高中生物模型建構(gòu)教學研究與體會獲獎科研報告

高中生物模型建構(gòu)教學研究與體會獲獎科研報告摘要：模型和模型方法在生命科學研究中發(fā)揮著重要作用，是學生獲取知識的條件，也是學生認識結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在高中生物學教學中具有廣泛的應(yīng)用價值和教育意義。

關(guān)鍵詞：高中生物模型建構(gòu)教學方法

我國《普通高中生物課程標準》中的“知識”目標指出：“獲得生物學基本事實、概念、原理、規(guī)律和模型等方面的知識。”新課標明確將獲得生物學模型的基本知識作為課程目標之一，并在內(nèi)容標準和活動建議部分做了具體詳細的規(guī)定?？梢哉f這是我國中學生物課程發(fā)展史上第一次將“生物模型”寫入《大綱》（也就是課程標準）中。2016年福建省高考《生物考試大綱》將“建構(gòu)模型”納入“實驗與探究能力”的考查范圍。因此，模型建構(gòu)不僅是課程目標之一，還是高考的需要，更是改變學習方式，提高學生科學素養(yǎng)的需要?？梢?，生物模型的建構(gòu)在高中生物教學中有多么重要的地位。那么什么叫生物模型呢？高中生物有哪些生物模型建構(gòu)活動呢？如何開展模型建構(gòu)活動呢？本文結(jié)合三年來高中課改實踐，就上述幾方面問題做一探討。

一、模型與模型方法的內(nèi)涵及分類

1.模型內(nèi)涵及分類

所謂“模型”，就是模擬所要研究事物原型的結(jié)構(gòu)形態(tài)或運動形態(tài)，是事物原型的某個表征和體現(xiàn)，同時是事物原型的抽象和概括。不再包括原型的全部特征，但能描述原型的本質(zhì)特征。模型一般可分為物理模型和數(shù)學模型兩大類。

物理模型就是根據(jù)相似原理，把真實事物按比例大小放大或縮小制成的模型，其狀態(tài)變量和原事物基本相同，可以模擬客觀事物的某些功能和性質(zhì)。物理模型可分為物質(zhì)模型和想象模型。生物學中物質(zhì)模型有實物模型和模擬模型，如生物體結(jié)構(gòu)的模式標本屬于實物模型；而細胞結(jié)構(gòu)模式圖、減數(shù)分裂圖解等則屬于模擬模型。想象模型是事物在人們思想中的理想化反映，是物質(zhì)模型在思維中的延伸。根據(jù)建構(gòu)模型的思想方法不同，又可以分為兩類：一類是以形象化方法（或稱為意象思維方法）構(gòu)建的具象模型，它是人們在思維中通過對生物原型的簡化和純化而構(gòu)思出來的，具象模型具有一定的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征。如DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型、細胞膜流動鑲嵌模型、T2噬菌體的模型等。它能使研究對象直觀化，既可以促進研究，又可以簡略描述研究成果，使之便于理解和傳播。另一類是以理想化方法（或稱抽象思維方法）構(gòu)建的模型，是人們抽象出生物原型某方面的本質(zhì)屬性而構(gòu)思出來的，例如，物質(zhì)出入細胞的模型、細胞分裂過程模型、光合作用過程模型、呼吸作用過程模型、激素分泌的調(diào)節(jié)模型、動物的個體發(fā)育過程模型、生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能模型等。

數(shù)學模型就是對于一個特定的事物為了一個特定目標，根據(jù)特有的內(nèi)在規(guī)律，做出一些必要的簡化假設(shè)，運用適當?shù)臄?shù)學工具，得到的一個數(shù)學結(jié)構(gòu)，用來描述一個系統(tǒng)或它的性質(zhì)的數(shù)學形式。用符號、公式、圖像等數(shù)學語言表現(xiàn)生物學現(xiàn)象、特征和狀況的方法稱為生物數(shù)學模型方法。如果其變量中不含時間因素，則為靜態(tài)模型，如種群數(shù)量變化曲線、生長素作用的兩重性曲線、酵母菌生長曲線等；如與時間有關(guān)，則為動態(tài)模型，如基因表達模型、生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動模型等。

2.模型方法的內(nèi)涵及分類

模型方法是以研究模型揭示原型的形態(tài)、特征和本質(zhì)的方法，是邏輯方法的一種特有形式。模型舍去了原型的一些次要的細節(jié)、非本質(zhì)的聯(lián)系，以簡化和理想化的形式再現(xiàn)原型的各種復雜結(jié)構(gòu)、功能和聯(lián)系，是連接理論和應(yīng)用的橋梁（模型和原型的關(guān)系如下圖）。

高中生物模型方法根據(jù)模型代表和反映的方式可以分為三大類：物質(zhì)模型方法即用實物代替原物進行研究的方法叫做物質(zhì)模型方法；想象模型方法即用想象的抽象物代替原型進行研究的方法叫做想象模型方法，這種方法是人們抽象出生物原型某些方面的本質(zhì)屬性而構(gòu)思出來的，使對象簡化便于研究；數(shù)學模型方法即用符號、公式、圖像等數(shù)學語言表現(xiàn)生物學現(xiàn)象、特征和狀況的方法。

二、高中生物人教版教材中的主要模型建構(gòu)活動分析

三、開展生物模型建構(gòu)活動的程序和案例分析

1.開展生物模型建構(gòu)活動的基本程序主要包括：

（1）教師利用課堂教學時間介紹相關(guān)理論知識、建模過程、注意事項、獎勵機制等。提醒學生在設(shè)計并制作模型時，科學性、準確性應(yīng)該放在第一位，其次才是模型的美觀與否；（2）學生自由分組，在教師的指導下，確定原型與模型及進行模擬的形式，并根據(jù)模擬的形式設(shè)計本組模擬的方案，然后小組成員根據(jù)分工準備模擬材料并動手制作模型；（3）各小組展示制作的模型，并給出書面介紹，便于各小組之間互評；（4）利用課堂或課余時間開展一次展評會，各組選擇合適的方式介紹自己制作的模型，通過小組自評、組間互評、教師評價相結(jié)合的方式評選出優(yōu)秀模型。對獲獎的個人與小組頒發(fā)獎勵，拍攝優(yōu)秀模型的制作過程，并利用校園墻報、廣播、網(wǎng)絡(luò)等方式進行宣傳，便于交流，能很好地起到鼓勵本人、激勵他人的作用。

2.開展生物模型建構(gòu)活動的案例分析

如高中生物人教版必修3《生長素的生理作用》一節(jié)教材中指出“生長素在濃度較低時促進生長，在濃度過高時則會抑制生長，甚至殺死植物”。學生在理解生長素生理作用的兩重性時，難度最大的就是如何判斷什么時候是“低濃度”，什么時候是“高濃度”。為了幫助學生理解這一難點，我們在教學中引入數(shù)學模型：生長素濃度對植物生長的影響（如圖1）。由圖可知，b點為生長素的最適濃度，在這一濃度下植物生長速度最快；曲線abc段對植物生長都有促進作用，為生長素的適宜濃度。在曲線ab段，生長素的促進作用隨著濃度的升高而增大，則ab段生長素濃度為適宜濃度范圍內(nèi)的低濃度。在曲線bc段，生長素的促進作用隨著濃度的進一步升高而逐漸減弱，則bc段生長素濃度為適宜濃度范圍內(nèi)的較高濃度。c點時生長素濃度對植物生長無影響，既不促進，又不抑制。在曲線cd段，生長素完全表現(xiàn)為抑制作用，并且隨著生長素濃度的提高，抑制作用逐漸增強，可見該范圍的生長素濃度為“高濃度”。學生順理成章地理解了“生長素生理作用的兩重性”這一知識。

圖1

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例如，必修3中安排的“建立血糖調(diào)節(jié)的模型”，目前看到的教學設(shè)計和教學案例，大多數(shù)都把主要精力放在模擬活動上，有些教學活動還在如何讓學生扮演胰腺、肝臟更為形象上下了不少工夫（如讓學生貼上胰腺、肝臟的圖片），模擬吃飯和運動后的反應(yīng)過程也不厭其煩，事實上，這個模型建構(gòu)活動模擬過程的關(guān)鍵是：一要體現(xiàn)“激素”卡片作為信息起作用這一本質(zhì)，二要體現(xiàn)反饋和拮抗作用。模擬活動后的討論，以及通過討論繪制圖解式模型應(yīng)該是本活動的重中之重。也就是說，模擬活動旨在通過形象化展示肉眼看不見的過程，但這不是根本目的，在形象化基礎(chǔ)上再高度抽象出這個調(diào)節(jié)過程的本質(zhì)才是關(guān)鍵。缺少形象化之后抽象出調(diào)節(jié)過程的本