生物建模在高中生物教學(xué)中的運用

【摘要】生物建模是以實際問題為載體，將生物建模、生物知識和計算機應(yīng)用有機結(jié)合，讓學(xué)生順著科學(xué)的思路和方法建立起生物學(xué)知識和外部世界的聯(lián)系，這種聯(lián)系對于培養(yǎng)學(xué)生從生物學(xué)科的角度發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和運用生物學(xué)知識解決實際問題的能力具有重要的作用?；诖耍恼绿接懥松锝ν苿由飸?yīng)用和人才培養(yǎng)的重要性以及在課堂教學(xué)中的運用策略，即利用現(xiàn)代科技，為學(xué)生建構(gòu)三維立體化物理模型；滲透數(shù)學(xué)思維，為學(xué)生建構(gòu)數(shù)學(xué)模型；借助實踐活動，為學(xué)生建構(gòu)概念模型。

【關(guān)鍵詞】生物教學(xué)；生物建模；重要性；運用策略

【中圖分類號】G633.91【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A【文章編號】1004—0463（2024）18—0061—04

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下稱“新課標(biāo)”）將“科學(xué)思維”列為生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，明確指出“學(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)過程中逐步發(fā)展科學(xué)思維，如能夠基于生物學(xué)事實和證據(jù)運用演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法，探討、闡述生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會議題”[1]。而在實際教學(xué)中，教師發(fā)現(xiàn)高中生物知識內(nèi)容多、難度大，需要花費大量的精力和時間，導(dǎo)致教師在平時的課堂教學(xué)中不得不只注重對知識的講解，忽視了對學(xué)生提出問題的能力訓(xùn)練。以往通過刷題的辦法還能應(yīng)對高考，如今隨著新高考模式的實施，考試題目靈活多變，需要學(xué)生具備更高的思維能力、創(chuàng)造力以及準(zhǔn)確的生物學(xué)術(shù)語和邏輯思維能力，教師在教學(xué)中就不能再按部就班地講授傳授系統(tǒng)的知識，很有必要把生物學(xué)習(xí)和豐富多彩、生動活潑的現(xiàn)實生活聯(lián)系起來，打開學(xué)生的視野，拓寬學(xué)生的知識領(lǐng)域。建模活動就是在實際問題和生物學(xué)知識之間打開一個通道，為學(xué)生提供了一種有效的學(xué)習(xí)方式，使學(xué)生能身臨其境地介入生物知識的發(fā)現(xiàn)或創(chuàng)造過程，取得書本上無法代替的寶貴經(jīng)驗和切身感受，提高學(xué)生解決實際問題的能力。生物建模是生物走向應(yīng)用的必經(jīng)之路，也是啟迪生物學(xué)心靈的必勝之途。

一、生物建模的概念

生物建模和生物學(xué)的應(yīng)用有關(guān)系，生物學(xué)要走向應(yīng)用，真正顯示出它在各個領(lǐng)域應(yīng)用中的關(guān)鍵作用以及強大的生命力，必須要在實際問題和生物學(xué)之間架設(shè)一座橋梁。首先要將實際問題轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的生物學(xué)問題，然后對生物學(xué)問題進(jìn)行分析或計算，最后將所求得的結(jié)果或解答回歸實際，看能不能有效地回答原先的實際問題。這個全過程，其中的第一步就稱為生物建模，即為所考查的實際問題構(gòu)建生物模型。這里涉及兩個既有區(qū)別又有聯(lián)系的名詞和概念，一個是生物模型，另一個是生物建模，強調(diào)的是構(gòu)建生物模型的過程和方法。

二、生物建模對發(fā)展生物學(xué)科和推動生物應(yīng)用的重要性

引領(lǐng)未來五大科技之首的是生物科技，第一代生物技術(shù)是基礎(chǔ)發(fā)酵，比如大家熟知的釀酒、饅頭、醋、醬油等都是菌群發(fā)酵。第二代生物技術(shù)叫定向發(fā)酵，是在自然界中找到一種單一菌群，通過細(xì)菌工廠獲得我們需要的物質(zhì)，比如味精原來都是從海產(chǎn)品里提取，人們找到谷氨酸棒桿菌后，通過發(fā)酵得到的谷氨酸鈉就是味精的主要成分，它利用了微生物的力量。第三代生物技術(shù)叫合成生物，比如諾貝爾獎得主屠呦呦院士發(fā)現(xiàn)的青蒿素原材料。由此可見，生物科技能夠改變?nèi)祟惖奈磥?。生物學(xué)是人類文明的重要組成部分，生物學(xué)教育對提高全民素質(zhì)，對培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才有著舉足輕重的作用。從整個生物學(xué)的研究來說，生物建模能給雄偉的生物技術(shù)大廈奠基搭架，為整個后續(xù)的生物研究工作開辟道路，已經(jīng)成為發(fā)展現(xiàn)代生物技術(shù)的重要突破口和核心內(nèi)容。從高中生物課堂教學(xué)開始，教師就要重視對學(xué)生建模意識的培養(yǎng)，提高學(xué)生生物建模的自覺性。教師要敢于突破傳統(tǒng)課堂教學(xué)中的種種障礙，以一種全新的視角來看待高中生物課堂教學(xué)，在教學(xué)中不斷改變教學(xué)策略，既關(guān)注已知，也關(guān)注未知，為學(xué)生提供實用、有生活價值的學(xué)習(xí)。

三、生物建模對人才培養(yǎng)的重要性

在模型認(rèn)知與建模能力方面，要求考生能圍繞實際問題查閱資料，收集、整理和加工信息，從學(xué)科角度發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題，從而建立模型來解答，有時還需驗證結(jié)果并且改進(jìn)模型，最終解決問題。學(xué)生要真正走進(jìn)生物課堂，學(xué)好生物，并且熱愛生物學(xué)科，教師的教學(xué)就不能和其他學(xué)科以及整個外部世界隔離起來，只在生物學(xué)內(nèi)部的概念、方法和理論當(dāng)中繞圈子，不利于學(xué)生了解生物概念、方法和理論的來龍去脈，更不利于學(xué)生自覺地解決各種各樣的現(xiàn)實問題，長此以往也不利于提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。直到近年來強調(diào)了生物建模在高中生物課堂教學(xué)中的重要性，這方面的情況才發(fā)生了很大的變化。在教學(xué)過程中，教師能把生物學(xué)習(xí)和豐富多彩、生動活潑的現(xiàn)實生活聯(lián)系起來，學(xué)生通過圍繞實際問題查閱資料，收集、整理和加工信息，經(jīng)過獨立思考、反復(fù)鉆研并相互切磋形成相應(yīng)的生物問題，進(jìn)而分析問題的特點，尋求解決問題的方法且得到有關(guān)結(jié)論。這種學(xué)習(xí)方式使學(xué)生的抽象思維、簡化思維、批判性思維等高階思維能力得到了發(fā)展，集知識、能力和素質(zhì)的培養(yǎng)必將有力地促進(jìn)創(chuàng)新型優(yōu)秀人才的培養(yǎng)。

四、生物建模在高中生物課堂教學(xué)中的運用策略

2.滲透數(shù)學(xué)思維，為學(xué)生建構(gòu)數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型是用來描述系統(tǒng)或它的性質(zhì)的數(shù)學(xué)形式。建立數(shù)學(xué)模型一般包括以下四個步驟：觀察研究對象，提出問題——提出合理的假設(shè)——根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)形式對事物的性質(zhì)進(jìn)行表達(dá)，即建立數(shù)學(xué)模型——通過進(jìn)一步實驗或觀察等，對模型進(jìn)行檢驗或修正。數(shù)學(xué)模型可以以曲線圖、解析式和柱形圖的形式呈現(xiàn)，各有優(yōu)劣。教學(xué)中通過引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，能有效培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。

3.借助實踐活動，為學(xué)生建構(gòu)概念模型。概念模型是以文字表述來抽象概括出事物本質(zhì)特征的模型。在高中生物教學(xué)中，概念、抽象名詞以及這些概念之間的聯(lián)系特別多，面對龐雜零散的概念和名詞，學(xué)生感到非常困惑，好像一點規(guī)律都沒有，學(xué)生拼命去記一大堆概念。死記硬背的學(xué)習(xí)方法不可取，不僅記憶時間短，效率低，而且不能建立各概念之間的聯(lián)系。教學(xué)中借助生物實踐活動，構(gòu)建概念模型，有助于學(xué)生將抽象、零散的知識點之間建立邏輯關(guān)系，有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，更好地理解和應(yīng)用生物學(xué)知識。

例如，學(xué)習(xí)選擇性必修1“植物生長素”內(nèi)容時，為了讓學(xué)生從本質(zhì)上理解生長素的生理作用、兩重性以及在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，教師設(shè)置了三個問題：①放在窗臺上久不移動的盆栽花為什么會貼著玻璃生長？②農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上是保留還是解除頂端優(yōu)勢？如何解除頂端優(yōu)勢？③如何避免植物的向光性？課堂上，讓學(xué)生展開討論，剛開始學(xué)生對頂端優(yōu)勢似懂非懂，答案五花八門，教師沒有過多地去評價，而是將全班同學(xué)帶到學(xué)校小花園，通過觀察花園中月季花的生長狀況去直觀感受植物的頂端優(yōu)勢和向光性，比教師講授學(xué)生聽的效果好很多，然后引導(dǎo)學(xué)生用控制單一自變量的原則對生長狀況相似的月季花進(jìn)行修剪，摘除一部分月季花的頂芽，另一部分保留頂芽，并將摘除頂芽月季花分成兩組，一部分不做處理，另一部分在切口處涂含有生長素的羊毛脂。學(xué)生每天大課間去小花園觀察月季花的生長狀況，兩周后教師統(tǒng)一帶學(xué)生觀察三組月季花的生長情況，發(fā)現(xiàn)保留頂芽和摘除頂芽但在切口處涂含有生長素的羊毛脂的月季花的側(cè)枝比摘除頂芽的月季花側(cè)枝要少。實踐活動結(jié)束后，要求學(xué)生以思維導(dǎo)圖的形式自主構(gòu)建生長素的產(chǎn)生、分布、運輸、生理作用、作用的兩重性以及在生產(chǎn)中的應(yīng)用幾個方面的概念模型。在構(gòu)建概念模型的過程中，教師應(yīng)該積極引導(dǎo)學(xué)生主動參與，可以通過小組討論、合作探究等方式，也可以讓學(xué)生自主設(shè)計概念層次結(jié)構(gòu)和搭建邏輯關(guān)系。這種教學(xué)方式，不僅能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度，還能夠幫助學(xué)生更加清晰地理解頂端優(yōu)勢產(chǎn)生的原因是頂芽產(chǎn)生的生長素向側(cè)芽運輸，使側(cè)芽生長素濃度過高，抑制了側(cè)芽的生長，并將所學(xué)過的生物知識更好地應(yīng)用于實際問題的解決，有效提升了學(xué)生的實踐操作能力、實驗設(shè)計能力和科學(xué)思維能力。

生物建模是聯(lián)系實際問題和生物學(xué)之間的橋梁，已經(jīng)成為發(fā)展現(xiàn)代生物技術(shù)的重要突破口和核心內(nèi)容。高中生的好奇心強、想象力豐富，思維活躍，對生物建模很有利，作為高中生物教師，課堂教學(xué)中合理運用生物建模，將探究實踐、知識生成和科學(xué)思維的訓(xùn)練有機結(jié)合起來，能打開學(xué)生視野，拓寬學(xué)生知識領(lǐng)域，發(fā)展學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]石虹梅.模型構(gòu)建在生物學(xué)教學(xué)難點突破中的應(yīng)用[J].生物學(xué)通報，2014（03）：35-37.

[3]薛進(jìn).模型建構(gòu)方法在生物教學(xué)中應(yīng)用例析[J].佳木斯教育學(xué)院學(xué)報，2012（11）：262-263.

編輯：張昀