学科教育论文-生物学模型教学探析.doc

学科教育论文-生物学模型教学探析【内容提要】在生物学课程中，有丰富的模型资源，这为模型教学提供了基础素材。在生物学教学中提倡运用模型教学，运用模型来探究解决生物学问题。模型教学强调模型的构建、运用、检验、修正发展和完善。【摘要题】教法改革【关键词】模型/模型构建/模型教学【正文】模型是人们解决特定的问题，经过一定的简化、抽象，形成新型客体，从而使原型客体的本质属性以物质形式或思维形式显现出来。这是一种重要的科学操作和科学思维的方法。在日常的生物学教学中，我们一直在大量地使用模型，但如何有效运用这一资源，开展模型教学，以增进学生对模型的熟悉、对建模方法的理解，培养他们建模、运模的能力？1高中生物学课程中的模型教学的资源我国高中生物学教科书提供了丰富的模型资源。例如：客观实物的相似模拟（实物模型）；真实世界的数学抽象（数学模型）；思想观念的文字表述（理论模型）；客观现实的形象显示（图像模型）等等。通常，生物学中的模型可分为两大类：物质模型和思维模型，每一大类又包括若干小类。下面结合高中生物学模型教学资源进行逐一介绍。1.1物质模型包括天然模型和人工模型：1.1.1天然模型在研究人体的时候，特别是人的生理现象时，出于对人身健康、安全和伦理道德方面的考虑，不便直接对人体进行实验操作。因此，科学家常常用其他与人相似的哺乳类动物来代替，如狗、猫、鼠等作为人体模型进行研究，从而获得人体生理学的有关知识。如利用线虫进行细胞凋亡的研究，利用海兔进行学习记忆的研究；利用果蝇进行发育调控的研究等，这里线虫、海兔和果蝇即是一些天然模型。1.1.2人工模型人工模型即人为制造的科学模型。在科学认识活动中，为了更好地研究微观世界和宏观世界，采用制造人工的实物模型进行模拟研究。现在，像人体的器官、血液循环等复杂的对象都有了实物模型。高中生物学中的细胞模型、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等均属于人工模型。1.2思维模型包括理想模型、数学模型和理论模型：1.2.1理想模型理想模型是人们为了便于研究而建立的对原型高度抽象化的思想客体或思想事物，它是对研究对象的简化和纯化，突出反映了显示原型的主要特征和联系。它的建立得益于逻辑方法和非逻辑方法的综合运用，是创造思维的结果。科学研究离不开科学抽象，简化了的理想模型作为科学抽象的结果，渗透在生物学科中。如大肠杆菌的结构模式图，各类细胞器、细胞结构的模式图，各类分子（氨基酸、多肽、核苷酸、核酸等）的模式图，生物膜系统图解、酶降低化学反应活化能的图解，自由扩散、协助扩散和主动运输示意图，光合作用、有氧呼吸过程图解，有丝分裂模式图解，显性和隐性基因的字母化，哺乳动物（精子）卵细胞的形成图解，DNA复制、转录和翻译的示意图，噬菌体侵染大肠杆菌的实验图解等等。高中教科书为我们提供了十分丰富的图像模型。1.2.2数学模型数学模型是能够表现和描述真实世界某些现象、特征和状况的数学系统，数学模型能定量地描述生物物质运动的过程，一个复杂的生物学问题借助数学模型能转变成一个数学问题，通过数学模型的逻辑推理、求解和运算，就能够获得客观事物的有关结论，达到对生命现象进行研究的目的。比如描述生物种群增长的费尔许斯特珀尔方程，就能够比较正确地表示种群增长的规律；通过描述捕食与被捕食两个种群相克关系的洛特卡沃尔泰拉方程，从理论上说明：农药的滥用，在毒杀害虫的同时也杀死了害虫的天敌，从而常常导致害虫更加猖獗地发生等。还有一类更一般的方程类型，称为反应扩散方程的数学模型在生物学中广为应用，它与生理学、生态学、群体遗传学、医学中的流行病学和药理学等研究有比较密切的关系。20世纪60年代，普里戈任提出著名的耗散结构理论，以新的观点解释生命的现象和生物进化原理，其数学基础亦与反应扩散方程有关。生命现象常常以大量、重复的形式出现，又受到多种外界环境和内在因素的随机干扰。因此概率论和统计学是研究生物学经常使用的方法。生物统计学是生物数学发展最早的一个分支，各种统计分析方法已经成为生物学研究工作和生产实践的常规手段。数学模型实际上就是把实际问题化成一个数学问题，在研究问题与某种数学结构之间建立起对应关系。数学模型通常以数学关系式的形式表示出来，并配以曲线图、表格等形式。如酶促反应的反应速率、酶活性的变化、孟德尔杂交实验的“31”和“9331”等等。1.2.3理论模型理论模型是针对某个问题，对已经研究的科学事实和资料进行系统分析、综合，并提出基本概念。这往往是一种“假说演绎体系”，通常表现为一种科学学说。如细胞学说；细胞膜的流动镶嵌学说；酶的作用模型（钥匙锁假说和诱导契合假说）；细胞衰老假说、生物进化理论、中心法则等等。近来，随着科技的进步，计算机技术介入模型的建构，实现了模型由“静态”向“动态”的转变。例如利用多媒体演示有丝分裂、减数分裂和受精作用的过程，利用计算机演示生物的进化、生命的起源等等。从而使模型更逼近原型客体，更真实地反映原型客体的本质属性。2如何进行模型教学在教学中，我们不仅要利用理想模型（文字图象）、实物模型、数学模型、动态模拟等多种模型构建课堂教学，还应从模型的构建、发展与完善来构建课堂教学，多角度、多层次地促进学生认知图式的发展。2.1利用模型进行教学模型可使研究对象直观化、简约化，使之便于研究；又可以简略地描述研究成果，使之便于理解和传播；还可以用于计算、推导，延伸观察和实验结论等。因此，应充分地利用模型资源，使抽象的客观具体化，引导学生进行探究。如对“减数分裂”内容进行教学时，教师可运用教科书中的哺乳动物精子（卵细胞）的形成图解，还可以利用减数分裂中染色体变化的实物模型，并配以文字描述等多角度地运用各种模型资源，从不同的侧面来反映减数分裂的本质属性，使学生对减数分裂这一认知图式构建得更完善。有条件的学校还可以用计算机模拟减数分裂的动态变化，宏观地层现其微观的动态过程，并有意识地引导学生进行进一步抽象，构建数学模型染色体、DNA、姐妹染色单体的变化曲线，促使学生认知图式的发展。2.2重视建模的过程模型教学不仅仅是模型结论运用的教学，更应是一个模型建构的过程式教学。在教学过程中，要利用模型的建构过程引导学生探究，如教科书对孟德尔分离定律的描述，详尽地层现了“31”这一数学模型的建构过程。教师在教学时，不应仅仅停留在教给学生“31”的数学结论，而要详细地演绎这个数学模型的推导过程。这是一个现象假设（数学模型的初步构建）实践验证结论（数学模型的确立）的过程。孟德尔在种植豌豆的过程中，经过数理统计，形成了“31”的数学模型，并在理论上进行推导，来解释这一模型。而后，通过再次种植豌豆，有目的地检验模型，最终确立了模型。这是一个严密的科学建模过程。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。正如同模型的发展一样，模型教学亦应是一个不断发展、修正与完善的过程。使学生认识到模型是一个开放的动态体系。如在进行“生物膜的流动镶嵌模型”教学时，教师引导学生探讨该模型的不断发展与完善：首先是早期科学家从生理功能入手进行研究，通过实验，在19世纪提出了“膜是有脂质组成的”这一模型；到20世纪，科学家发现细胞还含有蛋白