浅谈模型教学在高中生物新教材中的使用

浅谈模型教学在高中生物新教材中的使用四川省遂宁市高级实验学校刘鑫关键词：模型构建概念模型物理模型数学模型20世纪30年代，贝塔朗菲在提出机体系统论概念的同时，主张用数学和模型方法研究生命现象。从此模型方法开始在生物学领域应用。《普通高中生物课程标准(实验)》明确强调:学生应领悟假说演绎,建立模型等科学方法及其在科学研究中的应用,领悟系统分析,建立数学模型的科学方法及其在科学研究中的应用;同时新考试大纲重新对高考所要考查的能力进行了界定,明确了假说演绎,建立模型,系统分析等科学研究方法在能力要求中的地位.无论在科学研究还是在学习科学的过程中,模型和模型方法都起着十分重要的作用.课程标准已将模型纳入基础知识范畴,并且将模型方法规定为高中学习必须掌握的科学方法之一,在近年来的生物高考试题的设计中也有所体现.那么,什么是模型,模型方法教育？模型方法在新教材的哪些地方如何体现，在教师的教与学生的学中起什么作用呢？如何构建相应的模型？一、模型的概念及分类高中新课程必修1对模型的定义是:模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所作的一种简化的描述,这种描述可以是定性的,也可以是定量的;有的借助具体的实物或其他形象化的手段,有的则通过抽象的形式来表达.模型可分为物理模型,概念模型,数学模型。物理模型是指以实物或图画形式直观的表达认识对象特征的模型。如必修1的“细胞膜的流动镶嵌模型”,“真核生物的三维结构模型”,必修2的“DNA分子双螺旋结构模型”。概念模型是指以文字表达来抽象概括出事物本身特征的模型,如达尔文的自然选择学说的解释模型等。数学模型是指用来描述一个系统或他的性质的数学形式,如“J”种群增长的数学模型Nt=N0λt,种群基因频率变化的数学模型等。二、模型的构建及应用1概念模型1.1新课标中对关于理解能力的要求:旧:能把握所学知识的要点和知识之间的内在联系.新:能理解所学知识的要点,把握知识间的内在联系,形成知识的网络结构.区别:在把握的基础上,增加了理解,并能形成知识的网络结构.解读:新课标强调图文转换和知识联系,引导学生构建知识网络和提高信息转化能力。1.2如何绘制概念模型首先，确定主题并置围绕主题写出关键概念和概念等级，然后，将主题概念放在顶端或中央，向下或四周按概念等级一层一层辐射开来，并用线条把概念连接起来，并用连接词语注明连线，连接词语应能说明两个概念之间的关系。最后寻找概念图不同部分概念之间交叉连线的联结，并标明连接线。要注意的是在概念图中每个概念只能出现一次。条件好的学校也可以用电脑制作，便于修改和在以后的学习中不断地补充完善。1.3利用概念图进行生物教学1.3.1概念图在新课教学中的使用在讲授完新课，让学生构建概念图，可以很好地抓住主干知识,发现各个知识之间的关系,可使零碎知识网络化,立体化,使原来理解不清的知识清晰化,零散的知识系统化,机械的记忆灵活化。正确使用了概念图，有效降低学生认知负担和心理焦虑，提高教与学的效率。如学习了蛋白质这一节内容后可让学生构建如下概念图。1.3.2概念图在复习教学中的使用在复习教学中，制作概念图帮助学生复习以前的课业、统整和连贯新旧知识，建立良好的知识结构。例如，教师指导学生找出关键概念：DNA、染色体、同源染色体、减数分裂、有丝分裂、转录、翻译基因自由组合定律、基因分离定律、基因突变、基因重组、DNA连接酶、限制性内切酶运载体、细胞核遗传、基因工程等以基因的复制与表达、基因工程、基因的结构为主线帮助学生将零散知识组织及联系、处理专题研习内容，特别合适。学生的知识保持时间长，知识面宽，能更好解决问题。在教学中要遵循一个由简到难的过程，每讲完一节内容后，从中理出主要概念，引导学生画概念图。讲完每一章，在复习之前先让学生画，边复习边让学生进行补充完善。而在总复习、专题复习中则要整合不同模块、不同章节之间的内容。最初可让学生补充完善概念图，而后再自行绘制，逐步培养学生构建知识网络的能力。2.物理模型2.1新课标教材（人教版）有关物理模型建构的内容整个新课标教材（人教版）共安排了4个模型建构的内容，具体如下：所属模块所属章节模型建构内容《分子与细胞》第三章第三节尝试制作真核细胞的三维结构模型《遗传与变异》第二章第一节模拟减数分裂过程中染色体的变化《遗传与变异》第三章第二节制作DNA双螺旋结构模型《稳态与环境》第二章第二节建立血糖调节的模型另外，在教材中虽然没有明确说明是模型建构，但却必须运用模型和模型的方法解决问题的内容其实还有很多。例如，“稳态与环境”模块中第五章第四节安排的制作活动建议：“设计并制作生态缸，观察其稳定性”，就是要求学生制作活体物理模拟模型的探究活动，并运用这个模型进行的是对生态系统运行的模拟实验。2.2物理建模对学生的作用建模是一种创造性活动，学生要经过不断的分析、创新、修正才能得到。这符合学生认知规律，有助于不同层次学生个性的发展和潜能的开发，因此模型教学有助于培养学生获取知识、分析和解决实际问题的能力，还有助于创新能力和科学素养的形成。在建模思维中，学生可以从原型出发，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信息，为形成理论建立基础。2.3实例分析：模拟减数分裂过程中染色体的变化实验室：不同颜色橡皮泥、剪刀、白纸、中性碳素笔。这个教学过程可根据学生的不同层次采用不同的教学方法，如果学生自学能力强的，也已经有了有丝分裂作为铺垫，可以先让学生自学看书后，模拟减数分裂过程制作模型，而后老师进行分析评价。如果学生接受能力较弱，则采用先讲后做，以达到进一步理解和巩固的目的。活动一：分小组每组六人，分别制作有丝分裂的间、前、中、后、末、子细胞图活动二：仍以小组为单位，分别制作减数第一次分裂的前、中、后、次级精母细胞、第二次分裂的前、中、后、子细胞图。要求：以二对同源染色体为例，其中同源染色体的大小应相同，并用二种颜色代表其来源。姐妹染色单体中间用橡皮泥相连，制作完毕后按照先后顺序粘贴在一张大的纸板上。师生共同对学生的模型进行修改、分析和评价，师生逐步归纳抽象出规范的物理模拟模型，把学生制作的模型展示在班级中，请同学们比较分析图解，找出减数分裂过程中染色体和DNA数目变化的规律。由物理模型总结出概念，再上升为抽象的数学模型。完成对减数分裂本质的认识。3.数学模型3.1新课标对于在生物学上运用数学方法的变化旧:能用文字,图表,图解等形式阐述生物学事实,概念,原理和规律等.新:能用文字,图表以及数学方式等多种表达形式准确地描述生物学方面的内容.区别:增加了数学方式等多种表达形式.解读:人教版新课程教材中有这方面内容的渗透.如:必修3中,建构种群增长模型的方法,就明确介绍了“数学模型”。用来表达生命活动规律的计算公式、函数式、曲线图以及由实验数据绘制成的柱形图、饼状图等称为数学模型。3.2数学模型实例分析：如遗传中判刑基因分离和自由组合定律。在教学中,以一对等位基因的遗传为基础,逐步推导最后抽象出含n对非等位基因(位于非同源染色体上)的杂合体的遗传行为和结果,得出(3:1)n,(1:2:1)n,2n,3n等结论,构建起基因的自由组合规律的图表模型。杂交中包括的基因对数显性完全时F2的表型数F2杂种形成的配子数F1配子可能的组合数F2的基因型数分离比123…248…248…41664…3927…（3/4+1/4）1（3/4+1/4）2（3/4+1/4）3…n2n2n4n3n（3/4+1/4）n3.3数学模型在生物教学中的意义：3.3.1数学模型可以把复杂的问题简单直观化。当把复杂的研究对象转变为数学问题，经过合理简化后，建立一个能用数学方法揭示研究对象规律的数学关系式，可以更透彻地理解科学知识。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跃进。如上述关于遗传规律的计算，再如酶的活性变化曲线、种群增长曲线、微生物生长曲线，还有种群密度计算公式、组成细胞的化学元素饼状图、能量金字塔等。3.3.2数学模型在生物学实验中的意义：可以进行数量大的分析处理，从而克服了实际实验中只能对少数生物进行分析的局限；能够将复杂的多因素以独立的形式进行分析，而实际实验很难做到；能重复研究实验的各种信息、资料，而实际实验中很难做到。研究实例：建立细菌增殖的数学模型。3.3.3数学模型在考试中的应用，在新课标的指导下，高考也越来越重视体现对学生能力的考查，统观使用新教材地区的高考题，大部分的题中都有涉及到图表、曲线图的分析，有时还要求学生绘制曲线图或柱形图，这就要求学生在平时的学习中学会如何分析、运用各种数学模型。模型方法教育有助于培养学生的创造性思维能力.创造性教育是素质教育的灵魂所在.模型的建立要根据研究的任务,目的抽象出被研究对象的本质特征,舍去许多次要的细节和非本质的属性,把要研究的现象,问题从纷繁复杂的交错关系中明确,清晰地显示出来,使问题得以简化和明确化,并制订出解决问题的程序,从而充分地发挥思维的能动作用,达到认识原型的目的。随着科技进步，模型始终处在不断地“构建—解构—建构”的动态发展过程中。正如同模型的发展一样，模型教学亦应是一个不断发展、修正与完善的过程。总之，无论是构建何种模型，都离不开严密的思维和科学探究精神，小组的合作与交流，所以培养模型构建能力在高中生物教育中是不容忽视的。参考文献：1、《生物学模型教学探析》作者：陶忠华2、《普通高中生物课程标准（实验稿）》.人民教育出版社，2003年4月第1版3、刘恩山中学生物学教学论专著高等教育出版社2003年4、施问华生物模型的分类特点及构建方法《中学生物学》2007年第7期5、王大平、李新国：概念图的理论及其在教学中的应用．现代教育技术．20046、黄立军运用模型方法开展生物学课堂教学《中学生物学》2008年24卷3期