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1、浅谈高中生物建模的教学价值和培养策略 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概括性的描述。普通高中生物课程标准明确要求：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。 由此可见，建模能力在高中生物课程标准中被提到较高的高度，模型建构被认为是学生将来从事科学研究的必备能力。如何落实新课程标准中模型建构能力的培养?下面从模型建构的理论基础、生物模型的类型、教学价值和培养策略四个方面进行探讨，以期对高中生物教学中
2、培养模型建构能力提供借鉴。 1理论依据 建构主义学习理论认为：学习是学习者主动建构内部心理表征的过程，其核心是：“知识是通过主体积极建构的，而不是被动接受的。”建构主义理论下的学习效果不是取决于学生记忆课堂讲授内容的多少，而是取决于学生通过主动建构获取知识和能力的程度。模型建构教学就是在教师引导下，让学生在一定的情境中通过自己动手构建模型，学习生物知识，体验生物科学研究过程。因此，在模型建构教学活动中是以学生为主体，以建构模型为主线，让学生在真正做的过程去探索、交流、学习。它重视学习过程的主动性和建构性，强调学生以个人的学习经验、心理结构来建构对于新事物的理解，从而获取新知识，掌握解决问题的方
3、法和技能。教师在教学过程中若能用好模型建构方法，对实现新课程目标、提高生物科学素养会有很大帮助。 2生物模型的类型 生物模型可以分为物质形式和思维形式两大类型。 2.1从物质形式角度 生物模型可以分为真实模型、替代模型以及人工模拟模型等几种类型。 (1)真实模型。为了能更好地探究某项生命活动规律而选用某些方面具有典型特征或特别便利的生物，这就是真实模型。真实模型的选择往往是精心的、慎重的，因为通过对其研究所获得的生命活动规律须具有通适性、典型性，能推广到其他生物。如孟德尔、摩尔根分别以豌豆、果蝇为研究模型，研究发现了遗传的三大规律；林德曼选择美国的赛达伯格湖为生态系统模型，深入研究并揭示了生态
4、系统的能量流动规律。 (2)替代模型。替代模型是指由于种种原因，无法直接用研究对象进行实验研究，而用其他生物代替研究对象进行研究。如常用豚鼠、猕猴等动物代替人体进行疾病机理探究、疫苗研制、药物试验等工作。再如，以诱发豚鼠血脂增加作为高血脂患者的模型，用来筛选降血脂的药物。 (3)人工模拟模型。有些科学问题的探究既无法用真实模型，也无法找到替代模型，此时，科学家们想出了用人工模拟的方法来开展研究，如生物圈号、探究性状分离比的实验模型、探究生态系统稳定性的小生态瓶等。 2.2从思维形式角度 生物模型的表现形式有物理模型、概念模型、数学模型、软件模型等。 (1)物理模型。以实物或图画形式直观反映认识
5、对象的形态结构或三维结构，这类实物或图画即物理模型。常见的实物模型有DNA双螺旋结构模型、真核细胞亚显微结构模型等；图画模型有三倍体无子西瓜的培育过程图解、池塘生态系统模式图等。物理模型的特点是实物或图画的形态结构与真实事物的特征、本质非常相像，大小一般是按原比例放大或缩小的。 (2)概念模型。以图示、文字、符号等组成流程图形式对事物的生命活动规律、机理进行描述、阐明，即概念模型。如动植物细胞的有丝分裂、减数分裂图解、光合作用示意图、中心法则图解、过敏反应机理图解等。概念模型的特点是图示比较直观化、模式化，由箭头等符号连接起来的文字、关键词比较简明、清楚，它们既能揭示事物的主要特征、本质，又直
6、观形象、通俗易懂。 (3)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。如酶的活性变化曲线、种群增长曲线、微生物生长曲线，以此种群密度计算公式、组成细胞的化学元素饼状图、能量金字塔等。曲线图的特点是在利用坐标系描述2个变量之间的定性或定量关系；柱形图是依据实验数据在坐标系内用柱形方式表示的2个变量之间不连续的定量关系；饼状图通常是百分比含量的圆饼状表示；计算公式或函数式则是根据数学上的等量关系、用字母符号建立起来的变量之间定量关系式。 (4)软件模型。用计算机语言编写、反映变量之间逻辑关系的应用生物程序称为软件模型。如弗里斯特等根据
7、他们对人口增长、工业发展、粮食增长、不可再生资源的消耗以及环境污染的研究，用几十个相互联系的变量组成了一个模型，借助计算机进行各种运算，一方面对模型进行检验，同时也可以对未来作出预测。这种抽象模型的计算机模拟在生态学、群体遗传学、基因组研究等很多领域已成为重要的研究方法。 3生物建模的教学价值 3.1提高学生学习兴趣 兴趣是最好的老师，教学效果不仅和学生的智力水平有关，更重要的是和他们对这一学科的学习兴趣有关。模型本身展示给学生的是非常直观、生动的印象，它使静止的文字变得活跃、生动，是能够激发学生学习兴趣的感性材料。在应用模型方法进行教学的过程中，不是教师硬性灌输给学生知识，而是让学生在学习的
8、舞台上亲自去想象，去动手构建模型。在进行人教版必修2“减数分裂过程中染色体变化”的教学时，教师引导学生用橡皮泥构建染色体、姐妹染色单体的模型，明确染色体、姐妹染色单体的概念关系，学生通过小组合作，用橡皮泥构建“减数分裂过程中不同时期的染色体变化模型”。学生通过讨论、观察、自己动手操作，更好地理解减数第一次分裂前期同源染色体联会，形成四分体；后期同源染色体分离，染色体数目减少一半等减数分裂各个时期染色体变化的特点。学生在做模型的过程中学习生物知识，激发学生的学习兴趣，促使学生为之，愉悦、兴奋，同时体验到建构探究成功后的喜悦感、自豪感。 3.2实现自主、合作学习方式 高中课程改革的重要突破口之一是
9、转变学习方式，由过去被动的学习方式变为自主的学习方式，完成由以教师、知识为中心，向以学生发展为中心的转变。生物模型的建构是学生进行动手实践、自主探索、合作交流学习的有效方式。 模型的建构往往是在一定的情景中通过学生的自主学习来完成的。进行人教版必修1“生物膜结构模型”的教学时，先给学生提供这样的教学情景：科学研究发现，脂溶性物质极易通过细胞膜，并且细胞膜易被脂溶性溶剂所溶解；细胞膜易被蛋白酶水解。分析得出细胞膜的主要组成成分是蛋白质和磷脂。然后教师鼓励学生大胆想象，尝试建构磷脂在空气和水面的排列方式，以及它们是如何构成细胞膜的，给学生提供充分的自主学习的空间和时间，并引导学生不断修改自己构建的
10、模型，引导和促进学生主体性发展。 教师在放手让学生独立思考、自主建构的基础上组织全班学生进行合作交流。通过交流合作使学生能从不同的角度去思考问题，能对自己和他人的成果进行反思，在合作交流中相互启发、共同发展，培养合作精神和参与意识。在模型建构的课堂中有一种和谐、宽松的学习氛围，教师成为学生学习活动的引导者、组织者，学生真正成为学习的主人。 3.3化复杂为简单，培养学生思维能力 中学生物学以描述性语言为主，对于一些深奥的生命现象，以模型为工具，能够清晰有力地阐述隐藏在现象背后的一般规律。例如建构种群动态变化的模型。由于种群数量同时受多种因素的影响，因此变化很复杂。自然界中种群数量增长通常呈“s”
11、型曲线，研究“S”型曲线会发现：曲线的形状表示种群动态变化趋势，曲线上任一点的切线的斜率表示变化快慢。当种群数量达到环境所允许的最大值(K)时，在该点作曲线的切线，其斜率为0，表示种群的增长率为0。在K2时，该点的切线的斜率最大，说明此时种群的增长率最大。当种群数量大于K2时，种群增长速率开始下降。“s”型曲线实质上是指数函数与对数函数的叠加。用“S”型曲线恰好能完美地表达种群数量的动态变化，明白种群动态变化的意义可用于指导生产实践。利用曲线的数学性质可以简洁地描述生物学上一些复杂的现象，生命现象是奇妙而抽象的，数学曲线是简单而直观的。实际问题常常是复杂多变的，数学建模需要学生具有一定的探索性
12、和创造性，学生在老师的引导下通过真正“做”科学的过程，既能学到知识，又能提高思维能力。 3.4化抽象为直观，训练学生创新能力 必修1“细胞的分裂和分化”很难、很抽象，怎样将抽象的知识通俗地呈现给学生?首先给学生阅读一段资料，即一个成年人大约拥有100万亿个细胞，这些细胞都源自一个细胞。当学生阅读了这段资料后，最大的疑惑是：人为什么要这么多的细胞，而不能由几个巨大的细胞组成?答案是因为细胞很小。紧接着学生又有疑惑了：细胞为什么这么小?仅凭学生已有的生物学知识，要解释清楚“细胞的体积只能很小”是不可能的。教师利用数学建模的方法可以让学生轻松地理解“细胞的体积为什么只能很小”。第一步，假设细胞为立方
13、体形(便于计算)；第二步，分别设立方体的边长为1cm、2cm、3cm和4cm；第三步，先分别计算每个立方体的表面积和体积，再计算表面积和体积之比。表面积代表细胞膜的大小，体积代表细胞的大小，将计算结果列表呈现。当学生看了表中数据后，对“细胞体积只能很小”的原因一目了然：细胞长大需要通过细胞表面从外界吸收营养物质，表面积越大，吸收的营养物质越多。随着细胞的长大，其表面积与体积之比却在变小，即表面积增大没有体积增大得快。当细胞长到一定大时，由于细胞得不到足够的营养物质而无法继续长大。因此，细胞的体积只能很小。 4模型建构能力的培养策略 4.1建构模型的一般程序 (1)掌握原理。掌握模型所代表的知识
14、、过程、规律、机理等，弄清模型的构成要素或包含内容之间的逻辑关系。 (2)明确类型。明确所构建的模型属于哪种类型，知道该种模型的特点及表现形式。 (3)构建草图(框架)。选择适当的图形、文字、符号勾勒出草图，或用适当的搭建框架。基于模型的通适性、典型性，所以在构建时只需要考虑大多数情况即可，一般不考虑极少数情况或特例。 (4)修饰完善。对照原理查验所构建的草图(框架)，确保其科学性；然后进一步修饰完善模型，力求规范、简洁、直观、有美感；最后构建出正式的模型。 (5)补充诠释。对一些模型要添加必要的文字说明、示例、图注等，使模型更科学、更清楚、更规范。 4.2模型建构能力的培养策略 模型建构能力
15、是在建模思想的指导下，综合建立模型，进行知识或技术创新，最终达到建立模型，完成创新过程的能力。在进行高中生物教学时，教师可通过模拟实验构建模型、利用模型方法教学、运用模型方法解决问题等方面培养学生的建模能力。 (1)结合建模专题，训练思维模型建构的能力。高中生物学科以描述性的语言为主，学生不善于运用思维模型建构来解决生物学上的问题，这就要教师在平时的课堂教学中给予提炼总结，并进行思维模型建构。教师应研究在各个教学章节中可引入哪些模型问题，如讲减数分裂时，MI中期的同源染色体在细胞中央的不同排列方式，在细胞两极出现不同的染色体组合，最终形成几种不同基因组成的配子?结合排列与组合知识，可解决这个疑难问题。同样遗传信息的传递与表达过程中，也涉及到碱基的排列与密码子的组合方式。 此外，还可以选择适当的模型建构专题，如“代数法模型建构”、“图解法模型建构”、“直(曲)线拟合法模型建构”，通过讨论、分析和研究，熟悉并理解思维模型建构的一些重要思想，掌握模型建构的基本方法。同时注意与其他学科的呼应，也是培养学生模型建构方法的一个不可忽视的途径。通过教师潜移默化地渗透模型建构意识，学生可以从各类模型建构问题中逐步领悟到思维模型建构的广泛应用，提高他们运用知识进行模型建构的能力。 (2)注重建模方法
