)探索基礎(chǔ)上進(jìn)行建模與實(shí)踐操作，在數(shù)據(jù)分析過(guò)程中探索生物學(xué)背后凝聚的規(guī)律，利于學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中獲得科學(xué)思維的有效培養(yǎng).為此，生物教師在后續(xù)教學(xué)中應(yīng)積極運(yùn)用建模教學(xué)，推動(dòng)課堂教學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展.這樣能引導(dǎo)高中生對(duì)生物學(xué)知識(shí)進(jìn)行多元探索和建模分析，在獨(dú)立思考和小組互動(dòng)中鍛煉批判思維和創(chuàng)新意識(shí)，并運(yùn)用生物建模解決生活實(shí)踐中遇到的問(wèn)題.

1 選擇主題

生物教師在對(duì)高中生開(kāi)展“光合作用與能量轉(zhuǎn)化”教學(xué)時(shí)，應(yīng)該分析教材內(nèi)容與課堂教學(xué)目標(biāo)，并根據(jù)學(xué)科特色和高中生的認(rèn)知特點(diǎn)，選擇“光合作用中光照強(qiáng)度對(duì)植物生長(zhǎng)的影響”作為本次教學(xué)的主題，讓學(xué)生深入了解光合作用的基本原理.

光合作用是植物利用光能將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物質(zhì)和氧氣的生物化學(xué)過(guò)程，植物在光合作用過(guò)程中，經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)之后將光能轉(zhuǎn)化為具體的化學(xué)能，最終形成有機(jī)物質(zhì).教師通過(guò)該過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生了解影響光合作用效率的因素.光照強(qiáng)度是影響光合作用的主要因素，是指單位面積上接收到的光能量，在一定的光照強(qiáng)度下，植物光合作用效率隨光照強(qiáng)度增加可以呈增大趨勢(shì)，光合速率和光照強(qiáng)度成正比關(guān)系.如果光照強(qiáng)度出現(xiàn)過(guò)高情況，植物光合速率就會(huì)達(dá)到一個(gè)飽和點(diǎn)，進(jìn)一步增加光照強(qiáng)度也不會(huì)增加光合速率，這個(gè)時(shí)候光合速率不再和植物光照強(qiáng)度成正比關(guān)系.同時(shí)，光合作用的速率還受到溫度、二氧化碳濃度和水分等其他因素的影響，這些因素通常都是同時(shí)影響光合作用^[1].所以，高中生在本課程學(xué)習(xí)中應(yīng)該全面了解光合作用的影響因素，也需要在實(shí)驗(yàn)觀察和數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上尋找相關(guān)規(guī)律，并在該過(guò)程中獲得學(xué)習(xí)體驗(yàn).

2 收集數(shù)據(jù)

在運(yùn)用建模教學(xué)開(kāi)展生物知識(shí)講解時(shí)，教師需要指導(dǎo)高中生收集數(shù)據(jù)，具體做法如下：

第一步，設(shè)計(jì)不同光照強(qiáng)度條件下的光合作用實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)高中生運(yùn)用光照箱對(duì)實(shí)驗(yàn)操作中的光照條件進(jìn)行控制，分別營(yíng)造低光、中光與強(qiáng)光三個(gè)不同強(qiáng)度的光照條件.第二步，教師指導(dǎo)高中生記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)，給后續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算提供參考^[2].例如，運(yùn)用光照傳感器測(cè)量不同條件下的光照強(qiáng)度，選擇豌豆或者是小麥等物種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察，嚴(yán)格記錄植物在不同光照條件下的生長(zhǎng)時(shí)間，一般設(shè)置為幾天或者是幾周的觀察頻率.第三步，高中生需要進(jìn)行仔細(xì)測(cè)量和數(shù)據(jù)記錄，一方面要從植株高度和葉片面積等維度出發(fā)記錄植物生長(zhǎng)狀態(tài)，另一方面需要使用葉綠素測(cè)定儀器對(duì)不同光照條件下植物葉綠素的整體含量.通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察得知光照強(qiáng)度不同，光合速率也存在不同，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.生物教師需要讓學(xué)生在數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上探尋規(guī)律，預(yù)測(cè)光照強(qiáng)度在600 Ix時(shí)的光合速率.

3 構(gòu)建模型

在給定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)下，生物教師要指導(dǎo)高中生建立光合速率與光照強(qiáng)度之間的線性模型P_n=a·I+b，其中，P_n表示光合速率（μmol/m²/s），I表示光照強(qiáng)度（Ix），a和b是模型參數(shù).該線性模型建立在以下假設(shè)條件：（1）光合速率與光照強(qiáng)度之間存在線性關(guān)系，光合速率變化與光照強(qiáng)度變化之間存在比例關(guān)系，這種變化能通過(guò)簡(jiǎn)單的線性方程來(lái)描述.植物通過(guò)光合作用將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，光合速率是衡量光合作用效率的重要指標(biāo)，光合速率和光照強(qiáng)度之間存在線性關(guān)系.通過(guò)對(duì)表1中各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠看出在一定范圍內(nèi)，光照強(qiáng)度增加時(shí)光合速率也呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，通過(guò)數(shù)學(xué)模型能更好地理解二者之間的關(guān)系.（2）為確定模型中的a和b這兩項(xiàng)參數(shù)，生物教師需要指導(dǎo)高中生運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行模型構(gòu)建分析，重點(diǎn)減少模型預(yù)測(cè)值和學(xué)生實(shí)際觀察之間存在的誤差，進(jìn)而提供最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)值，給后續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析提供支持^[3].（3）參數(shù)a代表光照強(qiáng)度對(duì)光合速率的影響程度，表示當(dāng)光照強(qiáng)度增加時(shí)出現(xiàn)的光合速率變化量，參數(shù)b表示當(dāng)植物光照強(qiáng)度為0時(shí)的光合速率，也是本次模型的具體截距，a估值為0.02，b估值為3.教師通過(guò)構(gòu)建以上線性模型，有利于高中生更深入了解光照強(qiáng)度和光合速率之間存在的關(guān)系，并通過(guò)模型預(yù)測(cè)分析在不同光照強(qiáng)度下植物的光合速率.

4 模型驗(yàn)證

在本次課程教育中，生物教師在建立光合速率與光照強(qiáng)度之間的線性模型之后，需要組織高中生進(jìn)行模型驗(yàn)證，在這一過(guò)程中幫助學(xué)生深入了解光合作用的基本內(nèi)容，也能不斷培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)技能.基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型構(gòu)建，生物教師能提出思考問(wèn)題，讓學(xué)生從不同角度進(jìn)行思考和實(shí)驗(yàn)分析.

問(wèn)題：我們已經(jīng)建立光照強(qiáng)度和光合速率之間的線性模型，P_n=0.02·I+3，其中，P_n表示光合速率（μmol/m²/s），I表示光照強(qiáng)度（Ix）.給定光照強(qiáng)度為150 Ix、250 Ix、350 Ix、450 Ix和550 Ix，請(qǐng)利用該模型進(jìn)行光合速率的預(yù)測(cè)，然后和實(shí)際觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比.

解題過(guò)程：（1）將光照強(qiáng)度I=150時(shí)代入線性模型中，P_n=0.02×150+3=6（μmol/m²/s），而實(shí)際觀測(cè)值為5.9（μmol/m²/s）.線性模型值6（μmol/m²/s）和實(shí)際觀測(cè)值5.9（μmol/m²/s）進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)二者十分接近，表明本次實(shí)驗(yàn)中建立的線性模型在光照強(qiáng)度為250 Ix時(shí)預(yù)測(cè)效果比較良好，與實(shí)際觀測(cè)值比較相符.（2）將光照強(qiáng)度I=250時(shí)代入線性模型中，P_n=0.02×250+3=8（μmol/m²/s），而實(shí)際觀測(cè)值為8.2（μmol/m²/s）.線性模型值8（μmol/m²/s）和實(shí)際觀測(cè)值8.2（μmol/m²/s）進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)二者十分接近，表明本次實(shí)驗(yàn)中建立的線性模型在光照強(qiáng)度為250 Ix時(shí)預(yù)測(cè)效果比較良好，與實(shí)際觀測(cè)值比較相符.（3）將光照強(qiáng)度I=350時(shí)代入線性模型中，P_n=0.02×350+3=10（μmol/m²/s），而實(shí)際觀測(cè)值為10.1（μmol/m²/s）.線性模型值10（μmol/m²/s）和實(shí)際觀測(cè)值10.1（μmol/m²/s）進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)二者十分接近，表明本次實(shí)驗(yàn)中建立的線性模型在光照強(qiáng)度為350 Ix時(shí)預(yù)測(cè)效果比較良好，與實(shí)際觀測(cè)值比較相符.（4）將光照強(qiáng)度I=450時(shí)代入線性模型中，P_n=0.03×450+3=12（μmol/m²/s），而實(shí)際觀測(cè)值為11.8（μmol/m²/s）.線性模型值12（μmol/m²/s）和實(shí)際觀測(cè)值11.8（μmol/m²/s）進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)二者十分接近，表明本次實(shí)驗(yàn)中建立的線性模型在光照強(qiáng)度為250 Ix時(shí)預(yù)測(cè)效果比較良好，與實(shí)際觀測(cè)值比較相符.（5）將光照強(qiáng)度I=550時(shí)代入線性模型中，P_n=0.03×550+3=14（μmol/m²/s），而實(shí)際觀測(cè)值為14.1（μmol/m²/s）.線性模型值12（μmol/m²/s）和實(shí)際觀測(cè)值14.1（μmol/m²/s）進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)二者十分接近，表明本次實(shí)驗(yàn)中建立的線性模型在光照強(qiáng)度為250 Ix時(shí)預(yù)測(cè)效果比較良好，與實(shí)際觀測(cè)值比較相符.

5 模型解釋

光合作用作為植物生長(zhǎng)和生態(tài)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)，生物教師在運(yùn)用建模教學(xué)開(kāi)展課程教育過(guò)程中應(yīng)該關(guān)注模型解釋的價(jià)值，引導(dǎo)學(xué)生在了解表面生物學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)上進(jìn)行深入探索，通過(guò)建模形式走進(jìn)科學(xué)探究的殿堂.在本次“光合作用中光照強(qiáng)度對(duì)植物生長(zhǎng)的影響”主題研究中，生物教師需要指導(dǎo)高中生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)搜集，在數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上進(jìn)行模型構(gòu)建與驗(yàn)證操作，逐步探索光合作用的科學(xué)原理，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)觀察與建模分析的能力.

上文建立線性模型描述光合速率與光照強(qiáng)度之間的關(guān)系，為后續(xù)課堂教學(xué)提供基礎(chǔ).模型寫作：P_n=0.02·I+3，P_n表示光合速率（μmol/m²/s），I表示光照強(qiáng)度（Ix），系數(shù) 0.02 表示單位光照強(qiáng)度變化時(shí)光合速率的變化量，截距3表示在光照強(qiáng)度為0Ix時(shí)的光合速率.

解釋如下：（1）模型中的斜率0.02表示單位光照強(qiáng)度增加時(shí)光合速率的增加量，當(dāng)光照強(qiáng)度越來(lái)越高時(shí)，植物的光合速率也就越大，是符合光合作用的基本原理與實(shí)驗(yàn)規(guī)律.這樣表明光合作用是一種能將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過(guò)程，當(dāng)植物獲得更強(qiáng)大的光照強(qiáng)度時(shí)，所吸收的光能也就越多，整體光合速率也會(huì)越高^[4].（2）模型中截距3表示當(dāng)光照強(qiáng)度為0 Ix 時(shí)光合速率的實(shí)際值.雖然在實(shí)際情況下光照強(qiáng)度不能為0，但是在本次實(shí)驗(yàn)操作中截距在數(shù)學(xué)模型中發(fā)揮出調(diào)整曲線位置的重要作用，更好地理解光合作用.（3）因?yàn)槟Ｐ褪腔趯?shí)驗(yàn)觀察數(shù)據(jù)得來(lái)的，所以僅適用在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)的光照強(qiáng)度，也要在規(guī)定的光合速率下進(jìn)行建模分析與實(shí)驗(yàn)操作.如果在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中出現(xiàn)光照強(qiáng)度超出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍的情況，該模型的預(yù)測(cè)能力會(huì)受到影響，應(yīng)該根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)操作情況進(jìn)行分析.（4）該模型能預(yù)測(cè)植物在不同光照強(qiáng)度條件下的光合速率，在數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上研究光合作用對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，也要思考光合作用對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的整體影響，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或者是生態(tài)保護(hù)有著重要意義.

6 結(jié)束語(yǔ)

單一開(kāi)展理論教學(xué)，生物教師無(wú)法讓高中生感受到生物學(xué)知識(shí)的魅力，也不能獲得科學(xué)思維的有效培養(yǎng).為此，生物教師在后續(xù)課堂教學(xué)中應(yīng)該關(guān)注建模教學(xué)的應(yīng)用價(jià)值，讓學(xué)生逐漸了解光合作用的基本原理，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)分析、科學(xué)觀察和建模思考等學(xué)科能力，深化學(xué)生對(duì)生物課程知識(shí)的理解.

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[責(zé)任編輯：季春陽(yáng)]