新课程标准下的生物模型建构教学案例研究

新课程标准下的生物模型建构教学案例研究――对《减数分裂》一课的模型建构教学的思考广州市第三中学周小洁高中生物课程标准指出：“提高每个高中学生的生物科学素养是本课程标准实施中的核心任务。”新课程标准对我国的普通中学生物学教育确立了许多现代化的教学目标。由于模型和模型方法在现代生命科学中起着越来越大的作用，是现代高中学生必须了解和应用的重要的科学方法，它不仅对学生学习生物科学有帮助，而且还有助于学生将来进行科学研究、走入社会参加工作，更好地解决生活和工作中的问题。另一方面，这种科学方法的学习和应用，不仅有利于学生形成系统的科学认知观，同时还强化了与其他学科，如数学、物理、化学等学科的内在联系。因此，新课标依据国际科学教育的发展，将模型和模型方法列入了课程目标之一。一、关于模型和模型方法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。（一）模型的内涵与分类所谓“模型”，就是模拟所要研究事物原型的结构形态或运动形态，是事物原型的某个表征和体现，同时又是事物原型的抽象和概括。它不再包括原型的全部特征，但能描述原型的本质特征。模型一般可分为物理模型和数学模型两大类。物理模型就是根据相似原理，把真实事物按比例大小放大或缩小制成的模型，其状态变量和原事物基本相同，可以模拟客观事物的某些功能和性质。物理模型可分为物质模型和思想模型。生物学中物质模型有实物模型和模拟模型，如生物体结构的模式标本；而细胞结构模式图、减数分裂图解等则属于模拟模型。思想模型是事物在人们思想中的理想化反映，是物质模型在思维中的延伸。根据构建模型的思想方法的不同，又可以分为两类：一类是以形象化方法(或称为意象思维方法）构建的具象模型，它是人们在思维中通过对生物原型的简化和纯化而构思出来的，具象模型具有一定的形态结构特征。如分子双螺旋结构、生物膜液态镶嵌模型等。它能使研究对象直观化，既可以促进研究，又可以简略描述研究成果，使之便于理解和传播。另一类是以理想化方法(或称抽象思维方法)构建的模型，是人们抽象出生物原型某方面的本质属性而构思出来的，例如，呼吸作用过程图解、光合作用过程图解等过程理想模型，食物链和食物网等系统理想模型。数学模型就是对于一个特定的事物为了一个特定目标，根据特有的内在规律，做出一些必要的简化假设，运用适当的数学工具，得到的一个数学结构。数学结构可以是数学公式，算法、表格、图示等。如果其变量中不含时间因素，则为静态模型；如与时间有关，则为动态模型。不论是物理模型还是数学模型，都能够使研究对象直观化和简化，同时还可以简略描述研究成果，使之便于理解和传播。生物学是研究自然界中生命运动最基本、最普遍的规律以及生物体的结构，自然界生物种类繁多、运动错综复杂，几乎每个具体的问题都要涉及到许多因素。通过建构模型能够排除非本质因素的干扰，舍弃次要因素和无关因素，突出反映事物的本质特征，从而使生命现象或过程得到简化、纯化和理想化，因此，在生物课堂教学中适当利用模型往往能够达到事半功倍的教学效果。（二）模型方法模型方法是通过构建模型来研究、揭示原型的形态、特征和本质的方法，是逻辑方法的一种特有形式。在现代生物科学研究中，模型方法被广泛运用，其中DNA双螺旋结构模型的成功就是一个范例。在生物科学学习中，模型提供观念和印象。认知心理学认为，人的知识经验既包括概念系统，又包括表象，前者有概念、原理、规律、理论。后者的成分包含观念和印象。当代不少学者都主张把表象看作是一种符号要素，与语言等其他符号要素一样具有抽象、概括、组合和再组合的功能，因而能构成思维的操作，所以模型提供的观念和印象，不仅是学生进一步获取系统知识的条件，而且是学实物模型模型物理模型物质模型模拟模型思想模型数学模型具象模型理想模型静态模型动态模型生认知结构的组成部分。正因为如此，美国《国家科学教育标准》把模型和科学事实、概念、原理、理论并列为科学主题的重点，并将构建、修改、分析、评价模型作为高中学生的基本科学探究能力。我国的《新课程标准》也非常重视模型和模型方法。二、新课标教材（人教版）有关模型建构的内容新课程标准确定的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，尤为重视科学探究能力的培养。领悟和运用科学方法，对于发展科学探究能力至关重要。教材上有关模型建构的活动能有效地驱动学生针对现实的事物或现象提出问题的活动；驱动学生积极主动地进行观察和实验等收集事实证据的活动；驱动学生提出和求证假说以及做出解释等积极构建知识的活动；通过交流甚至辩论，使学生得以评判自己和他人的解释，不仅能拓展自己对知识的理解，而且提高质疑、推理和批判性地思考科学现象的能力。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内容虽然不多，但是如果具体教学中模型建构过程切实得以落实，学生在老师的引导下通过真正的“做”科学的过程，既能学到知识内容，又能掌握更深入地运用和探究生物学知识所必需的思维方法，使探究能力得以提高，同时形成正确的对待科学问题的观点和态度。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”，就是运用模型的探究活动，要求学生制作的是一个活体物理模拟模型。运用这个模型进行的是对生态系统运行的模拟实验。该制作活动一方面需要对生态缸的组成成分、结构、环境、性能等作分析，另一方面需要对系统的能量转换和物质流动状态及其调控作分析，这对学生深入理解生态系统的结构、生态系统中的物质循环和能量流动的基本规律及其应用、生态系统中的信息传递、生态系统的稳定性等等，具有重要的教学价值。三、运用模型方法进行中学生物教学模型给人们一种认识事物的思路、角度和方法。在现代生物科学研究中，模型方法被广泛运用。新课标提出“要让学生领悟生物科学理论或模型的科学美”。在生物科学学习中，模型提供观念和印象，是非常吸引学生的生动的感性材料，是学生知识结构的重要组成部分。要有效进行一个模型建构，教师应该只是提供一定的指导，由学生自己动手动脑进行模型建构。以下通过《遗传与变异》模块中第二章的“减数分裂”一节（两个课时）的教学，尝试在课堂教学中运用模型和模型的方法，通过学生的动手操作，产生深刻的感性认识，由物理模型上升为抽象的数学模型，帮助学生对减数分裂本质的认识。（一）运用模型方法进行概念教学对于概念的学习，模型建构是最直接最有效的教学途径之一。在生物课堂教学中，学生对概念的掌握往往是一个逐步深入和提高的过程，一般都是由现象到本质，由简单到复杂，由具体到抽象的完善过程。模型和模型的方法有利于学生加强感性认识，使知识概念经验化，直观化，有助于学生记忆和理解。【例1】“联会、同源染色体”的概念学习为了帮助学生比较和掌握同源染色体、联会概念的区别与联系，教师没有直接告诉学生这些概念的区别，而是在黑板上用不同颜色的笔绘出减数分裂中染色体行为变化（教师实际上是做模型构建的示范），就概念的生成展开了下面的一系列对话：教师：在老师所画的图中，让长度相同、颜色不同的两条染色体配对代表什么？学生：联会。教师：我们下面要学习的一个概念是“同源染色体”，按照对字面的理解，你认为该怎么定义呢？学生：来源相同的染色体。教师：既然来源相同，那为什么配对的染色体要用两种颜色表示呢？（学生思考、讨论）学生：同源染色体不是指来源相同的染色体，而是指在减数分裂过程中配对联会的两条大小和形状相同的染色体，两种颜色分别代表一条来自父方，一条来自母方。教师：大家对这样的定义有没有不同意见？教师：配对的两条染色体大小和形状是不是绝对相同呢？是不是只有进行减数分裂的细胞在联会配对之后才出现同源染色体呢？（教师演示受精作用课件、动画模拟精卵的结合过程以及受精卵中染色体组成，学生观察分析）教师：受精卵中的染色体来源、形状和大小有什么特点？学生：受精卵中的染色体一半来自父方、一半来自母方，形状和大小一般相同。教师：那么，受精卵中的染色体是不是同源染色体呢？如果是的话，同源染色体概念的要素什么？学生：①形状和大小一般相同；②一条来自父方，一条来自母方的两条染色体。（二）运用模型方法揭示生物现象本质特征【例2】通过构建物理模型，抽象出减数分裂过程中染色体变化的本质特征背景：在第一模块的学习中，学生曾经以二条形态大小相同的染色体为例，绘制了染色体在有丝分裂各个时期的形态和行为变化图解，即模拟模型（见图解1）。师生共同回顾，教师展示模拟模型（图解1）。教师提出学习任务：请同学们观察教科书或黑板的挂图，以一对同源染色体为例，绘出减数分裂过程各时期染色体行为的变化。引导学生阅读教科书或挂图的图解，学生分小组讨论并绘制图解，学生小组展示模型构建的成果，师生展开交流和研讨，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(见图解2和图解3)。在此过程中，教师要不失时机地提出下列问题：①染色体是什么时候进行复制的？②同源染色体何时分离？③染色体数目减半发生在什么时期？④经过减数第一次分裂的子细胞有无姐妹染色单体？⑤减数第二次分裂过程染色体行为与有丝分裂有何异同？⑥在同源染色体上的相应位置标出1对等位基因（Aa），并思考该对等位基因何时发生分离？师生讨论得出结论后，教师提出进一步学习的任务：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。【例3】建立减数分裂过程染色体和DNA数目规律变化的数学模型，理解染色体变化的本质特征，概述染色体、DNA数目规律变化的意义以模型（图解）为切入点，师生共同构建减数分裂过程染色体和DNA数目规律变化的数学模型。师生共同回顾有丝分裂中染色体、DNA在各个时期的数目变化（以染色体为2n的体细胞为例，见图解1）。图解1有丝分裂过程染色体数目变化2n2n2n4n2nDNA数目变化2N→4N4N4N4N4N→2N师生共同探究减数分裂中染色体、DNA在各个时期的数目变化（以染色体为2n的体细胞为例，见图解2和图解3）。图解2减数第一次分裂过程染色体数目变化2n2n2n2nnDNA数目变化2N→4N4N4N4N4N→2N图解3减数第二次分裂过程染色体数目变化nn2nnDNA数目变化2N2N2NN教师引导学生将上述数据转换成染色体、DNA数目变化的二维坐标柱状图或曲线图，并进行比较分析，进一步深化学生对数学模型的理解。教师提出进一步学习的任务：若有两对等位基因，且符合孟德尔的自由组合定律，在减数分裂中等位基因是如何分离的？非等位基因又如何自由组合？请设间期期前期期中期期后期期末期期间期期中期期后期期末期期前期期四分体期联会期前期期中期期后期期末期期计和制作具有两对同源染色体的减数分裂过程模型，标出两对等位基因在染色体的位置，并模拟非等位基因随非同源染色体而自由组合的情况。（三）运用模型方法解释生物学规律高中阶段已经进行了文理分科，由于学生的个体的差异，认知水平参差不齐，许多文科学生对一些逻辑性较强的生物学规律难以理解，这往往形成了教与学的难点，例如：“非等位基因随非同源染色体的而自由组合”这一知识点，如何在教学中化难为易，是生物教学中恒久的课题。模型的直观性给与学生深刻的感性材料，通过亲手制作模型学生从中体验到平时肉眼无法观察到的生物学现象，解释生物学规律，难点也就迎刃而解。【例4】制作含两对同源染色体的细胞进行减数分裂的物理模型，解释非等位基因随非同源染色体而自由组合的现象和规律。教师提出模型建构的基本方法和要求：①小组合作完成（两人一小组）；②利用实验台上已有的材料（不同颜色的绳子、橡皮泥、剪刀等。提示：用绳子做染色体的臂，同色的橡皮泥做着丝点，标出两对等位基因Aa和Bb在染色体的位置）；③注意模型的科学性，控制好时间。学生通过实