（教育学专业论文）高中生物模型建构教学的初探.pdf

论文题目：高中生物模型建构教学的初探 学科专业：学科教学( 生物) 学位申请人：姚元群 ， 指导老师：赵惠芳副教授 论文类型：应用研究 中文摘要 生命科学是自然科学中的一个重要的分支。学会建构合理的生物模型，并运用相关的模 型方法进行科学探究，已成为现代高中学生必备的科学素养。我国教育部2 0 0 3 年颁布的普 通高中生物课程标准( 实验) 的课程目标部分明确指出：知识目标为“获得生物学基本事实、 概念、原理、规律和模型等方面的基础知识，知道生物科学和技术的主要发展方向和成就， 知道生物科学发展史上的重要事件 。分析新课程改革后历年高考卷发现，涉及分析模型、建 构模型的试题数量相当可观，建模运模能力的重要性已处处体现，对于模型建构在教学中的 有利作用也有很多文章加以说明。然而，模型方法在高中生物学教学中并未受到足够的重视， 绝大多数教师均认为，模型建构活动做与不做差别不大，并且对模型建构活动缺乏信心。本 文作者通过实际的教学实验，并得出相关数据，来说明高中生物开展模型建构教学的优越性。 以供高中生物教师参考，增强其开展模型建构教学的信心与决心。因此，本研究很有现实意 义。 本研究分为三大部分：第一部分主要采用文献法进行理论研究，探讨有关模型的内涵、分 ： 类、模型建构的内涵、模型建构的方法、模型教学及模型建构教学，为本研究奠定理论基础： 第二部分为问卷调查，以了解高中生物模型建构教学的现状；第三部分，对实验班进行模型 建构教学实验，并整理统计实验数据，最后得出结论，作出反思。 通过研究，得出以下结论：一、模型建构教学能提高学生对生物学科的学习兴趣。二、模 型建构教学能提高学生的生物建模能力。三、模型建构教学能提高学生的生物成绩。 总结研究过程，得反思如下：一、教师要意识到模型建构的重要意义。二、课时有限，模 型建构活动要精心设计与组织。三、及时准确的评价能提高模型建构活动的有效性。四、在 模型建构教学中，要教给学生模型建构学习的方法。 关键词：高中生物模型建构教学学习兴趣建模能力 s u b j e c t ：e x p l o r a t i o no f m o d e l c o n s t r u c t i o nt e a c h i n go fb i o l o g yi ns e n i o rh i 曲s c h o o l s m a j o r ：s u b j e c tt e a c h i n g ( b i o l o g y ) c a n d i d a t e ：y u a n q u ny a o t h e s i ss u p e r v i s o r ：a s s o c i a t e dp r o f e s s o rh u i f a n gz h a o 1 y p eo ft h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h a b s t r a c t l i f os c i e n c ei so n eo ft h ei m p o r t a n tt h eb r a n c h e so fn a t u r a ls c i e n c e s i ti st h en e c e s s a r ys c i e n t i f i cc a p a c i t y f o rm o d e r nh i 【g hs c h o o ls t u d e n t st ol e a r nt oc o n s t r u c tr e a s o n a b l eb i o l o g i c a lm o d e la n da p p l yt h er e l a t e dm e t h o d s i n t os c i e n t i f i cr e s e a r c h t i l eo r d i n a r yh i 曲s c h o o lb i o l o g yc o u r s es t a n d a r d ( t e s t i n g ) p r o m u l g a t e db yc h i n e s e m i n i s t r yo fe d u c a t i o ni n2 0 0 3e x p l i c i t l yp o i n t e do u ti nt h eg o a lo fc o u r s ep a r tt h a t ：k n o w l e d g eg o a l sa r e t o a c q u i r ek n o w l e d g e sw h i c ha r er e l a t e dt ob a s i cb i o l o g i c a lf a c t s ，c o n c e p t s ，p r i n c i p l e s ，l a w sa n dm o d e l s ，t ok n o w ，t h em a i nd e v e l o p m e n td i r e c t i o n sa n da c h i e v e m e n t so fb i o l o g i c a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g i e s ，t ok n o wt h e 。i m p o r t a n te v e n t si nb i o l o g i c a ls c i e n c eh i s t o r y ”b ya n a l y z i n gs e v e r a ly e a r s c o l l e g ee n t r a n c ee x a m i n a t i o n p a p e r sa f t e rn e wc u r r i c u l u mr e f o r mb e g a nw ef o u n dt h a tt h eh u m b e rq u e s t i o n sw h i c ha r ec o n c e r n e do fa n a l y s i s m o d e l s b u i l d i n gm o d e l sa r ev e r yc o n s i d e r a b l e t h ei m p o r t a n c eo fb u i l d i n gm o d e l sa n da p p l y i n gt h e mh a sb e e n 。e v e r y w h e r e t 1 1 eb e n e f i t so fb u i l d i n gm o d e l si nt e a c h i n gh a v eb e e ne x p l a i n e db ym a n ya r t i c l e s h o w e v e r , t h e m o d e lm e t h o d sh a v en o tb e e nt a k e ns e r i o u s l yi nb i o l o g yt e a c h i n go fh i g hs c h o o l 。m o s tt e a c h e r s “n kt h a tt h e r e a r ea l m o s tn od i f f e r e n c e sb e t w e e nh a v i n gm o d e lc o n s t r u c t i o na c t i v i t i e sa n dn o th a v i n gi nt e a c h i n g a n dt h e yl a c k c o n f i d e n c ei nm o d e lc o n s t r u c t i o na c t i v i t i e s h e r et h ea u t h o ri l l u s t r a t e da d v a n t a g e so fb u i l d i n gm o d e l si nb i o l o g y ：t e a c h i n go fh i 曲s c h o o lt h r o u g ht h ep r a c t i c a lt e a c h i n ge x p e r i m e n t sa n dt h er e l e v a n td a t a i tc a nb et h er e f e r e n c e t 0h i 曲s c h o o lb i o l o g yt e a c h e r s i tc a ns t r e n g t h e nt h ec o n f i d e n c ea n dd e t e r m i n a t i o ni nc o n s t r u c t i o no ft e a c h i n g m o d e l t h e r e f o r e ，t h i ss t u d yh a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sr e s e a r c hi sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ，t h ef i r s tp a r ti sm a i n l ya b o u tt h ec o n n o t a t i o na n dm e t h o d so f t h e o r y r e s e a r c ho fm o d e lc o n s t r u c t i o n , m o d e lt e a c h i n ga n dt e a c h i n gm o d e lb u i l d i n gv i ad o c u m e n t st ob u i l dt h e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o r t h er e s e a r c h ；t h es e c o n dp a r ti sa q u e s t i o n n a i r es u r v e yt of i n do u tt h es t a t u so fm o d e l s t e a c h i n gi nh i 曲s c h o o l ；t h et h i r dp a r tc o n s i s t so fc o n s t r u c t i v i s tt e a c h i n ge x p e r i m e n tt oe x p e r i m e n t a lc l a s s ， c o m p i l i n gs t a t i s t i c a le x p e r i m e n t a ld a t a , a n dg e t t i n gt h ec o n c l u s i o na n dr e f l e c t i o n t h r o u g hr e s e a r c hw ed r a wt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s f i r s t , m o d e l i n gt e a c h i n gc a r le n h a n c es t u d e n t s l e a r n i n g i n t e r e s ti nb i o l o g y s e c o n d , i tc a ni m p r o v es t u d e n t s b i o l o g i c a lm o d e l i n gc a p a b i l i t i e s t h i r d i tc a nu p g r a d et h e ：b i o l o g i c a la c a d e m i cr e c o r d ：i ns u m m a r y , w eh a v eg o t t e nt h ef o l l o w i n gr e f l e c t i o n s ：f i r s t , t e a c h e r ss h o u l dr e a l i z et h ei m p o r t a n c eo fm o d e l i n g s e c o n d , m o d e l i n ga c t i v i t i e ss h o u l db ec a r e f u l l yd e s i g n e da n do r g a n i z e db e c a u s eo ft h el i m i t e dt i m e t h i r d i a c c u r a t ee v a l u a t i o ni nt i m ec a l li m p r o v et h ee f f e c t i v e n e s so ft h em o d e l i n ga c t i v i t i e s f o u r t h 。t e a c h e r ss h o u l d m o d e l i n gt e a c hs t u d e n t sm e t h o d so fm o d e l i n gl e a r n i n gd u r i n gm o d e l i n gt e a c h i n g k e yw o r d s ：b i o l o g yi nh i g hs c h o o l s ，m o d e l - c o n s t r u c t i o nt e a c h i n g ，l e a r n i n gi n t e r e s t , m o d e l i n ga b i l i i 2 圆l 上海师范大学硕士学位论文 第一章引言 第一章引言 1 1 问题的提出 1 1 1 新课程标准的要求 我国教育部2 0 0 3 年颁布的普通高中生物课程标准( 实验) 的课程目标部分指出：知识 目标为“获得生物学基本事实、概念、原理、规律和模型等方面的基础知识，知道生物科学 和技术的主要发展方向和成就，知道生物科学发展史上的重要事件”。具体要求如表1 - 1 ： 表1 - 1 普通高中生物课程( 实验) 内容 序号内容类型 1尝试制作生物膜模型物理模型 2尝试制作真核细胞的三维结构模型体验建构该实物模型的过程和物理模型 方法 3 尝试建构减数分裂过程中染色体数目和行为的变化模型物理模型 4制作d n a 分子双螺旋结构模型物理模型 5说出中心法则的内容，并用图解加以表示运用数学方法讨论种群数学模型 基因频率的变化 6概述建构种群增长模型的方法，尝试建立数学模型解释种群的数数学模型 量变动 这是首次在高中生物基础知识目标中提到“模型 一词，目前，国内使用的各个版本的 生物教材中，均有一定数量的模型建构活动。这是我国中学生物学课程发展历史上第一次如 此重视“模型 。 1 1 2 高考的要求 随着教学改革的深入，分析近几年全国统一招生高考生物( 江苏卷) 试题发现，在对学 生分析、运用以及建构各类物理及数学等方面的模型的能力的考核要求逐年增高。具体如下： 表1 - 2 ：2 0 0 8 年全国统一招生高考生物( 江苏卷) 考核要求 题号试题情况模型类型考查方式 第6 题分析“细胞分裂过程图 解题物理析模能力 第9 题建立“o n h 模式图 解题( 选择)物理建模能力 第1 1 题建立“数学模型”，计算基因频率解题数学建模能力 第1 2 题分析“细胞结构模式图 解题物理析模能力 第2 2 题分析“概念模型图 解题 概念析模能力 第2 4 题分析“原核细胞转录、翻译过程模型图 解题 概念析模能力 第2 5 题建立“曲线模型图”( 选择)数学建模能力 第2 7 题分析“遗传系谱图”解题概念析模能力 第2 8 题分析“细胞染色体模式图”解题物理析模能力 第2 9 题分析图表，建立“饼状数学模型 解题数学建模能力 第3 0 题分析“曲线图”解题数学析模能力 第3 1 题分析“曲线图 解题数学析模能力 第3 2 题分析“转基因操作流程图”、“引物对与模板结合示意图”、概念析模能力 “集中限制酶识别序列及切割位点表”、“引物对序列表 、 “几种限制酶识别序列及切割位点表 解题 总计共1 3 题 表卜3 ：2 0 0 9 年全国统一招生高考生物( 江苏卷) 考核要求 题号试题情况模型类型考查方式 第6 题分析“显微镜下细胞结构模式图”解题( 选择)物理析模能力 第1 0 题建立“遗传系谱图”解题概念建模能力 第1 1 题建立曲线图( 选择)数学建模能力 第1 2 题分析“d n a 分子复制过程示意图”解题概念析模能力 第1 5 题建立“细胞分裂时期图 解题物理建模能力 第1 6 题分析“染色体模式图 解题物理析模能力 第2 0 题补充建立“概念模型”解题概念建模能力 第2 5 题分析“曲线图 解题数学析模能力 第2 6 题建立“d n a 结构模式图”解题物理建模能力 第2 7 题建立“柱形图数学模型”解题数学建模能力 第2 8 题分析“转录、翻译过程图”解题概念析模能力 第2 9 题分析“激素调节过程图”解题概念析模能力 第3 0 题分析“显微镜下细胞结构模式图”解题物理析模能力 第3 4 题分析“遗传系谱图”解题概念析模能力 第3 5 题分析“转基因过程图谱 解题概念析模能力 2 j i 上海师范大学硕士学位论文 第一章引言 总计i 共1 5 题 表1 - 4 2 0 1 0 年全国统一招生高考生物( 江苏卷) 考核要求 题号试题情况模型类型考查方式 第3 题建立“数学模型”解题数学建模能力 第7 题分析“制酒及制醋过程图”解题概念析模能力 第1 0 题建立“减数分裂染色体模式图”解题物理建模能力 第1 3 题分析“反射弧结构模式图 解题物理析模能力 第2 0 题建立“遗传系谱图”解题概念建模能力 第2 1 题建立“精子发生过程模式图 解题概念建模能力 第2 3 题分析“柱形图”、“曲线图 解题数学析模能力 第2 6 题分析“酵母菌细胞结构示意图”解题物理析模能力 第2 7 题 分析“酶切位点图”、“质粒模式图 、“目的基因图”解题物理析模能力 第2 8 题分析“细胞周期曲线图”解题数学析模能力 第2 9 题分析“遗传系谱图”解题概念析模能力 第3 l 题分析“血糖浓度曲线图”解题数学析模能力 第3 3 题分析“曲线图”、“叶绿体、线粒体模式图”解题，并建数学析模能力： 立“曲线图 。物理 建模能力： 第3 4 题分析“转录模式图”解题概念 析模能力； 总计共1 4 题 表1 - 5 ：2 0 1 1 年全国统一招生高考生物( 江苏卷) 考核要求 题号试题情况模型类型考查方式一 第1 1 题分析“细胞染色体物理模型 解题物理析模能力! 第1 3 题分析“反射弧结构模式图”解题物理析模能力： 第2 4 题分析“遗传系谱图”解题物理析模能力 第2 5 题分析“曲线图”解题数学析模能力 第2 6 题分析“曲线图”解题数学析模能力 第2 7 题分析“曲线图、“概念模型 解题数学、概念析模能力 第2 9 题分析“池塘养殖系统模式图”解题物理析模能力_ 第3 0 题分析“柱形图”、“曲线图”解题数学析模能力 第3 2 题建立“遗传系谱图”解题概念析模能力 第3 3 题分析“d n a 体外扩增模式图”解题概念析模能力 总计共1 0 题 1 1 3 生物课程本身的需要 高中生物与初中生物有很大的区别，初中生物知识具体、简单，多为识记型知识，而高 中生物知识抽象、复杂。另外，初中生物是“副科，学生和老师都不够重视，而高中生物有 可能是高考科目，学生和老师都必须引起重视。高一学生刚进入一个新的学习阶段，受定向 思维的影响，无法正确认识到高中生物的特点与地位。模型建构活动能很好地转抽象为具体， 使生物知识更加直观易懂。在高中生物课堂教学中，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。而对于 概念的学习，模型建构是最直接最有效地教学途径之一乜1 。 1 2 研究目的 高中生物模型知识的重要性已处处体现。然而，广大教师普遍认为模型建构活动可做可 不做，再加上高中生物课时的紧张，高中生物教师普遍对模型建构教学信心不足，因而这部 分内容形同虚设。因此，本文作者想以实际数据来说明进行模型建构教学的优越性，以供高 中生物教师参考。 1 3 研究方法 本研究拟采用文献研究法、问卷调查法、实验研究法、辅之以数据统计法、经验总结法 等一系列研究方法。通过文献研究法收集资料，整理与模型建构相关的理论基础。采用问卷 调查，统计分析调查数据，获得高一学生对生物学科的学习兴趣，采用样卷检测，获得高一 学生的建模能力状态及生物前测成绩，然后根据文献资料和教学经验总结模型建构教学的策 略。设计对比教学实验，设置对照班和实验班，实施教学指导。最后对实验得到的数据结果 进行统计，排除干扰因素，验证模型建构教学的优势。 具体研究思路如图1 - 1 所示。 图1 - 1 研究思路 鲺上海师范大学硕士学位论文 第二章相关理论基础及研究综述 第二章相关理论基础及研究综述 2 1 相关理论基础 2 1 1 模型及生物模型 模型是模拟原型的新型体嘲，它是对原型的抽象和概括，它没有包括原型的所有特征， 但可以反映原型最本质的特征“3 。模型舍去了原型的一些次要的细节、非本质的联系，以简 化和理想化的形式去再现原型的各种复杂结构、功能和联系，是连接理论和应用的桥梁( 模 型和原型的关系如图2 - i 所示) 口3 。 抽象化证明 原型；= = = = = =模型；二= = 二二! 理论 解释具体化 图2 - 1 模型和原型的关系 美国国家科学教育标准中的表述是：“模型是与真实物体、单一事件或一类事物对应 的而且具有解释力的试探性体系或结构。 必修1 ( 人教版) 生物教材对模型的定义是：“模型是人们为了某种特定目的而对认识 对象所做的一种简化的描述，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 1 。本研究就引用此概念。 模型是人们对事物阶段性认识成果的总结，它试图用一定手段去描述事实、解释原理，+ 同时人们通过对模型的认识或者人们以模型作为手段可以对未来发生的事情作出推测。模型 的功能主要表现在以下三方面： 描述功能：模型是对客体的一种简化描述，它理想化地再现了原型与研究目的有关的各种 基本要素和基本联系，略去了次要的环节。例如细胞膜的流动镶嵌模型是在科学家先前所做 实验的基础上，总结实验结果，描述事实的一种方式。 解释功能：人们利用作为研究结果并理论化、科学化的模型可以对所遇生活或实验现象等 作出解释，此时模型作为人们更加深刻认识原先所遇现象或现在正发生事实的工具。例如d n a 分子双螺旋结构模型可以帮助人们理解遗传现象：d n a 复制、转录、翻译等，u 细胞膜的流动镶 嵌模型可以用来解释吞噬细胞吞噬细菌的结构基础：血糖调节模型可帮助人们理解糖尿病的 发病机制等。 预测功能：模型的预测功能，引导人们去探索未知，扩大视野。模型能对未知的事物和过 程作出预见，预测事物的多少、预测的精确度、特别是预测的新颖程度体现了某一理论模型 的预测力口1 。如a d a m s 和l e v e r i e 利用模型预测了第8 颗行星的存在，后来科学家观测到天 第二章相关理论基础及研究综述也止海师范大学硕士学位论文 王星，证实t - 人的推测。 2 1 2 生物模型的类型 生物模型的形式有很多，分类方式也多种多样。依据科学模型的分类方法，笔者认为， 生物科学中的模型可以分为物质模型和思维模型两大类型，其中物质模型又包括人工模型、 替代模型和天然模型；思维模型又包括概念模型、数学模型和物理模型。如下图( 图2 - 2 ) ： 图2 2 生物科学中的模型 ：i 天然模型，人们为了能更好地探究某项生命活动规律，而选用天然存在的，某些方面具 有典型意义或特别便利的生物，作为科学模型。如孟德尔、摩尔根分别以豌豆、果蝇为研究 模型，研究发现遗传的三大规律：林德曼、奥顿分别选择美国的两个天然湖泊、河赛达伯格 湖、银泉为生态系统模型，深入研究并揭示出生态系的能量流动规律。 替代模型，由于种种原因，直接用研究对象进行试验研究不太可能，而用其他生物代替 研究，这些替代生物就称为替代模型。如在研究人体的生理现象时，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，而是通过研究一些哺乳动物的器官 和机能得到的。 ：人工模型，有些科学问题的探究无法找到天然模型和替代模型，此时，科学家们想出了 - 用建构人工模型的方法来开展研究。如，对于生命起源问题的探索，人们根本无法再现当时 的情形，于是在1 9 5 3 年，美国学者米勒在实验室内成功地模拟了在时间上极为遥远的自然条 件( 原始大气、原始海洋) ，证明了生命起源的化学进化过程在4 0 多亿年以前是可能存在的。 ：概念模型，就是以图示、文字、符号等组成的流程图形式对事物的生命活动规律、机理 进行进行描述、阐明。概念模型包括：中心概念、内涵、外延。在人教版生物教材中，概念 模型通常以概念图的形式出现，表达概念之间的相互关系，体现知识的网络构架。通过概念 6 圊圃圆圆圆圆 圆 回 眇l 上海师范大学硕士学位论文 第二章相关理论基础及研究综述 模型的建构，有利于对概念知识的理解和联系。概念模型用途广泛，在教学中可用作教学工 具、学习工具、评价工具及检测工具。 概念模型的建构过程是复杂的，但却使问题的解决变得简单。概念模型使知识结构化， 系统化，有利于学生的知识迁移，极大地提高了学生的理解能力和记忆能力，从而将知识的 复习提到了一个新的高度。 数学模型，就是用字母、数字及其它数学符号建立起来的等式或不等式以及图表、图像、 框图等描述客观实物的特征及其内在联系的数学结构表达式。通过数学建模可以用数量关系 描述生命现象，再运用逻辑推理、求解和运算等达到对生命现象进行研究的目的，最终运用 数学模型提供的解答来指导解决现实问题陋3 。比如描述生物种群增长的“j 型曲线、“s ”型 曲线，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 卡一沃尔泰拉方程；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撅地发生等。 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“3 ：l 和“9 ：3 ：3 ：1 等等。 一个成功的数学模型实际上是对实验与观察的一种归纳，它将对理论的发展起到路标和 检验作用。建构数学模型正是联系数学与生命科学的桥梁，如何将生物学理论知识转化为数 学模型，这是对学生创造性地解决问题能力的检验，也是理科教育的重要任务嗍。 物理模型，就是以实物或图画形式直观地表达认识对象的形态结构或三维结构n 们，这类 实物或图画即为物理模型。常见的有真核细胞三维结构模式图、d n a 双螺旋结构模型等。 笔者教学过程中使用的教材为人教版高中生物教材，教学中发现人教版高中生物教材中 所涉及的要求学生建构的是三种理论模型，即概念模型、数学模型和物理模型。 ! 模型建构在人教版高中生物教材中应用广泛，大致如表2 - 1 ： 表2 - 1 在人教版高中生物教材中的模型建构 类型应用 概念模型几乎每一章、每一节内容都可以用概念图的形式来表示，在复习时，还可以将 不同章节的相关内容以概念图的形式表现出来，以便同学们形成一定的知识网 络，便于对知识的理解和复习。 数学模型蛋白质的合成分子量和脱水量计算，蛋白质或多肽链水解后的某氨基酸数量， d n a 的结构中碱基数量及比例计算，d n a 分子的复制子代d n a 数量、标记d n a ： 7 比例及所需某种脱氧核苷酸比例，遗传规律的比例计算，遗传病概率计算，减 数分裂配子类型计算，基因控制蛋白质合成的脱氧核苷酸、核糖核苷酸、氨基 酸数量计算，基因频率计算，种群密度调查( 样方法、标志重捕法、血球计数 板计数等) ，种群“j ”型增长，能量流动规律 物理模型细胞结构模型、d n a 分子双螺旋结构模型、生物膜流动镶嵌模型、减数分裂中 染色体变化模型、血糖调节模型等。 2 1 3 模型方法 模型方法是以研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法，是以简化合直观的形式 来显示复杂事物或过程的手段，是逻辑方法的一种特有形式。生物模型方法是指利用模型方 法，寻找变量之间的关系，建构生物模型，然后依据模型进行推导、计算，作出预测的方法。 借助模型来获取关于客体的认识的方法，就是科学研究中常用的模型方法n 。有科学家 指出：模型方法乃现代科学方法的核心。 ，模型是学生学习科学知识的重要手段。学生掌握了模型方法就能更加透彻地理解科学知 识。模型方法作为思维方法蕴涵着很高的认识价值。学生一旦将模型方法内化为自己的认知 图式，就能获得认知水平的跃进n 羽。高中生应在生物学习中尝试运用类比、模拟、归纳、演 绎等建模思维方法建构各种不同类型的模型，并能在生物学问题解决中运用模型方法n 引。 2 1 4 模型建构及模型的建构方法 模型建构是指运用模型方法把抽象、不可测的事实或过程借助身边的材料、用具或者运 用数学方法、图像、方程式等加以描述、概括总结的一种活动。生物模型建构就是通过一定 的物质形式或思维形式来建构生物模型，对生物知识进行研究和模拟，帮助学生理解和掌握 生物科学知识，同时为学生认识事物提供一种思路和方法。在高中生物学习中，恰当运用模 型建构教学，不仅能为学生学习提供直观的印象，而且能让学生领悟到生物模型的科学美， 培养学生解决实际问题能力，激发学生的创造性思维n 钔。通过亲身参与模型建构活动，学生 在探索思考中，可以体会到模型建构的方法，获得成功的喜悦，才可能将模型方法内化为认 知图式，获得认知水平上的提升n 们。 学生对生物科学对象的知识并非一种被动的反映，而是以已有的知识和经验为基础的主 动建构，学生对生物科学对象的观察、记忆和思考都应是一种主动建构的过程n 引。对科学模 型的认知与其他因素间相关性的研究报告告诉我们：此类理论知识与人们的科学素养紧密相 关，一旦掌握后，难以磨灭，因而应该在教学中时常渗透。 各种模型结构和特点各异，建构的具体方法分别如下： 1 、物理模型的建构方法( 以真核细胞的三维结构模型为例) ： r 基本步骤具体案例 ( 1 ) 、了解所建构模型的基本结真核细胞( 以成熟的高等绿色植物细胞为例) 所包含 构组成和空间构象 的结构如下： 按由外到内的顺序：细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞 核，其中，细胞质内又有叶绿体、线粒体、液泡、溶酶体、 高尔基体、内质网、核糖体等细胞器。 ( 2 ) 、根据“相仿、实用、简可选用生活中的一些生活废品或便宜易取的材料来作 易 的原则选取合适的材料为建构材料：如，可用花生壳作为线粒体的外壳。 ( 3 ) 、确定基本单位的大小和比按照各种细胞结构及细胞器比例及大小确定模型的大小： 例如，细胞壁要比细胞膜大，液泡是体积最大的细胞器等。 ( 4 ) 、制作模型建构的基本单位运用各种材料制作各个结构及各种细胞器。 ( 5 ) 、了解各基本单位之间的关按照一定的关系，组装细胞模型：如细胞核位于中央，内 系；按照相互关系连接起来质网靠近细胞核，细胞膜要贴近细胞壁等。： t 、 2 、由文字、符号混合组成的概念模型的建构方法( 以光合作用概念模型为例) ： 基本步骤具体案例 ( 1 ) 、理清所建构对象的显光合作用包括刚反应和暗反应两个过程， 著特征、变化规律，并作出光反应：光能转变成a t p 中活跃的化学能； 简要归类，为模型的正确建水的光解：h 。o o 。+ h ： 巧 构奠定知识基础。a t p - a d p + p i + 能量 暗反应：a t p 中活跃的化学能转变成有机物中稳定的化学能； c 0 2 的固定：c 0 2 + c 5 - 2 c 。 c 3 的还原：c 。一c 5 + ( c h 。o ) 光反应为暗反应提供 h 和a t p! ； ( 2 ) 、根据知识要点，忽略 次要细节，突出显著特征， 航q 复蔓，： 画出简要草图； 9 ( 3 ) 、添加必要的符号链接、 文字注释，使表达更清晰； 各个元素之间合理布局，相 黼瞳笑蔓， 互之间的关系表达准确。 ( 4 ) 、修饰、完善之后，正 式绘制，并添加图注。 戕q 掰蔓。， 3 、概念图类概念模型的建构方法： ( 1 ) 、清楚知道所建构对象的规律、内在联系；( 2 ) 、选择好关键词或核心词，并确定他 们之间的内在联系；( 3 ) 、合理摆布含有关键词的图形，再用含有相关注释的箭头标明各关键 词之间的联系：( 4 ) 、修饰、完善之后，正式绘制，并添加图注。 4 、计算公式数学模型的建构方法( 以蛋白质的相关计算模型为例) ： 基本步骤具体案例 c 1 ) 、根据相应的知识信息，根据氨基酸的结构和脱水缩合反应的方式得出，2 个氨基酸 提取并用适当的字母表示出相脱水缩合后，形成1 个肽键，脱去1 分子水，形成的有机化 应的自变量、因变量。合物叫二肽； ( 2 ) 、结合生物及数学知识，根据氨基酸的结构和脱水缩合反应的方式得出， 确定等量关系。1 0 0 个氨基酸脱水缩合形成1 条肽链后，形成9 9 个肽键， 脱去9 9 分子水； 1 0 0 个氨基酸脱水缩合形成2 条肽链后，形成9 8 个肽键， l o 脱去9 8 分子水； ( 3 ) 、根据分析与总结，求解确定蛋白质合成过程中有关肽键数、脱去的水分子数、 出相应的计算公式。蛋白质相对分子量的计算 若有m 个氨基酸脱水缩合形成n 条肽链，氨基酸的平均分 子量为a 则有： 肽键数= 脱去水分子数= m - n 蛋白质的相对分子量= a m - 1 8 ( m - n ) 对于环状肽，如有1 1 1 个氨基酸脱水缩合形成1 条环形肽 链，氨基酸的平均分子量为a 则有： 肽键数= 脱去水分子数= m 蛋白质的相对分子量- - a m - 1 8 m ( 4 ) 、检查单位的标准、统一。检查单位的标准、统一。 一 5 、曲线图形式的数学模型的建构方法：一 ( 1 ) 、明确并弄清白变量和应变量之间的变化关系；( 2 ) 、绘制相应的坐标系，标出两个 坐标轴所代表的变量，并标明适当的单位；( 3 ) 、依据分析出来的变量关系，在坐标系中标出 曲线的特征点起点、拐点( 变化点) 、定点、终点等，用描出曲线的大致变化走势；( 4 ) t 、 检验复查，修饰后，用连贯、平滑、美观的曲线加粗描绘出正式的曲线( 5 ) 、如果需在同一 坐标系中绘制多条不同曲线，还要注意各曲线之间的逻辑关系和位置关系，并注明各条曲线 、 对应的名称：( 6 ) 、根据要求，写上标准化的数轴单位，标出相应的图注。对于绘制曲线图数 学模型的检测越来越多地出现在高中生物习题中。 具体案例如下图： 4 2 体 0 间期前期中期后期末期 图2 3 有丝分裂过程中染色体和d n a 数量变化曲线图 6 、柱形图形式的数学模型的建构方法： 第二章相关理论基础及研究综述 l ! i 止海师范大学硕士学位论文 ( 1 ) 、理清相应生物知识中所包含的数据信息及其变化规律；( 2 ) 、确定并在相应的坐标j 轴上标出两个坐标轴所代表的变量，注意合适的单位大小，：( 3 ) 、确定“柱子”的位置、高 度、宽度，在坐标系中画出；( 4 ) 、对照数据检验无误后画出正式的柱形图；( 5 ) 、如果自变 量有几个，要注意不同“柱子 的区分；( 6 ) 、写上图注。 2 1 5 建模能力 ， 生物建模能力是指学生在掌握生物基础知识并对生物问题进行本质特征分析的基础上， 建立合理的生物模型，并对生物问题进行模型识别和再现进而解决生物问题的能力。 在高中生物教材中，我们可以看到，大量的以生产、生活实际、新科技、新成果以及社 会热点问题等为背景材料的、强调以能力立意的问题正逐年增加。解答这类问题，要求学生 必须具备运用所学生物知识、方法，综合分析、探究问题的能力。生物建模能力既是这些能 力的综合体现，当然也是解题的关键。在进行高中生物学教学时，应充分利用模拟实验和建 构模型的内容，培养学生的建构能力n 刀。 ： 利用生物模型来解决问题包括以下几个操作阶段： 第一，根据问题所描述的情境，选用或建构合理的生物模型。 第二，在生物模型中分析存在的生物概念和生物规律，并选择和应用它们。 ；第三，利用题中所提供的有关生物条件，把习题要求的解答作为生物问题目标转化为一 种数学关系；最后通过数学运算将获得的结果再回放到生物模型中检验、讨论。若结果具有 生物意义，则称生物问题得到了解决，即生物习题获得解答。 显然，建立模型阶段是生物问题解决过程中最重要的一步。模型正确与否或合理与 否，直接关系到生物问题解决的质量，生物问题解决过程中的各操作阶段与学生的相应 学习能力相对应，这些能力有序地构成了学生的问题解决能力n 引。 2 1 6 模型教学与模型建构教学 ：在教学中，进行与模型相关的教学，就是模型教学，具体来说，模型教学包括利用已有 的模型的教学和模型建构的过程式教学。在生物学教学中，许多已有的成功的模型因为其直： 观化、简约化，被广泛地运用于中学课堂教学中。生物学中有丰富的模型资源，对模型的恰 当的利用可以帮助学生更加准确理解、掌握相关的生物学基本原理，而且能够帮助学生有效 地建构完整的知识结构。然而，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n 町。模型教学过程中锻炼学生观察、推理、分析、演绎等各种思维能力，使 学生深入科学研究的过程，从而使学生深入科学研究的过程，从而使学生不但学 - j 了科学内 容还了解了科学和科学活动的本质、来源啪1 。 模型建构的思想在教育领域的运用并不陌生。早在皮亚杰和早期布鲁纳的思想中已经有 1 2 嘲上海师范大学硕士学位论文 第二章相关理论基础及研究综述 了建构的思想，但相对而言，他们的认知学习观主要在于解释如何使客观的知识结构通过个 体与之交换作用而内化为认知结构。美国视听教育家戴尔在视听教学法一书中提出了“经 验之塔 的理论，对经验是怎样获得的做了描述，认为经验有的是直接方式、有的是间接方 式获得的。各种经验，大致可根据抽象程度分为三大类( 抽象、观察和做的经验) 、十个层次 比，如图2 - 4 所示： 图2 4 戴尔的经验之塔 从经验之塔可以看出，宝塔最底层的经验最具体，越往上升则越抽象。教育教学应从具 体经验下手，逐步上升到抽象，有效的学习之路就应该先充满具体经验。目前我们的教育教 学方式，在让学生记住许多法则和概念时，没有具体经验做它们的支柱，学生对这些法则和 概念的理解只能是抽象的，不具体的。因此，要充分理解法则、概念等，最好从做的经验开 始。模型建构就是做的经验，通过模型建构，我们再去理解法则、概念等就容易多了吻1 。； 2 1 7 模型建构在生物教学中的功能 中学生物学中的基本概念和规律相当多，许多生物学概念所反映的原形都是我们用肉眼 无法观察到的，或实际操作时费时费力。从戴尔的经验之塔可以看出，模型建构更加符合中 学生的认知特点。通过动手操作，不但可以获得做的经验，而且还可以将之总结运用，上升 到抽象的经验，并推广运用，从而使我们的教学上升到一个新的台阶。模型建构教学旨在贯 彻提高中学生的生物科学素养，面向全体学生，倡导探究性学习，注重与现实生活的联系等 新课程基本理念。模型建构教学注重以学生为主体，强调将认知及反思过程还给学生，将参 与探究的机会还给学生。这种教学形式能充分调动学生的学习积极性，培养学生的探究能力， 促进了学生之间的交流合作。无论是从落实新课程理念的角度，还是从教学的实际效果来看， 模型建构教学都不失为一种值得提倡的教学形式乜扣。， 2 1 8 建构主义学习论 建构主义学习理论认为，学习活动不是由教师向学生传递知识，而是学生根据外在信息， 1 3 第二章相关理论基础及研究综述l ! l 止海师范大学硕士学位论文 通过自己的背景知识，建构自己知识的过程。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上教师讲授内容的多 少，而是取决于学生通过主动建构获取知识和能力的程度。在这个过程中，学生不是被动的 信息吸收者和刺激接收者，他要对外部的信息进行选择和加工，而且知识或意义也不是简单 地由外部信息决定的，外部信息本身没有意义，意义是学习者通过新旧知识和经验间反复的、 双向的相互作用过程而建构成的。每个学习者都以自己原有的经验系统为基础对新的信息进 行编码，建构自己的理解，而原有知识又因为新经验的进入而发生调整和改变。建构主义学 习理论提倡在教师指导下的、以学生为中心的学习因此学习过程应该以学生为中心，学生必 须主动地参与到整个学习过程。 2 2 9 建构主义教学论 照建构主义看来，学习不是由教师把知识简单地传递给学生，而是由学生自己建构知识 的过程。学生不是简单被动地接收信息，而是主动地建构知识的意义，这种建构是无法由他 人来代替的。任何知识在为个体接收之前，对个体来说是没有什么意义的，也无权威性可言。 所以，教学不能把知识作为预先决定了的东西教给学生，不要以我们对知识的理解方式来作 为让学生接收的理由，用社会性的权威去压服学生。学生对知识的接收，只能由他自己来建 构完成，以他们自己的经验为背景，来分析知识的合理性。在学习过程中，学生不仅理解新 知识，而且对新知识进行分析、检验和批判。而教师不单是知识的呈现者，不是知识权威的 象征，而应该重视学生自己对各种现象的理解，倾听他们时下的看法，思考他们这些想法的 由来，并以此为据，引导学生丰富或调整自己的解释。教学应在教师指导下以学习者为中心， 当然强调学习者的主体作用，也不能忽视教师的主导作用。教师的作用从传统的传递知识的 权威转变为学生学习的辅导者，成为学生学习的高级伙伴或合作者。教师是意义建构的帮