模型及模型方法在生物教学中的应用

模型及模型方法在生物教学中的应用摘要：随着课程标准的实施，模型和模型方法已经成为高中生物教学课堂教学的重要内容之一。从某种意义上说，利用模型及模型方法教学已经成为高中学生学习生物知识必不可少的方式。本文通过对人教版三个必修模块中与模型相关的内容进行分类与总结，以案例的形式对模型的构建及如何利用模型的方法进行教学提出了一些建议。关键词：高中生物学;模型;模型方法教育部2003年颁布的《普通高中生物课程标准（实验）》（以下简称为课程标准）中，明确规定教学目标分为知识目标，能力目标及情感、态度价值观。其中能力目标包括操作技能，信息能力和科学探究能力三个方面，在操作技能这一方面明确指出“了解建立模型等科学方法及其在科学研究中的作用，培养学生的建模思维和建模能力，领悟、建立数学模型等科学方法及其在科学研究中的应用，培养学生的建模思维和建模能力，获得生物学的基本事实、概念、原理、规律和模型等方面的基础知识”[1]。见，建模思维和建模能力被提到了较高的高度，被认为是将来学生从事科研的必备能力。但由于以往对模型的重视不多，相关的理论研究不多，在实际的教学实践中往往不能达到预期的效果，本文就根据众多文献的综合来谈谈对模型及模型方法的认识。1、对生物模型方法的认识按钱学森的观点：“模型就是通过我们对问题的分析，利用我们考察来的机理。吸收一切主要因素，略去一切不主要因素所创造出来的一幅图画”[2]。就是把研究对象(原型)的一些次要的细节、非本质的联系舍去，从而以简化和理想化的形式去再现原形的各种复杂结构、功能和联系的一种科学方法。它是逻辑方法的一种特有形式，是现代科学的一种认识手段和思维方法，是连接理论和应用的桥梁。抽象化和具体化是模型方法的两个重要特征（如下图-1所示）[3]。图-1一方面，在模型思维中，我们可以从原型出发，根据某一特定目的，抓住原型的本质特征，对原型进行抽象，把复杂的原型客体加以简化和纯化，建构一个能反映原型本质联系的模型，并进而通过对模型的研究获取原型的信息，为形成理论建立基础。另一方面，高度抽象化地科学概念、假说和理论要正确体现其认识功能，又必须具体化为某个特定的模型，才能发挥理论指导实践的作用。所以模型作为一个认识手段和思维方式，是科学认识过程中抽象化与具体化的辩证统一[4]。2、生物模型的类型我国高中生物学的教科书（以2004年初审通过的人教版模块教科书为例）提供了丰富的模型资源。生物模型根据模型所代表和反映的方式一般分为物理模型和数学模型两大类。在高中生物的三个必修模块中，物理模型又可分为物质模型和思想模型，数学模型又可分为确定性模型和随机性模型。具体再分类可用如下表-1所示：表-1模型的分类物理模型数学模型物质模型思想模型确定性模型随机性模型高中生物必修一尝试制作真核细胞的三维结构模型构建人体细胞与外界环境的物质交换模型利用废旧物品制作生物膜模型生物膜的流动镶嵌模型高中生物必修二制作DNA双螺旋结构模型高中生物必修三建立血糖调节的模型生态系统的能量流动模型建立减数分裂中染色体变化的模型种群的J型增长曲线碳循环模型减数分裂中DNA的数量变化种群的S性增长曲线生态系统的结构模型有丝分裂过程中DNA及染色体数量的变化达尔文自然选择学说的解释模型3、生物模型的教育功能3.1模型教学能促进学生认知水平的发展科学教育应当促进学生认知水平的发展，这种观点已为科学教育工作者所接受。但具体实施的方法还是一个正在探讨的问题。我们认为，促进学生认知水平的发展，主要还是将学生的认知水平从具体运算提高到形式运算水平，也即使学生逐步从具体向抽象过渡，能对抽象的假设或命题进行逻辑转换。这一过程当然离不开从具体到抽象的过渡训练，而这种既能联系具体，又能联系抽象的性质，正是模型所特有的。模型一方面提供了这种教学的情境，另一方面又使学生在这种从具体到抽象的认识过程中发生认知突变，从而促进认知水平的发展。3.2模型教学能使学生更好地掌握科学知识首先，模型是学生学习科学知识的重要手段，学生掌握了模型方法能更透彻地理解科学知识。其次，模型方法作为思维方法和行为方式，蕴含着很高的认知价值。学生一旦将模型方法内化为自己的认知图式，就能获得认知水平的发展。最后，模型方法教育还有助于培养学生的创造性思维能力。3.3模型教学能培养学生的研究能力模型的建立过程就是一个科学研究的过程。在这一过程中，需要学生自己确定研究对象，设置已知量与未知量，运用科学规律，选择研究方法，检验模型是否与实际相一致，这对学生研究能力的培养有着很好的作用。3.4模型教学能培养学生的科学精神模型建立的实质就是要在原型的背后揭示出所包含的科学规律。然而，这种规律往往隐藏在现象的背后，并被纷繁复杂的非本质的、无关因素所掩盖。这样，模型的建立过程就必然是一个艰苦的探索、发现的过程。它来不得半点虚假，需要有严谨、诚实的科学态度。模型的得来也并非“一蹴而就”，往往要使认识主体经历一个“苦其心志、劳其筋骨”的认识过程，需要有坚韧不拔的意志。因此，模型的建立既培养了学生的科学态度，又培养了学生的科学作风。4、生物模型的构建方法55、运用模型的方法进行教学实践5.1动手构建模型，领悟和运用建立模型的方法5.1.1构建模型的方法也是现代生物研究的重要方法高中生物三个必修模块中含有丰富的模型建立的活动，具体可参照上文中的表-1，三个模块中模型建立的特点是提供一定的指导，由学生动手动脑建构模型，提出的能力目标是让学生领悟和运用建构模型的方法。例如第三章“制作真核细胞模型”。教材中描述的是在电子显微镜下才能观察到的微细结构，因而学生缺乏感性认识。因此，学生亲身体验模拟制作“细胞”的立体结构模型有助于再现实验条件下让细胞变“微观”为“宏观”，而更好地构建他们完整的知识体系。5.1.2模型制作的过程我们制作的细胞结构模型是属于实物模型，是对原型的模仿和抽象。现以动物细胞和植物细胞为例，体验建构模型过程:(l)分组进行讨论，动、植物细胞的结构主要包括哪些，设计制作模型方案。方案:动物细胞主要结构有细胞膜、细胞质、细胞核，其中细胞质中含各种细胞器，主要有线粒体、内质网、高尔基体、核糖体、中心体、溶酶体等。植物细胞与动物细胞的主要区别是不含中心体，但含有叶绿体和细胞壁。(2)寻找和选择材料：泡沫塑料、木板、纸板、橡皮泥、线绳、布、塑料袋、细铁丝、大头针、铁碗等。(3)小组讨论制作模型规格(大小，展示的是全部还是局部，平面图还是立体图等)、模型包含的结构等。(4)小组讨论材料使用。各种细胞结构用何种材料，细胞结构如何制作，细胞结构之间如何连接等都需讨论、细化。真实的细胞颜色并不鲜艳，但是可以用不同的颜色区分不同的细胞结构，使细胞的各部分结构特点更加突出，便于观察。(5)学生以小组形式合作完成真核细胞的模型制作，并交流成果，作出评价。(6)成果:学生做的模型有：①用硬纸壳作“细胞壁”，塑料薄膜紧贴其上当作“细胞膜”，用橡皮泥精心捏制成各种各样的细胞器;②用精美的包装盒作细胞壁，内有一层硬质的透明壳作细胞膜，用琼脂制作透明的细胞质基质，用中药小药丸作核糖体散放在其内，非常形象直观，也利于保存和收藏等。在整个制作过程中，学生讨论分析，分工合作，气氛热烈。5.1.3模型制作的学习价值通过模型制作实践活动，进一步探究细胞的结构及功能，使学生由理性认识转向感性认识，更容易把握细胞结构的完整性以及与其功能相适应的结构特点;而且通过分组活动，小组各成员能分工合作，积极思维，互帮互助，相互促进和提高，最后给小组成员及其作品合影留念增加了学生之间的感情。5.2模型做为工具，用来分析研究对象除了学生自己建构模型，教材中还把模型作为工具，用来分析研究对象的组成因素，各因素之间的关系，因素运行的特点，预测评价等。在生产生活中，模型也可以是工具，定量评价，预测，检验研究对象中特征因素的变化，解决有关的生物学问题。例如:在“生物与环境”知识模块中有这样一道题：下面2条食物链，假如生产者的数量一样多，能量传递效率相同，哪条食物链中，消费者所包含的能量多？①草→羊→狼；②草→虫子→鸟→鹰。学生中的答案普遍有两种(设草固定的总能量为A，能量传递效率为20%)。第一种:①草→羊→狼A20%A20%×20%A消费者所包含的能量=20%A+20%×20%A。②草→虫子→鸟→鹰A20%A20%×20%A20%×20%×20%A消费者所包含的能量=20%A+20%×20%A+20%×20%×20%A。所以②食物链消费者所包含的能量大于①中消费者所包含的能量。第二种:假设第二，第三，第四营养级呼吸作用消耗能量分别为a，b，c。①食物链消费者所包含的能量=A-(a+b)；②食物链消费者所包含的能量=A-(a+b+c)。结果与第一种相反，这两种好象都有道理，孰错孰对？教材中提供了生态系统能量流动的概念模型，定量描述能量流动的特点：从模型分析，每个营养级(除了第一营养级外)的能量由上一个营养级传递而来，能量去向有3个：自身的呼吸作用，传递给下一个营养级，遗体残骸中的能量交给分解者。上面4种解法，第一种未考虑每个营养级中应该有呼吸作用等散失能量，第二种方法相对正确。总之，建立生物模型在高中生物研究中是很重要的方法和能力，教师在生物教学中运用模型方法，不仅便于分析和解决有关生物学的问题，而且能有效提高学生的生物科学素质，并能带动、整合其他生物科学方法教育的实施。参考文献[1]中华人民共和国教育部制定.《普通高中生物课程标准（试验稿）》人民教育出版社，2003年4月第一版.[2]钱学森.科学技术[J].科学画报，1957,（4）：99.[3]林国栋.模型方法----信息技术与生物教学的整合点[J].生物教育学，2004,29（3）：26-27.[4]邢红军.论科学教育中的模型方法教育[J].教育研究，1997，（7）：53-56.高一年级组：罗玉金