高中生物教学与模型建构

高中生物教学与模型建构孙国华，任教于天津市滨海新区塘沽第一中学，天津市特级教师。代表天津市参加华北五省（自治区、直辖市）特级教师展示课评比，荣获一等奖；代表华北五省（自治区、直辖市）特级教师在中国教育学会生物教学专业委员会学术年会上做展示课。被人民教育出版社课程教材研究所聘为人教版课程标准教材高中生物培训团专家。有多篇文章在《天津教育报》《教学与管理》《教育科学论坛》发表。高中《生物》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做的一种简化的描述，这种描述可以是定性的，也可以是定量的；有的借助于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。模型的形式很多，包括物理模型、概念模型、数学模型等。”模型建构（建模）是指运用模型方法把抽象、不可测的事实或过程借助身边的材料、用具或者应用数学方法、图像、方程式等加以描述、概括总结的一种活动。一、模型建构是高中生物新课标的要求随着第八次课改的启动，课标成为高中教学和高考的唯一标准。2003年4月，教育部在新修订的《普通高中生物课程标准》的第二部分“课程目标”中明确提出：将获得生物学模型的基础知识作为知识目标之一。在新课标的第三部分“内容标准”的具体内容标准和活动建议部分明确要求“尝试建立真核细胞的模型”“通过模拟实验探究膜的透性”“模拟探究细胞表面积与体积的关系”“阐明细胞的减数分裂并模拟分裂过程中染色体的变化”“制作DNA分子双螺旋结构模型”“模拟植物或动物性状分离的杂交实验”“用数学的方法讨论基因频率的变化”“尝试建立数学模型解释种群的数量变化”。与修改前的课标相比，新课标对“模型”的要求及重视程度都是非同寻常的，为高中生物教学的模型建构确立了目标。二、模型建构是高中生物实验教材的重要内容人教社的教材在四个模块的编写中，充分体现了新课标对模型的要求。在必修1“模型建构”栏目“尝试制作真核细胞的三维结构模型”中，专门介绍了模型方法。在人教版高中生物实验教材中，经常用模型及模型构建来诠释重点、突破难点。如，组成人体细胞主要元素模型、真核细胞三维结构模型、生物膜的流动镶嵌模型、性状分离比的模拟、建立减数分裂中染色体变化的模型、制作DNA双螺旋结构模型、建立血糖调节的模型、模拟草地和“J”型增长的数学模型、生态系统结构模型、能量流动金字塔模型等。三、模型建构是在“抽象”与“具象”完成转换模型是人们按照特定的科学研究目的，在一定的假设条件下，再现原型客体某种本质特征（如结构特性、功能、关系、过程等）的物质形式或思维形式的类似物。模型具有两方面的含义：一是抽象化，二是具象化。一方面，可从原型出发，根据某一特定目的，抓住原型的本质，对原型进行抽象、简化和纯化，建立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。如，生态系统结构模型、生态系统能量流动示意图等。另一方面，高度抽象化的科学概念、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。如，细胞膜的流动镶嵌模型、DNA双螺旋结构模型、用琼脂块模拟细胞研究细胞不能无限长等。模型建构就是在抽象和具象间建立转化关系，但是，无论如何转换，都应将陌生、复杂的事物转换成熟悉、简单的模型；都是为了最大限度地接近学生的最近发展区，使学生在已有的认知水平上自主构建知识体系，发展能力。四、模型建构必须由师生共同完成形象比喻、绘声绘色、类比推理、深入浅出是我多年的教学特色。将抽象的问题具体化，复杂的问题简单化，进行“形象教学”和“直观教学”是我一贯的教学追求。在学生原有知识的基础上，通过教师的帮助由学生自主构建新知，将讲授的抽象知识和学生生活中常见事物建立联系，是开展模型建构教学的原则。课课有模型，课课用模型，晦涩难懂的知识，常在一个个形象的类比中得到化解，常在模型教具中得到解决。教室里的粉笔盒、粉笔、板擦、暖气片等应成为教师讲解细胞、染色体、细胞膜上的糖被、内质网等结构的模型。教师是开展模型建构教学的引领者，其作用不言而喻，教师既要善于发掘周围事物巧作模型，更要了解学生的认知水平和他们的喜闻乐见，引领学生进行模型建构，毕竟知识要由学生自主构建。高中阶段的学生通过家庭、学校和社会，对客观事物已有了相当的了解。从心理学角度看，高中生已具备了具象思维和抽象思维的能力，能在具象与抽象、原型与模型间完成转换。从生理学方面看，中学生对周围事物仍充满好奇，将课本上抽象的知识和现实的模型联系起来的模型建构，能激发他们的学习兴趣，同时他们也能将类似的问题和自己的生活经历联系起来，达到自主构建、自主学习的目的。实践证明，学生乐于接受模型，能够自主建立模型，学生既是模型建构教学的受益者，也必将成为参与者和传承者。五、开展模型建构的教学片段高中生物的第一节课，我用物理模型导入，让学生“走近细胞”。将包装电器的泡沫板掰成拳头大小，课前发给学生。上课后，让学生观察自己和同桌手里的泡沫板。提问：从掰开泡沫板的断面上看到了什么？用指甲从断面上能取下什么？取下的物体形状如何？通过模型建构，学生理解取下的球形颗粒代表细胞，而由无数颗粒构成的具有一定形状的泡沫板代表由细胞构成的组织乃至生物。讲解肽链结构多样性时，将肽链比喻成珍珠项链，不同种氨基酸比喻成不同的珍珠，由于氨基酸（R基）共有20种，那么由n个氨基酸构成的肽链的每一种氨基酸都有20种可能性，即肽链上氨基酸的排列顺序为20n，这是从物理模型入手，再借助数学模型的一例。讲解DNA和RNA中碱基的不同排列顺序时，引入数学模型4n；讲解种群增长时引入指数方程，引入“J”型曲线和“S”型曲线；学习生态系统的能量传递率时，通过相关的计算，体会林德曼提出的“能量金字塔”。学习基因工程时，我利用讲桌上的三个粉笔盒及其中不同颜色的粉笔，构建基因工程操作模型：从一个粉笔盒中取出一根红色的粉笔，代表从供体细胞中取出一个DNA分子，然后用手把粉笔折三段，留取中间一段，代表用限制酶获取目的基因；再从第二个粉笔盒中取出一根白色粉笔，代表从另一个细胞中取出适合的DNA充当运载体，将白色粉笔从中间折断，代表用相同的限制酶切割运载体，并出现与目的基因相同的末端；将先前得到的一段红粉笔夹在断开的白粉笔比之间，用透明胶带将对齐的断口处黏在一起（重组粉笔），表示用DNA连接酶将目的基因与基因载体重组在一起（体外DNA重组）；最后把第三个粉笔盒打开，将重组的粉笔放入，用于模拟将目的基因导入受体细胞。讲解有丝分裂实验解离、用镊子撕根尖和用手指压盖玻片的原理时，我在学生面前打开一把折扇，让他们观看扇面上的文字、图案，然后再将扇子合起来。通过模型建构，学生理解实验原理是将多个细胞构成的柱状根尖展平，使细胞不重叠，好似打开一把折扇，便于观察每一个细胞的结构。高中生物教学中模型建构教学的实施，不只是为了教师传授知识，更是为学生自主发展创造条件，诱导学生的主体意识，促进学生发挥能动性。如，我在描述动物细胞培养中所用的培养瓶时，一连举了几个例子去形容，学生仍一头雾水，这时一名学生起身说：老师所讲的培养瓶，就像一种装二两白酒的扁酒瓶，于是学生们豁然开朗。总之，在高中生物教学中进行模型建构，既是新课标的要求，也是教材内容的需要，更是形象教学、直观教学应采取的手段，是新时期改变教与学的方式，让学生主动构建、自主发展的很好的尝试。但在应用中也要注意模型建构的适用性，不是所有内容都适用模型建构，切忌画蛇添足。要适时开展，模型建构过早，学生感到唐突不知所云，模型出现过晚，学生会失去兴趣，正所谓“不愤不启，不悱不发”。愿有更多的教师尝试模型建构教学，让我们共同努力。