培养学生构建生物模型的能力的研究

黄勋欢

【摘要】 《高中生物课程标准》指出：“要让学生领悟建立模型的科学方法及其在科学研究中的作用。”高中生物学课程中的模型建构活动，其主要价值是让学生通过尝试建立模型，体验建立模型中的思维过程，领悟模型方法，并获得或巩固有关生物学概念.通过建构模型，培养学生的建模思维和建模能力，不但可以排除、舍弃非本质因素，突出事物的本质特征，使生命现象或过程得到纯化和简化，让学生容易地掌握知识的规律，而且还可以提高课堂效率，激发学生学习兴趣，提高学生的科学素养和科学探究能力，同时也是教师适应新课程改革的必需。

【关键词】 培养 构建 生物模型

【中图分类号】 G633.91 【文献标识码】 A 【文章编号】 1992-7711（2017）07-174-02

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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。高中生物学课程中的模型建构活动，让学生通过尝试建立模型，体验建立模型中的思维过程，领悟模型方法，并获得或巩固有关生物学概念。在某种程度上讲，模型构建和理解模型是学生理解和掌握生物学知识的有效工具。建构模型的方法，是高中新课标对学生科学方法和探究能力的要求。那么，什么是模型？如何构建相应的模型呢？

一、模型的概念及分类

高中必修一课本对模型的介绍如下“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，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，包括概念模型、数学模型和物理模型等。”

二、培养构建模型的实例

1.概念模型

概念模型是指以文字表述来抽象概括出事物的本质特征的模型。如每章节画的概念图、真核细胞结构共同特征的文字描述、光合作用过程中物质和能量的变化的解释、达尔文的自然选择学说的解释模型等。

例如，在学习完《基因的表达》后，让学生从中理出核心概念，引导学生构建概念图。首先，确定主题并且围绕主题写出主要概念和次要概念；然后，将主要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，并用线条和连接语把概念连接起来。过程如下：

主要概念：基因的表达，转录，翻译

次要概念：基因，蛋白质，脱氧核苷酸序列，氨基酸序列，遗传信息，信使RNA（mRNA），转运RNA（tRNA），核糖体RNA（rRNA），密码子，核糖体

然后让学生进行补充完善，详细扩充各模块的的知识，逐步培养学生构建知识网络的能力。而在总复习、专题复习中则将不同模块、不同章节之间的内容整合起来。

2.数学模型。

数学模型是用来描述一个系统或它的性质的数学形式，包括计算公式、函数式、曲线图以及由实验数据绘制成的柱形图、饼状图等。教材中有用数学模型研究生物种群数量的增长、有丝分裂过程中DNA含量变化曲线、酶的活性随pH变化而变化的曲线、同一植物不同器官对生长素浓度的反应曲线、孟德尔豌豆杂交实验中9：3：3：1的比例关系等。

数学模型建构的一般步骤为：观察研究对象，提出问题→作出假设→根据实验数据，用适当的数学形式对事物的性质进行表达→通过进一步的实验或观察等对模型进行检验或修正。下面以《种群数量的变化》一节中“建构种群数量增长的模型”为例，培养学生建构数学模型的能力。

（1）观察研究对象，提出问题

学生观察细菌进行二分裂，每20min分裂一次，提出细菌种群数量增长应该怎么描述、解释和预测？

（2）作出假设

此建模中提到的假设是“在资源和空间无限多的环境中，细菌种群的增长不会受到种群密度增加的影响"，也就是在"理想的环境中，此环境一般指的是资源和空间充足，气候适宜，没有天敌，没有疾病等”。

（3）根据实验数据，用适当的数学形式对事物的性質进行表达

通过上述的分析，学生得出细菌增殖的特点满足指数函数的形式进行增长，因此用数学形式表达为，其中N代表细菌数量，n代表第几代。

一道实际问题的解决往往需要纷繁的计算，可以采用解方程、画图形、证明定理、逻辑运算、数值运算等各种传统的和近代的数学方法进行模型的求解。如在这一数学模型的构建中，引导学生根据刚才的指数函数一模型把细菌的数量进行计算统计，把数据进行整理，此时构建出另一种数学模型——表格。

表格具有一定的局限型，因此继续引导学生把它构建成坐标图的数学模型。利用建立坐标图像使一些抽象的知识变得更具体，从而得到了在理想的环境中生物种群的一种增长曲线——“J型增长曲线”。

（4）通过进一步的实验或观察等对模型进行检验或修正

在生物学中存在这许多不确定因素和例外的现象，使学生认识到模型的构建是一个不断发展和完善的过程。如让学生进一步思考问题：①其它的生物并不一定进行二分裂的生殖方式，那么它们的种群数量的变化是否也满足上述的“J型增长曲线”呢？如果满足那么要建立它的函数模型又是怎样呢？通过进一步的假设分析，得到，其中为该种群的起始数量，t为时间，t年后该种群的数量，λ为该种群每年增长倍数。②生物的实际生活环境是否真得这么理想呢？让学生对在实际环境（如资源和空间有限，气候并不一直适宜，出现天敌和竞争者，同时还会受到疾病等的威胁等）中生物种群的数量变化进行进一步的假设分析，得出在自然界中种群不能无限增长，种群总是在增长到一定限度后达到相对的稳定，因此构建出另一增长曲线——“S型增长曲线”。③当然生物生活的环境是不断变化的，例如当种群增长已经进入到了“S型增长曲线”的相对稳定的时候，随着生活资源的消耗完，并产生了一些有毒的代谢终产物，使其生活环境变得更加恶劣，将会产生种群数量急剧下降甚至灭绝的增长曲线；又或者在环境的改变中引起了种群中的生物体发生了基因突变，从而出现了新的性状以很好地适应当时的环境变化并重新大量繁殖，将会产生种群数量又上升的增长曲线等等。

通过构建数学模型，学生对生物种群数量的变化过程能更深刻的认识，并通过图像的形式让学生把抽象的东西转化为具体化的知识，有助于知识的识记、理解和掌握。

3.物理模型

物理模型指以实物或图画形式直观地表达认识对象的特征。如：细胞模型、细胞器模型、生物大分子模型、生物膜模型、动（植）物有丝分裂模型和减数分裂中染色体的变化模型、DNA分子双螺旋结构、血糖调节的模型、制作生态缸等。

如以必修一“利用废旧物品制作生物膜模型”为例。在本制作中，学生可以用包裹中药丸的球形蜡质盒做磷脂分子的头部，用穿过药盒的铁丝或电线做磷脂分子的尾部。通过打孔并用铁丝串接做成磷脂双分子层。再用包装常用的硬质泡沫塑料做成各种形状的蛋白质。通过设计蛋白质的排布来体现“镶嵌”的方式。

这个物理模型的制作，材料容易获得，制作过程简单而不失创意。通过建构的过程，让学生对生物膜的分子组成和空间结构有了更形象的认识。

从以上的众多例子不难看出，模型的特点就是以简化和直观的形式来显示复杂事物或过程。数学模型和物理模型都是通过图解的形式将事物的特点或变化规律勾画出来，也都能够定性和定量地准确描述。但是，数学模型在定量描述上更加直观；而物理模型则在定性描述上更加形象。概念模型由于是文字性高度的概括和归纳，可以很好地帮助我们全面理解相关问题的实质。

模型的建立要根据研究的任务，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，从而充分地发挥思維的能动作用，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。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]刘军波.《浅探构建数学模型在高中生物教学中的应用》.

[2]周小洁.《减数分裂》一课的模型建构教学的思考，广州市第三中学.

[3]刘鑫.《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.

[4]《临川一中生物活动课校本课程》2013-5-2021：16：13.

[5]周晓强.《利用生物科学史培养学生建模能力的教学模式初探》，（苏州市实验中学215011）.