高中生物建模研究內(nèi)容

中學(xué)生物建模探討內(nèi)容

模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對相識對象所作的一種簡

化的概括性的描述?！镀椒仓袑W(xué)生物課程標(biāo)準(zhǔn)》明確要求：了解建立

模型等科學(xué)方法及其在科學(xué)探究中的作用，造就學(xué)生的建模思維和建

模實力，領(lǐng)悟、建立數(shù)學(xué)模型等科學(xué)方法及其在科學(xué)探究中的應(yīng)用，

造就學(xué)生的建模思維和建模實力，獲得生物學(xué)的根本領(lǐng)實、概念、原

理、規(guī)律和模型等方面的根底學(xué)問。

由此可見，建模實力在中學(xué)生物課程標(biāo)準(zhǔn)中被提到較高的高度,

模型建構(gòu)被認(rèn)為是學(xué)生將來從事科學(xué)探究的必備實力。如何落實新課

程標(biāo)準(zhǔn)中模型建構(gòu)實力的造就?下面從模型建構(gòu)的理論根底、生物模

型的類型、教學(xué)價值和造就策略四個方面進(jìn)展探討，以期對中學(xué)生物

教學(xué)中造就模型建構(gòu)實力供應(yīng)借鑒。

1理論依據(jù)

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為：學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者主動建構(gòu)內(nèi)部心理表征的

過程，其核心是："學(xué)問是通過主體踴躍建構(gòu)的，而不是被動承受的。〃

建構(gòu)主義理論下的學(xué)習(xí)效果不是取決于學(xué)生記憶課堂講授內(nèi)容的多

少，而是取決于學(xué)生通過主動建構(gòu)獲得學(xué)問和實力的程度。模型建構(gòu)

教學(xué)就是在老師引導(dǎo)下，讓學(xué)生在必需的情境中通過自己動手構(gòu)建模

型，學(xué)習(xí)生物學(xué)問，體驗生物科學(xué)探究過程。因此，在模型建構(gòu)教學(xué)

活動中是以學(xué)生為主體，以建構(gòu)模型為主線，讓學(xué)生在真正做的過程

去探究、溝通、學(xué)習(xí)。它重視學(xué)習(xí)過程的主動性和建構(gòu)性，強調(diào)學(xué)生

以個人的學(xué)習(xí)經(jīng)驗、心理構(gòu)造來建構(gòu)對于新事物的理解，從而獲得新

學(xué)問，駕馭解決問題的方法和技能。老師在教學(xué)過程中假設(shè)能用好模

型建構(gòu)方法，對實現(xiàn)新課程目標(biāo)、提高生物科學(xué)素養(yǎng)會有很大幫助。

2生物模型的類型

生物模型可以分為物質(zhì)形式和思維形式兩大類型。

2.1從物質(zhì)形式角度

生物模型可以分為真實模型、替代模型以及人工模擬模型等幾種

類型。

⑴真實模型。為了能更好地探究某項生命活動規(guī)律而選用某些方

面具有典型特征或特殊便利的生物，這就是真實模型。真實模型的選

擇往往是細(xì)心的、慎重的，因為通過對其探究所獲得的生命活動規(guī)律

須具有通適性、典型性，能推廣到其他生物。如孟德爾、摩爾根分別

以豌豆、果蠅為探究模型，探究發(fā)覺了遺傳的三大規(guī)律；林德曼選擇

美國的賽達(dá)伯格湖為生態(tài)系統(tǒng)模型，深化探究并提示了生態(tài)系統(tǒng)的能

量流淌規(guī)律。

⑵替代模型。替代模型是指由于種種緣由，無法干脆用探究對象

進(jìn)展試驗探究，而用其他生物代替探究對象進(jìn)展探究。如常用豚鼠、

貓猴等動物代替人體進(jìn)展疾病機理探究、疫苗研制、藥物試驗等工作。

再如，以誘發(fā)豚鼠血脂增加作為高血脂患者的模型，用來篩選降血脂

的藥物。

⑶人工模擬模型。有些科學(xué)問題的探究既無法用真實模型，也無

法找到替代模型，此時，科學(xué)家們想出了用人工模擬的方法來開展探

究，如生物圈回號、探究性狀分別比的試驗?zāi)Ｐ?、探究生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定

性的小生態(tài)瓶等。

2.2從思維形式角度

生物模型的表現(xiàn)形式有物理模型、概念模型、數(shù)學(xué)模型、軟件模

型等。

⑴物理模型。以實物或圖畫形式直觀反映相識對象的形態(tài)構(gòu)造或

三維構(gòu)造，這類實物或圖畫即物理模型。常見的實物模型有DNA雙

螺旋構(gòu)造模型、真核細(xì)胞亞顯微構(gòu)造模型等；圖畫模型有三倍體無子

西瓜的培育過程圖解、池塘生態(tài)系統(tǒng)模式圖等。物理模型的特點是實

物或圖畫的形態(tài)構(gòu)造與真實事物的特征、本質(zhì)特殊相像，大小一般是

按原比例放大或縮小的。

⑵概念模型。以圖示、文字、符號等組成流程圖形式對事物的生

命活動規(guī)律、機理進(jìn)展描述、說明，即概念模型。如動植物細(xì)胞的有

絲分裂、減數(shù)分裂圖解、光合作用示意圖、中心法那么圖解、過敏反

響機理圖解等。概念模型的特點是圖示比擬直觀化、模式化，由箭頭

等符號連接起來的文字、關(guān)鍵詞比擬簡明、清晰，它們既能提示事物

的主要特征、本質(zhì)，又直觀形象、通俗易懂。

⑶數(shù)學(xué)模型。用來表達(dá)生命活動規(guī)律的計算公式、函數(shù)式、曲線

圖以及由試驗數(shù)據(jù)繪制成的柱形圖、餅狀圖等稱為數(shù)學(xué)模型。如酶的

活性變更曲線、種群增長曲線、微生物生長曲線，以此種群密度計算

公式、組成細(xì)胞的化學(xué)元素餅狀圖、能量金字塔等。曲線圖的特點是

在利用坐標(biāo)系描述2個變量之間的定性或定量關(guān)系；柱形圖是依據(jù)試

驗數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系內(nèi)用柱形方式表示的2個變量之間不連續(xù)的定量關(guān)

系；餅狀圖通常是百分比含量的圓餅狀表示；計算公式或函數(shù)式那么

是依據(jù)數(shù)學(xué)上的等量關(guān)系、用字母符號建立起來的變量之間定量關(guān)系

式。

⑷軟件模型。用計算機語言編寫、反映變量之間邏輯關(guān)系的應(yīng)用

生物程序稱為軟件模型。如弗里斯特等依據(jù)他們對人口增長、工業(yè)開

展、糧食增長、不行再生資源的消耗以及環(huán)境污染的探究，用幾十個

相互聯(lián)系的變量組成了一個模型，借助計算機進(jìn)展各種運算，一方面

對模型進(jìn)展檢驗，同時也可以對將來作出預(yù)料。這種抽象模型的計算

機模擬在生態(tài)學(xué)、群體遺傳學(xué)、基因組探究等很多領(lǐng)域已成為重要的

探究方法。

3生物建模的教學(xué)價值

3.1提高學(xué)生學(xué)習(xí)愛好

愛好是最好的老師，教學(xué)效果不僅和學(xué)生的智力水平有關(guān)，更重

要的是和他們對這一學(xué)科的學(xué)習(xí)愛好有關(guān)。模型本身展示給學(xué)生的是

特殊直觀、生動的印象，它使靜止的文字變得活潑、生動，是能夠激

發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)愛好的感性材料。在應(yīng)用模型方法進(jìn)展教學(xué)的過程中，不

是老師硬性灌輸給學(xué)生學(xué)問，而是讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的舞臺上親自去想象,

去動手構(gòu)建模型。在進(jìn)展人教版必修2"減數(shù)分裂過程中染色體變更〃

的教學(xué)時，老師引導(dǎo)學(xué)生用橡皮泥構(gòu)建染色體、姐妹染色單體的模型，

明確染色體、姐妹染色單體的概念關(guān)系，學(xué)生通過小組合作，用橡皮

泥構(gòu)建"減數(shù)分裂過程中不同時期的染色體變更模型”-學(xué)生通過探討、

視察、自己動手操作，更好地理解減數(shù)第一次分裂前期同源染色體聯(lián)

會，形成四分體；后期同源染色體分別，染色體數(shù)目削減一半等減數(shù)

分裂各個時期染色體變更的特點。學(xué)生在做模型的過程中學(xué)習(xí)生物學(xué)

問，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)愛好，促使學(xué)生為之，愉悅、興奮，同時體驗到

建構(gòu)探究成功后的喜悅感、傲慢感。

3.2實現(xiàn)自主、合作學(xué)習(xí)方式

中學(xué)課程改革的重要突破口之一是轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式，由過去被動的

學(xué)習(xí)方式變?yōu)樽灾鞯膶W(xué)習(xí)方式，完成由以老師、學(xué)問為中心，向以學(xué)

生開展為中心的轉(zhuǎn)變。生物模型的建構(gòu)是學(xué)生進(jìn)展動手實踐、自主探

究、合作溝通學(xué)習(xí)的有效方式。

模型的建構(gòu)往往是在必需的情景中通過學(xué)生的自主學(xué)習(xí)來完成

的。進(jìn)展人教版必修1"生物膜構(gòu)造模型”的教學(xué)時，先給學(xué)生供應(yīng)這

樣的教學(xué)情景：科學(xué)探究發(fā)覺，脂溶性物質(zhì)極易通過細(xì)胞膜，并且細(xì)

胞膜易被脂溶性溶劑所溶解；細(xì)胞膜易被蛋白酶水解。分析得出細(xì)胞

膜的主要組成成分是蛋白質(zhì)和磷脂。然后老師鼓舞學(xué)生大膽想象，嘗

試建構(gòu)磷脂在空氣和水面的排列方式，以及它們是如何構(gòu)成細(xì)胞膜的,

給學(xué)生供應(yīng)充分的自主學(xué)習(xí)的空間和時間，并引導(dǎo)學(xué)生不斷修改自己

構(gòu)建的模型，引導(dǎo)和促進(jìn)學(xué)生主體性開展。老師在放手

讓學(xué)生獨立思索、自主建構(gòu)的根底上組織全班學(xué)生進(jìn)展合作溝通。通

過溝通合作使學(xué)生能從不同的角度去思索問題，能對自己和他人的成

果進(jìn)展反思，在合作溝通中相互啟發(fā)、共同開展，造就合作精神和參

與意識。在模型建構(gòu)的課堂中有一種和諧、寬松的學(xué)習(xí)氣氛，老師成

為學(xué)生學(xué)習(xí)活動的引導(dǎo)者、組織者，學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主子。

3.3化困難為簡潔，造就學(xué)生思維實力

中學(xué)生物學(xué)以描述性語言為主，對于一些深邃的生命現(xiàn)象，以模

型為工具，能夠清晰有力地闡述隱藏在現(xiàn)象背后的一般規(guī)律。例如建

構(gòu)種群動態(tài)變更的模型。由于種群數(shù)量同時受多種因素的影響，因此

變更很困難。自然界中種群數(shù)量增長通常呈"s〃型曲線，探究"S"型曲

線會發(fā)覺：曲線的形態(tài)表示種群動態(tài)變更趨勢，曲線上任一點的切線

的斜率表示變更快慢。當(dāng)種群數(shù)量到達(dá)環(huán)境所允許的最大值(K)時，在

該點作曲線的切線，其斜率為0,表示種群的增長率為0。在K/2時，

該點的切線的斜率最大，說明此時種群的增長率最大。當(dāng)種群數(shù)量大

于K/2時，種群增長速率起先下降。"s〃型曲線實質(zhì)上是指數(shù)函數(shù)與

對數(shù)函數(shù)的疊加。用"S"型曲線恰好能完備地表達(dá)種群數(shù)量的動態(tài)變

更，明白種群動態(tài)變更的意義可用于指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。利用曲線的數(shù)學(xué)

性質(zhì)可以簡潔地描述生物學(xué)上一些困難的現(xiàn)象，生命現(xiàn)象是奧妙而抽

象的，數(shù)學(xué)曲線是簡潔而直觀的。實際問題時時是困難多變的，數(shù)學(xué)

建模須要學(xué)生具有必需的探究性和締造性，學(xué)生在老師的引導(dǎo)下通過

真正"做〃科學(xué)的過程，既能學(xué)到學(xué)問，又能提高思維實力。

3.4化抽象為直觀，訓(xùn)練學(xué)生創(chuàng)新實力

必修1"細(xì)胞的分裂和分化"很難、很抽象，怎樣將抽象的學(xué)問通

俗地呈現(xiàn)給學(xué)生?首先給學(xué)生閱讀一段資料，即一個成年人大約擁有

101萬億個細(xì)胞，這些細(xì)胞都源自一個細(xì)胞。當(dāng)學(xué)生閱讀了這段資料

后，最大的懷疑是：人為什么要這么多的細(xì)胞，而不能由幾個巨大的

細(xì)胞組成?答案是因為細(xì)胞很小。緊接著學(xué)生又有懷疑了：細(xì)胞為什

么這么小?僅憑學(xué)生已有的生物學(xué)學(xué)問，要說明清晰"細(xì)胞的體積只能

很小”是不行能的。老師利用數(shù)學(xué)建模的方法可以讓學(xué)生輕松地理解

"細(xì)胞的體積為什么只能很小”。第一步，假設(shè)細(xì)胞為立方體形（便于計

算）；其次步，分別設(shè)立方體的邊長為lcm、2cm、3cm和4cm；第三

步，先分別計算每個立方體的外表積和體積，再計算外表積和體積之

比。外表積代表細(xì)胞膜的大小，體積代表細(xì)胞的大小，將計算結(jié)果列

表呈現(xiàn)。當(dāng)學(xué)生看了表中數(shù)據(jù)后，對“細(xì)胞體積只能很小”的緣由一目

了然：細(xì)胞長大須要通過細(xì)胞外表從外界吸取養(yǎng)分物質(zhì)，外表積越大,

吸取的養(yǎng)分物質(zhì)越多。隨著細(xì)胞的長大，其外表積與體積之比卻在變

小，即外表積增大沒有體積增大得快。當(dāng)細(xì)胞長到必需大時，由于細(xì)

胞得不到足夠的養(yǎng)分物質(zhì)而無法接著長大。因此，細(xì)胞的體積只能很

小。

4模型建構(gòu)實力的造就策略

4.1建構(gòu)模型的一般程序

⑴駕馭原理。駕馭模型所代表的學(xué)問、過程、規(guī)律、機理等，弄

清模型的構(gòu)成要素或包含內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系。

（2）明確類型。明確所構(gòu)建的模型屬于哪種類型，知道該種模型的

特點及表現(xiàn)形式。

⑶構(gòu)建草圖（框架）。選擇適當(dāng)?shù)膱D形、文字、符號勾畫出草圖，

或用適當(dāng)?shù)拇罱蚣??；谀Ｐ偷耐ㄟm性、典型性，所以在構(gòu)建時只

須要考慮大多數(shù)狀況即可，一般不考慮極少數(shù)狀況或特例。

⑷修飾完善。參照原理查驗所構(gòu)建的草圖（框架），確保其科學(xué)性;

然后進(jìn)一步修飾完善模型，力求標(biāo)準(zhǔn)、簡潔、直觀、有美感；最終構(gòu)

建出正式的模型。

⑸補充詮釋。對一些模型要添加必要的文字說明、例如、圖注等，

使模型更科學(xué)、更清晰、更標(biāo)準(zhǔn)。

4.2模型建構(gòu)實力的造就策略

模型建構(gòu)實力是在建模思想的指導(dǎo)下，綜合建立模型，進(jìn)展學(xué)問

或技術(shù)創(chuàng)新，最終到達(dá)建立模型，完成創(chuàng)新過程的實力。在進(jìn)展中學(xué)

生物教學(xué)時，老師可通過模擬試驗構(gòu)建模型、利用模型方法教學(xué)、運

用模型方法解決問題等方面造就學(xué)生的建模實力。

⑴結(jié)合建模專題，訓(xùn)練思維模型建構(gòu)的實力。中學(xué)生物學(xué)科以描

述性的語言為主，學(xué)生不擅長運用思維模型建構(gòu)來解決生物學(xué)上的問

題，這就要老師在平常的課堂教學(xué)中賜予提煉總結(jié)，并進(jìn)展思維模型

建構(gòu)。老師應(yīng)探究在各個教學(xué)章節(jié)中可引入哪些模型問題，如講減數(shù)

分裂時，Ml中期的同源染色體在細(xì)胞中心的不同排列方式，在細(xì)胞

兩極出現(xiàn)不同的染色體組合，最終形成幾種不同基因組成的配子?結(jié)

合排列與組合學(xué)問，可解決這個疑難問題。同樣遺傳信息的傳遞與表

達(dá)過程中，也涉及到堿基的排列與密碼子的組合方式。

此外，還可以選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ徒?gòu)專題，如"代數(shù)法模型建構(gòu)"、

"圖解法模型建構(gòu)"、"直（曲）線擬合法模型建構(gòu)〃，通過探討、分析和

探究，熟悉并理解思維模型建構(gòu)的一些重要思想，駕馭模型建構(gòu)的根

本方法。同時留意與其他學(xué)科的照應(yīng)，也是造就學(xué)生模型建構(gòu)方法的

一個不行無視的途徑。通過老師潛移默化地滲透模型建構(gòu)意識，學(xué)生

可以從各類模型建構(gòu)問題中逐步領(lǐng)悟到思維模型建構(gòu)的廣泛應(yīng)用，提

高他們運用學(xué)問進(jìn)展模型建構(gòu)的實力。

⑵留意建模方法的指導(dǎo)，幫助學(xué)生疏通思路。老師的任務(wù)不應(yīng)是

替學(xué)生找出各局部學(xué)問的現(xiàn)成構(gòu)造，而是剛好組織、引導(dǎo)學(xué)生對前面

所學(xué)學(xué)問、規(guī)律、方法進(jìn)展歸納整理，讓學(xué)生通過自己的理解和加工

建構(gòu)可用的思維模型。以"生物與環(huán)境"為例說明：①以生態(tài)系統(tǒng)為

核心，將生態(tài)因素、種群和生物群落、生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)造"分割”成三個學(xué)

問塊，有序布局；②連接三高校問塊相互聯(lián)系的學(xué)問線，自然形成

一個生物與環(huán)境的學(xué)問網(wǎng)；③縱觀全局，再現(xiàn)整體。即通過三高校

問塊概念之間內(nèi)在聯(lián)系構(gòu)成生物與環(huán)境的學(xué)問網(wǎng)絡(luò)。把這張圖有序地

儲存在頭腦中，便形成了生物與環(huán)境關(guān)系的思維模型。思索問題時，

將問題納入網(wǎng)絡(luò)便可快速檢索出所需的學(xué)問線、點，做到觸類旁通，

考慮問題就會融會貫穿，全面周到。

(3)完善學(xué)生的學(xué)問構(gòu)造，養(yǎng)成建模的習(xí)慣。老師的任務(wù)不應(yīng)是替

學(xué)生找出各局部學(xué)問的現(xiàn)成構(gòu)造，而是剛好組織學(xué)生對所學(xué)的學(xué)問進(jìn)

展歸納整理，讓學(xué)生通過自己的理解和加工構(gòu)建出一個個可用的思維

構(gòu)造圖。只有建立系統(tǒng)完整的思維框架體系，對學(xué)習(xí)的課程進(jìn)展有效

地資源整合，才會使整個教學(xué)過程和流程設(shè)計更加系統(tǒng)、科學(xué)有效。

利用思維建模進(jìn)展課程的教學(xué)設(shè)計，會促成師生形成整體的觀念和在

頭腦中締造全景圖，進(jìn)一步加強對所學(xué)和所教內(nèi)容的整體把握，而且

可以依據(jù)教學(xué)過程和須要的實際狀況做出具體的合理的調(diào)整。畫一幅

思維模型好比閱歷一次頭腦風(fēng)暴，當(dāng)一個人把自己的想法順當(dāng)寫出時,

想法會變得更加清晰，頭腦也會承受新想法。這些新的想法可能與已

有的想法有聯(lián)系，而且會引發(fā)新的意念。學(xué)會制作思維模型，又強化

而形成習(xí)慣，學(xué)生就能自覺地運用，從而取得最大的學(xué)習(xí)效率。在適

應(yīng)了思維模型教學(xué)的一段時間后，學(xué)生學(xué)習(xí)效果將大大優(yōu)于傳統(tǒng)

教學(xué)。如光合作用試驗的常用方法可構(gòu)成思維模型。思索問題時，將

問題納入思維模型便可快速檢索出所須要的學(xué)問線，做到觸類旁通，

考慮問題就會全面周到。從而使學(xué)生能夠從整體上駕馭了根本學(xué)問構(gòu)

造和各個學(xué)問間的關(guān)系，在頭腦中形成了清晰的概念網(wǎng)絡(luò)。通過思維

建模能夠極大地提高學(xué)生理解實力和記憶實力，學(xué)生不再被動地去死

記學(xué)問，而是踴躍地對關(guān)鍵字進(jìn)展加工、分析和整理，開發(fā)了學(xué)生的

空間智能，使其主體的踴躍性得到充分發(fā)揮，從而造就和開展其創(chuàng)新

思維實力。

⑷通過模擬試驗，造就學(xué)生建模思維。在中學(xué)生物教學(xué)過程中，

老師應(yīng)充分利用模擬試驗和構(gòu)建模型的內(nèi)容造就學(xué)生的建模思維。如

在"制作DNA雙螺旋構(gòu)造模型”這一試驗中，教材中介紹的試驗材料

是硬塑方框、粗鐵絲和細(xì)鐵絲，止匕外，用球形塑料片代表磷酸，用雙

層五邊形塑料片代表脫氧核糖，用4種不同顏色的長方形塑料片代表

4種不同的堿基。利用課本材料制作DNA分子構(gòu)造模型的試驗，老師

還可以讓學(xué)生自己選擇材料制作模型，通過溝通探討，最終展示自己

的作品。通過自己動手構(gòu)建模型，不僅可以加深對DNA分子的化學(xué)

組成、化學(xué)構(gòu)造和空間構(gòu)造的相識和理解，同時可以粗略地領(lǐng)悟到建

立DNA分子雙螺旋構(gòu)造模型理論、原那么和方法等方面的學(xué)問。再

如"細(xì)胞增殖”教學(xué)過程中，學(xué)生學(xué)習(xí)了植物細(xì)胞有絲分裂動態(tài)模型后,

可利用多媒體出示動植物細(xì)胞亞顯微構(gòu)造的模型，回憶它們構(gòu)造上的

差異。然后引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)植物細(xì)胞有絲分裂過程模型推想出動物細(xì)胞

有絲分裂過程模