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基于物理模型构建生物学概念的实践研究作者：潘 炜 教科研来源：本站原创 点击数：1561 更新时间：2007-4-29 摘要：生物学概念是生物学理论的基础和精髓，概念也是思维过程的核心。在生物学中有相当多的概念，而很多的概念与概念之间是有相互联系的。一个学生对生物学概念掌握的好坏直接影响到其对生物知识学习进行的程度，如果他孤立地去学习一个概念将会产生许许多多零碎的概念，结果只能造成只重结论的死记硬背，由此可见生物学概念的教学是生物教学中至关重要的一环。因此，笔者开展了运用物理模型来建立前概念与新概念间的联系进行生物教学的实践研究。【关键词】：物理模型 生物学概念 实践研究 一、研究背景生物学基础包括基本的生物学概念、原理和规律。生物学发展史表明，生物学的发展首先是概念的发展，概念是生物学理论的基础和精髓，概念也是思维过程的核心，一个新概念的提出，往往标志着人们观念的改变，促进生物学科的发展，甚至是对生物学科全新的认识。但传统的概念教学只注重概念的识记、理解和应用。由于传统教学中过分注重教师主导和讲授，许多学生总是机械单一地学习，而对自己做什么、为什么这样做并不理解，结果是往往不能辨别和建构概念与命题框架，就只好死记硬背大量的知识点。然而生物也是系统科学，其概念之间有着严密的逻辑关系，其中包括从一般到具体的序列关系及渗透的网状关系。奥苏贝尔（DPAusubel）在他最有影响的著作教育心理学：一种认知观两版的扉页上写道：“如果我不得不把教育心理学的所有内容简约成一条原理的话，我会说：影响学习的最重要的因素是学生已有的内容。弄清了这一点后，进行相应的教学。”他的同化论观点对概念的习得也作了精辟论述，认为学习者头脑中已有的知识结构在新概念的习得中起着至关重要的作用，当新概念与头脑中前概念间存在某种类属关系时，若指导者能给予有效引导，使学习者能将新概念与头脑中已有概念间的这种类属关系进行正确链接，将有利于学习者将新概念同化到自己头脑的已有概念体系中，从而习得概念。因此，引导学生如何建立前概念与新概念间的联系将是有效的生物学概念教学，是我们值得探讨研究的问题。在此，笔者进行了运用物理模型来建立前概念与新概念间的联系来进行生物教学的实践研究。二、物理模型的简介及在生物教学中应用的类型1什么是物理模型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，是逻辑方法的一种特有形式。模型一般可分为物理模型和数学模型两大类。在物理学中，人们为了达到对研究事物本质和规律的认识，将研究的物理对象或物理过程,情境通过抽象、理想化、简化和类比等方法处理,保留主要因素，忽略次要因素，把反映研究对象的本质特征抽象出来，构成一个概念或实物的体系，就形成物理模型。物理模型是在抓住主要因素,忽略次要因素的基础上建立起来的，它能具体形象、生动、深刻地反映事物的本质和主流，物理模型在物理学研究和物理教学中是不可或缺的。物理模型是同类通性问题的本质体现和核心归整，用物理模型可以使抽象的假说理论加以形象化，便于想像和思考研究问题。 2.物理模型在生物教学应用中的类型美国国家科学教育标准把模型和科学事实、概念、原理、理论并列为科学主题的重点，并将构建、修改、分析、评价模型作为高中学生的基本科学探究能力。标准依据国际科学教育的发展，将模型和模型方法列入了课程目标。所谓“模型”，是指模拟原型(所要研究的系统的结构形态或运动形态)的形式。它不再包括原型的全部特征，但能描述原型的本质特征，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，是逻辑方法的一种特有形式。人们通过对物理模型的认识与研究，去获得关于原型客体的知识及其在自然界中的运动变化规律，它是一种物理科学研究的常用方法。物理模型可以模拟客观事物的某些功能和性质，它包括物质模型和思想模型两大类。在生物学可以借鉴物理学中的研究方法来研究和学习生物知识，如在高中生物课程中经常使用的物质模型有实物模型如生物体结构的模式标本，模拟模型如细胞结构模型、各种组织器官的立体结构模型等；思想模型是物质模型在思维中的引伸，根据构建模型的思想方法的不同，又可以分为两类：一类是以形象化方法(或称为意象思维方法)构建的具象模型，它是人们在思维中通过对生物原型的简化和纯化而构思出来的。具象模型具有一定的形态结构特征。如DNA分子双螺旋结构、生物膜液态镶嵌模型等。它能使研究对象直观化，既可以促进研究，又可以简略描述研究成果，使之便于理解和传播。另一类是以理想化方法(或称抽象思维方法)构建的模型，是人们抽象出生物原型某方面的本质属性而构思出来的，例如，呼吸作用过程图解、光合作用过程图解等过程理想模型，食物链和食物网等系统理想模型。标准很重视模型和模型方法。例如，“稳态与环境”模块中有两个活动建议：“探究水族箱(或鱼缸)中群落的演替”和“设计并制作生态瓶”，都是运用模型的探究。所以，生物学教学中，要结合生物学概念的教学，不断地渗透模型的方法，不仅能完善学生对生物学概念的认知结构，而且能提升思维能力。三、物理模型在概念教学中的实践应用(一)、物质物理模型的实践策略物质模型可以分为实物模型和模拟模型，在生物教学中有着较广泛的应用。如在细胞的结构与功能的教学中，可以简单画出细胞的示意图引导学生复习初中学过的细胞结构，学生能够回答出细胞是由细胞膜、细胞质和细胞核组成。在这里细胞、细胞膜、细胞质和细胞核就是学习这部分内容的前概念。然后，展示细胞亚显微结构的立体模型并让学生逐一认识各结构给学生一个总体的感性认识，接下来按由外到内的顺序利用模型逐一学习细胞膜、线粒体和叶绿体等细胞的各部分结构和功能。最后，再给出细胞的亚显微结构模型让学生说出每一结构的功能，从而使学生按照整体局部整体的学习顺序利用细胞各结构的模拟模型把新的概念（细胞膜中的磷脂双分子层、蛋白质、糖被；细胞质中的细胞质基质、线粒体、叶绿体、内质网等；细胞核中的核膜、核孔、染色质等）纳入到前概念细胞膜、细胞质和细胞核中，从而建立了两者的联系，很好地学习了新概念。(二)、具象物理模型的实践策略如：DNA的结构与复制，在该部分内容来说DNA、磷酸、脱氧核糖、含氮碱基、脱氧核苷酸等是前概念，但是DNA的双螺旋结构、碱基互补配对原则、DNA子链、复制、DNA解旋酶等则是新的概念。在教师引导下，学生通过自己动手，构建生物学物理模型，展示学生的作品进行交流、互评，从而使学生有效地掌握相关的概念和原理。具体教学策略如下：1、课前将学生分组，课堂上教师简单讲解后学生自己动手，利用现成的材料（磷酸、脱氧核糖、含氮碱基）制作DNA分子模型，让学生讨论、交流。具体做法是：让学生推荐两个同学上讲台，展示他们自己的作品并讲解制作的依据和制作过程、经验体会。然后教师对结果进行恰当地点评。2、运用电脑动画演示配合讲解DNA复制。在解旋酶的作用下，DNA双链自动解开；在酶的作用下，以解开的两段链为模板按照碱基互补配对原则进行碱基配对（A与T，C与G）；配对后游离的脱氧核苷酸之间通过磷酸与脱氧核糖的交替连接形成DNA子链；每条子链与对应的母链又重新盘绕成双螺旋结构，从而形成2个DNA分子。通过学生自己制作DNA模型，使学生有了感性认识，“碱基配对”过程经过学生手脑并用大大加强了印象，再通过电脑动画演示，最终使学生对该部分内容中的相关概念（磷酸、脱氧核糖、含氮碱基、脱氧核苷酸、碱基互补配对原则、DNA子链、DNA分子、复制、双螺旋结构、DNA解旋酶等）自然而然建立起相应的联系。（三）、理想物理模型的实践策略理想物理模型又称抽象思维物理模型，广义地说它是为了便于研究问题而建立一种高度抽象的的概念，是对客观存在进行抽象思维的结果，是对客观事物的一种反映，但它只反映客观事物的某一主要矛盾或主要特征，而忽略了其他方面的矛盾和特征。实践的策略是充分利用图形图片、电视录像、多媒体课件等手段再现知识发生发展的变化过程，用图文并茂的方式向学生提供信息，降低学生学习的难度，并将研究问题的方法和思想寓于情景的建立和分析过程中，促进学生开展分析问题的思维活动，自然地悟出其中的道理和规律，从而潜移默化，使学生正确地分析过程从而建立准确的理想物理模型。如学习光合作用的过程时，光合作用是初中学习过的内容，初中学习时侧重于光合作用的现象而没有深入到具体的过程，叶绿体的结构在第二章细胞的结构中学习过。学生知道光合作用是绿色植物在叶绿体中利用太阳能将二氧化碳和水合成有机物并释放氧气的过程。这里光合作用、叶绿体、ATP等是前概念，但是光合作用过程中的光反应、暗反应、水的光解、二氧化碳固定、三碳化合物还原等是新概念，如何建立联系呢？具体策略如下：1、复习叶绿体的结构和什么是光合作用，学生回答后设问：光合作用在叶绿体中是怎样进行的呢？2、教师用flash动画演示光合作用的动态过程，并指导学生观察。学生观察后提出问题：光合作用是发生在叶绿体中的一个非常复杂的过程，二氧化碳和水到底是怎样合成糖类等有机物，氧气又是怎样释放出来的呢？3、引导学生首先观察叶绿体基粒的囊状结构上所发生的化学变化，教师演示光合作用光反应的flash动画并指导学生观察。设问：水在该过程中发生了怎样的变化？学生观察回答后又设问：水是化学性质非常稳定的化合物，为什么能够在常温常压下分解呢？通过讨论得出：一方面是水在色素吸收的光的作用下分解，另一方面是叶绿体中有酶作催化剂。再引导学生观察说出还发生了ATP的合成，然后提出问题：为什么光合作用的光反应在叶绿体的囊状结构上进行呢？引导学生从生物体的结构与功能相统一的观点联系叶绿体的结构进行分析，得出光合作用的光反应在叶绿体基粒的囊状结构的薄膜上进行的原因是因为叶体基粒的囊状结构的薄膜上有吸收光能的色素和进行光反应所需的酶。4、设问：光合作用光反应产生的氧气释放到空气中去了，那么ATP与H又会到那里去呢？教师演示光合作用的暗反应过程的flash动画引导学生观察在叶绿体基质中发生的变化。讨论得出：二氧化碳与一个五碳化合物结合形成二个三碳化合物，这就是二氧化碳固定；经二氧化碳固定产生的三碳化合物在酶的作用和ATP提供能量的情况下被H还原成有机物和五碳化合物，这就是三碳化合物的还原。然后提出问题：暗反应为什么在叶绿体的基质中进行呢？师生讨论后得出：叶绿体基质中有暗反应所需要的酶，暗反应的进行不需要光。5、通过讨论了光合作用的过程后，教师展示光合作用过程示意图：通过充分利用多媒体课件手段再现了知识发生发展的变化过程，用图文并茂的方式向学生提供信息，降低了学生学习的难度，通过分析发展了学生的空间想象能力，把看不到摸不着的抽象过程形象直观地模拟出来。同时也把光合作用相关的概念（光合作用、中绿体、水的光解、ATP的合成、二氧化碳的固定、三碳化合物的还原、光反应、暗反应等）整合在模型图上使学生一目了然地明确了概念间的相应联系，从而也有效地建立了前概念与新概念的联系并达到了新概念的构建。四、实践研究的意义1在生物教学中运用物理模型能有效地缩短人眼对材料的反应时间和识别时间，创造了生动的意象，促进了学生对知识的理解和掌握，从而提高了学习效率。心理学研究表明，人眼对图画、中文词及英文词3种材料识别加工过程中，图画反应时间最短，英文最长，而中文词居中。谢帕德对比研究了了人们对单词、语句和图片的再认记忆。在依次学习一系列刺激材料之后，相隔不同的时间，测验被试者的再认效果。结果发现，在相隔2h后进行测试，被试者对612张图片的再认成绩为98.5%；一周以后，再认成绩为87%。而相隔2h后，被试者对单词的再认成绩为90%，对句子的再认成绩为88%，均为图片材料识记一周后的再认成绩差不多。图片好学、好记可能与图片容易引起生动的意象分不开。2在生物教学中运用物理模型教学创设了一定的情景，促进了学生对知识的理解，形成了正确的知觉。因为人在识别模式时，不仅依赖于刺激模式直接提供的信息，而且依赖于情景提供的信息。当情景与刺激模式的关系一致时，情景能促进对模式的识别；相反当两者的关系不一致时，情景也能干扰模式的识别，使人对模式的识别发生错误。由于情景的促进作用，人在识别时可以较少地信赖由刺激模式直接提供的信息。3在生物教学中运用物理模型有效地建立了前概念与新概念的联系，使学生更好地将其纳入概念体系中构建了新的概念。自然科学中最抽象的就是概念。正因为运用物理模型教学创设了一定的情景和创造了生动的意象