《基于核心素养的高中生物学建模教学的研究》研究报告

1、基于核心素养的高中生物学建模教学的研究摘要：平凡高中生物学课程标准（2017年版）明确提出学科核心素养是学 科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品德 和关键能力。基于生物学事实和证据运用模型与建模等方法探讨、阐释生命现象及规 律，审视和论证生物学社会议题，有助于提高学生的核心素养。本课题采用文献研究法和案例研究法等，综述生物模型教学的现状以及生物模型 的类型，为研究供应理论支持：在教学实际中以南召一中高一年级的两个平行班为主 要研究对象，了解生物建模教学现状、教师对核心素养的理解及运用情况。通过试验 发觉试验班的生物成果显著提高，学生的各项能力均有提高：总结了

2、高中生物模型教 学的策略以及课堂构建模型的方法关键词：核心素养生物学建模模型刖S生物学课程要求学生主动参与学习，在亲历提出问题、猎取信息、查找证据、检 验假设、发觉规律等过程中西德生物学学问，养成科学思维，形成乐观的科学态度， 进展终身学习及创新实践能力。强调学生学习的过程是主动参与的过程，让学生积 极参与动手动脑，通过构建模型、探究性的活动加深对概念的理解。可见建模思维和 建模能力己受到重视，在生物学课堂中实施建模教学己经是一种趋势了。1.1研究的目的与意义1.1.1研究的目的（1）让学生成为学习的主体建模教学以模型构建为核心，在教师的引导下，学生乐观主动地参与，在构建模 型的过程中，学生动

3、手动脑、参与讨论、评价与完善，充分体现学生的学习主体地 位。（2）提高学生的核心素养在建模教学课堂上，学生通过对模型的认识、理解、构建、评价、完善等过程， 以小组为为单位，通过合作学习探究学习，更好的理解生物概念，并将理论学问运用 与实际生活中，培育学生科学思维、科学探究的能力，具备肯定的社会责任感。（3）提高教师的专业能力建模教学给教师带来了很大的挑战，如何引导学生、如何很好的把控课堂、如何 对学生进行评价，是教师面临的主要问题。在这个过程中就要求教师更加全面的学习 课程标准、更加深化的备课、搜集素材，并且要具备课后反思等环节，树立学生是主 体、终身学习到理念。1.2研究的意义（1）理论意义

4、通过大量的文献查阅对生物学中消灭的模型进行分类，并将教材内容进行梳 理，对能进行建模教学的学习内容进行梳理，对构建不同模型的方法进行设置，丰富 高中生物模型教学的理论。培育学生进行模型构建的能力，从而有效提高学生的生物 科学素养，激发学生的兴趣，提高学生学习效率（2）实践意义设计基于核心素养的生物建模教学案例，进行教学实践，转变学生学习方 式，提髙学生的生物学成果，促进教师教学方式的转变，提高生物教师的专业水平。1.2研究思路与方法1.2. 1研究思路1.2.2研究方法（1）文献研究法：通过学习专家学者的教育理论著作、期刊论文、报纸及网络资 料，乐观将前期研究成果运用到课题研究中，夯实课题研究

5、的理论基础。（2）行动研究法：在研究的过程中，不断探寻提升基于核心素养的生物教学的教 学设计，摸索出实施有效教学的操作策略，将理论与实践有机结合起来。（3）问卷调查法：通过调查我校教师教学模式、学生的学习现状，找出建模教 学的难点，找准本课题研究的最佳切入点。（4）案例研究法：在研究效果的评价中，对探究中的案例进行具体分析，以证 实研兖效果。模型概述2.1模型的定义模型这一词语来源己久，早在以前就广泛应用于各个领域，从古代粗糙而形象的 石器到现代科学研究中精细而抽象的模型体现了模型和建模的进展人们在研究一 种事物或一种现象的时候难以把握其本质或规律，通常会构建一种模型来帮忙思考和 认识该事物或

6、规律，达到更快更直观的效果。模型是一种方法也是生物课程标准里明 确要求学生具备的一种能力。例如：尝试制作真核生物的结构模型、建构并使用细胞 模型、阐明细胞各部分结构通过分工与合作，形成相互协调的有机整体、用数学方法 讨论自然选择使种群基因频率发生变化、运用数学模型表征种群数量变化规律等等。 因此模型既是工具又是对象，具有双重性质。在人教版高中生物教材细胞与分子模块中提出：“模型是人们为了某种特定的 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；有的借助与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 。”生物模型是将生物学研究原型的一些次要的、非

7、本质联系舍去，形象简约地表现 生物原型或突出反映原型的主要特征和联系的一种抱负物质、过程或假想结构。2生物模型的分类及构建方法高中生物教学中常用到的模型有三类，分别是概念模型、数学模型和物理模型概念模型概念模型是以文字表述来抽象概括出事物本质特征的模型510常见的概念模型的 是概念图和思维导图。在人教版高中生物教材中有许多内容都涉及到概念图，例如生 态系统能量流淌图，水盐平衡调节图等等，在每一章末的自我检测里都有概念图，要 求学生对本章学问进行归纳总结。通过建立概念模型，学生可以将学问整合成一个框 架，体现学问内部的联系，便于学生理解记忆和运用。构建的般步骤：理清生物名词或生物概念之间的关系；

8、尝试用文字和箭头初步 画出关系图、建立联系；标明概念之间的关系；检验、修改并进行完善。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气在教材中用到数学模型 的有探究培育液中酵母菌的数量变化，自然选择对种群基因频率变化的影响等等。构 建数学模型，可将生物学实际问题转换成数学问题，帮忙学生形成肯定的逻辑思维能 力，形成肯定的规律，有助于学生运用于生产生活实际。构建的一般步骤：观察研究对象，收集数据，提出问题；作出假设，用数学符号 描述数学关系；依据试验数据，构建模型；进一步观察、对模型进行验证并修改。物理模型物理模型是以实物或图画的形式直观地表达认识特征的模型。在人教版高中生 物教材中有许

9、多内容都涉及到物理模型，例如尝试制作真核细胞的三维结构模型、利 用废旧物品制作生物膜模型、建立减数分裂中染色体变化的模型和制作DNA双螺旋结 构模型等。在教学过程中教师通过多种类型的物理模型可以给学生带来直观具体的认 识，使学问形象化，学生能够在短时间内很好的记忆概念的主要特征，并进行理解运 用。构建的一般步骤：观察原型的基本构造；预备构建模型需要用到的材料；材料与 原型结构进行对应，并想象构建的大致模样；动手构建模型；与原型进行比较，并对 已构建的模型进行修正。3模型建构教学的研究现状中小学教师在授课过程中可能会借助挂图、实物模型帮忙学生认识抽象或肉眼无 法看到的现象，但将之归纳为模型教学是

10、近年才有的。随着新课程标准的实施，要求 培育学生的探究能力、促进以学生为主体的教学活动越来越受到大家的重视，因此， 模型构建也越来越被宽敞师生所接触，所尝试、并取得了许多的进展。与模型有关的 论文也广泛的发表在各大期刊上。尽管模型教学越来越受到重视，但是因为在实际教学中运用模型教学会占用过多 的时间、模型教学设计繁杂，因此真正进行模型教学的很少，培育学生的建模能力的 也很少。随着2017年新课程标准的颁布，生物模型多次被重点提到，关于模型教学的 研究必定将受到宽敞教育研究者的重视。基于核心素养的高中生物建模教学的实践研究1试验班与对比班学生问卷及成果检测编制学生问卷调查表，对学生基于核心素养的

11、生物教学开展情况进行问卷调查， 目的是了解南召一中高中生物使用模型建构教学的现状，为后期的研究作参考，并对 两个班级的成果进行测量对笔者所任教的高一 11、12班两个班级132位学生发放问卷，共发出120分，收 回132份，有效问卷132份。3.1.1问卷调査结果及分析表3-1模型构建在生物教学中的现状调查题目格外有有有一点没有对生物学兴趣（1）试验班59. 70%23. 88%11.94%4.48%对比班61. 54%23. 08%10. 77%4.62%表3-2模型构建在生物教学中的现状调查知道或许知 道听说过不知道对模型的认识试验班14. 93%29. 85%44. 73%10. 43%

12、(2. 3.4)对比班15.38%30. 77%46.15%7. 69%表3-3模型构建在生物教学中的现状调查常常有间或有没有不清楚生物老师在教试验 学中有模型建班构的教学11.94%32. 84%44. 78%10. 45%对比 班12.31%30. 77%49.23%7.69%学习中有通过试验建构模型来学班2. 99%29. 85%56. 72%10. 45%习对比 班1. 54%27. 69%63. 08%7.69%你上生物课试验时，有动手建班014.93%74. 63%10. 45%构过模型对比班013.85%78. 46%7.69%表3-4模型构建在生物教学中的现状调查格外有有没有不

13、确定你认为有必要提高你的试验班44. 78%30.01%14. 92%10. 29%生物模型的建构能力对比班38.47%30. 77%23. 07%7. 69%你认为老师有必要使用 模型进行教学试验班52. 23%29.85%10. 44%7. 48%对比班49. 23%30. 77%12.30%6. 70%表3-5模型构建在生物教学中的现状调查核心内容完全符 合比较符 合比较不 符合完全不 符合素养生命用生物学 观念 学问解释试验班6. 87%29. 85%38. 36%24. 92%生活现象擅长分析 综合信息对比班4. 6229.23%37. 69%28.46%科学 思维能够 观察试验班1

14、9. 85%28. 36%35. 37%16.42%现象 提出 问题科学探究敢于 质对比班16. 15%26. 47%34.61%22. 77%疑试验班15. 82%29. 85%32. 39%21.94%在建模 过程与 同学合 作良好对比班13. 8526. 15%34.62%25. 38%社会责任人走灯试验班21. 34%28.36%32. 39%17.91%关拒 绝 使用塑料袋对比班19. 23%27. 69%34. 62%18. 46%通过对两个班110位学生的问卷调查结果，可以发觉，大多数学生对生物课有一 定的兴趣，喜爱这门课程，由于目前学校老师以讲授为主，学生缺乏自主参与，对模 型

15、和建构模型方面的学问了解不多，但大多数学生期望接触模型，学习新的生物知 识，对教师展示的模型，大部分学生表示能提高学习兴趣，对自己有帮忙学生对模型和建模了解较少，对如何构建模型并不了解仅凭经验，调查数据发 现，学生在生物学核心素养的生命观念中发觉生命观念、科学思维的抽象概括能力和 批判性思维，科学探究的过程性技能和综合技能方面水平较低3. 1.2成果分析试验前的检测生物成果采用教学使用开始前试验对象的高一上学期期末考试，生 物成果试验班和对比班的的成果统计结果显示，两个班级的成果无显著差异3. 2基于核心素养的高中生物建模教学的案例试验过程以生物学科四大核心素养为背景，以人教版高中生物必修二、

16、必修三部 分章节为教学内容，以南召一中高一年级两个班为研究对象，试验班进行模型建构教 学，对比班进行常规教学。其中选取三节内容作为典型案例，分别是物理模型，分别是数学模型基因，一对 儿的两对相对性状的试验概念模型建构教学，建立减数分裂中染色体变化的模型概 念，模型教学基因对性状的把握3.2. 1孟德尔的豌豆杂交试验（二）一、教学目标通过分析孟德尔两对相对试验相对性状的试验，阐明自由组合定律，通过对孟德 尔遗传定律探究过程的学习体验，对科学家的制造性思维过程认同，敢于质疑，勇于 创新和实践，以及严谨求实的科学态度和科学精神，养成科学思维，通过对两对相对 性状的遗传结果的分析，尝试演绎推理方法，提

17、高逻辑推理能力，尝试构建数学模型 来解释或解决一些遗传现象问题二教学过程（1）.创设情境导入问题，孟德尔完成了一对相对性状的研究，之后又产生了新 的疑问，一相对性状的分别，对其他相对性状有没有影响呢？我们知道有一种奶牛产 奶多，另一个品种的奶牛生长快，要想培育一头既产奶多又生长快的奶牛，可采用什 么方法呢？（2）.层层引导，让学生带入孟德尔的角色进行假说-演绎过程，引导学生仿照一 对相对性状的试验过程，提出问题，为什么R均为黄色圆粒而F2消灭绿色圆粒和黄色 皱粒？ F2中黄色比绿色圆粒皱粒的分别比还是3: 1吗？为什么？这说明什么问题呢？ 依据上面的问题，我们可以做出哪些假设呢？学生们讨论思考

18、，回答两对性状，分别由两对遗传因子把握fl产生配子时，每对 遗传因子彼此分别，不同对的遗传因子可以自由组合，Fi产生的雌配了和雄配了各有 四种，数量比为1：1：1:1,受精时雌雄配子的结合是随机的。进行演绎，假如假设是正确的，那么我们对Fi进行测交，我们预报测交后代可能 消灭四种表现型，黄色圆粒:黄色皱粒:绿色圆粒:绿色皱粒进行试验验证，进行测交试验，结果与演绎的结果相同，那么证明假说是成立 的，得到结论，把握不同性状的遗传因子的分别和组合是互不干扰的，在形成配子 时，决定同-性状的成对的遗传因子，彼此分别，决定不同性状的遗传因子自由组口。（3）.在上面学习内容的基础上，引导学生构建数学模型，

19、提出前提条件，假设 每对遗传因子的显性遗传因子对隐性遗传因子完全显性，不同对的遗传因子之间遵循 自由组合，那么杂合子产生的配子的种类是2。（n代表遗传因子的对数，下同），杂合 子自交雌雄配子的结合方式为4L杂合子自交后代基因型的种类为3七杂合子自交后 代表现型的种类为2气杂合子自交后代表现型的比例为（3:1尸.课堂巩固小结，自由组合定律是以分别定律为基础的，格外别定律的延 伸，我们要把简单问题简洁化，若干对遗传因子自由组合，可以看成是分别定律的乘 法，对每一对分别进行分析，最终再进行整合。三教学案例评价与反思在采用模型分析和解决问题时，要引导学生依据己有的信息进行筛选，教师要给 学生留有足够的

20、时间和空间进行探究，从而发觉问题提出问题，当模型构建基本构建 完成之后教师要引导学生对模型进行检验，看模型是否能适用于现实问题，找出信息 的规律化，提高学生解决问题的效率，提高学生的数学推理能力和逻辑思维能力同时留意所构建的模型具备的条件，并不适用于全部情况，遇到有胚胎致死，配 子致死，以及连锁遗传等现象的时候，要提示学生留意区分，不能盲目套用模型3. 2. 2建立减数分裂中染色体变化模型减数分裂过程中，染色体行为数冃的变化是高中生物的重点，也是难点，在传统 的教学过程中，教师多采用课件或flash演示的方法，学生难以形成良好的印象，而 通过建立物理模型，学生可以更加直观的感受到减数分裂的奇异

21、之处，遗传的神奇之 处，形成更加喜爱生命，生命奇异的生命观念，也可以更加全面地了解减数分裂的过 程一、学习目标学生制作模型，仿照减数分裂过程中染色体行为的变化，体验染色体的变化规律二、教学过程构建模型学生拿出红、黄橡皮泥(或染色的木棍、植物枝条等替代品)及白纸，依照 “模型建构”的“活动预备”进行预备。教师辅导学生构建一个有丝分裂染色体数目和行为变化的模型。引导学生边讨论边利用模型完成自己猜想的配子形成过程。期盼学生经过思 考和实践理解只有在染色体复制一次细胞连续分裂两次的情况下，才能产生如题图所 示的配子。明确这是一种使细胞中染色体数冃减半的新的细胞分裂方式。教师连续引导学生再次认真观察题图

22、中配子染色体组成的特点，然后请学生 利用模型说明如何能形成如图所示的配子细胞。请学生尝试归纳形成配子的细胞分裂(减数分裂)的过程与特点。学生通过活动，获得对减数分裂感性认识。本课时应引导并帮忙学生形成对感性 学问的理性概括。连续学生的模型建构活动并引导学生思考。对比建构的模型，教师引导学生进行理性思考。此时还应充分发挥教材资源的作 用。（1）引导学生观察书中哺乳动物精子形成过程图解，并与自己建构的模型比较, 思考图解的合理性。（2）在此基础上，教师依照书中图解叙述哺乳动物精子形成过程中发生的现象, 包括：精原细胞中染色体复制；初级精母细胞中的同源染色体联会，四分体形成，同 源染色体分别，染色体

23、数目减半；次级精母细胞中染色体不再复制，染色体着丝点分 裂，姐妹染色体分开成为染色体，分别移向细胞两极等。着重讲解同源染色体、非同 源染色体等概念。（3）再请学生利用模型，边模拟边用生物学术语叙述哺乳动物精子形成过程。3.在模拟活动的基础上引导学生进行总结和概括。（1）请学生归纳减数分裂概念。（2）引导学生观察书中“哺乳动物卵细胞形成图解”，然后对精子形成过程和卵 细胞形成过程进行比较。三教学案例评价与反思借助教材图解多媒体课件，展示减数分裂过程中染色体的行为特点使学生初步对 染色体减数分裂过程中染色体的行为与有丝分裂过程中染色体的行为变化进行区分， 在此基础上，运用模型构建，使学生更好的理解

24、减数分裂过程中的染色体的特殊行 为，并使学生理解配子多样性形成的缘由，为后面学问的学习建立基础，通过构建的 物理模型，使学生在动手探究讨论展示过程中提高合作意识和交流表达能力，提升解 决的能力。3. 2. 3基因对性状的把握一、学习冃标树立生命的本质观，中心法则是生命体系中最核心，最简约，最本质的规律；运 用概念图绘制亲表达的过程，并尝试绘制不同生物细胞中的信息流；加强学生分析材 料归纳总结的能力。二、教学过程复习提问：遗传信息的概念；在DNA上的遗传信息如何传递给后代并使后代 表现出相应的性状？问题探讨（P68） 1.水中的叶比空气中的叶要狭小细长一些。2.这两种形态的 叶，其细胞的基因组成

25、应是一样的。3.提示：为什么叶片细胞的基因组成相同，而叶 片却表现出明显不同的形态？（1）.中心法则的提出及进展学生阅读教材资料分析内容进行小组讨论归纳总结信息流淌的方向学生结合前面所学内容构建思维导图并展示教师评价引导学生完善遗侍信息传递把握蛋白质合成（表达遗传信息） 复制RNA复制转录厂7一丄一受二 mRNA逆转录、核糖体 翻译官- rRNA 转宴ItRNAL蛋白质（性状） 殻 I翻译n个基因（脱氧核昔酸序列）-*核昔酸排列挨次遗传信息，遗传密码（三联体）氨基酸序列（2）.基因、蛋白质与性状的关系1）、阅读P69-思考-回答1:如何从基因把握蛋白质合成的角度来解释豌豆圆粒与皱粒 这一相对性

26、状？基因酶的合成代谢性状淀粉含量吸水性圆 粒正常基因（有淀粉分支 酶的基因）有淀粉分 支酶含量多有效吸取 水分圆圆胖 胖皱粒DNA中插入了一段外来 打乱了编码淀粉分支 酶的基因不能合成 酶含量 少、游离蔗糖的含 量升髙失水显得皱 缩2）、阅读P69-思考-回答2：白化病的形成？基因酶的合成代谢性状白化症把握酪氨酸酶的基因酪氨酸酶不能将酪氨酸转变为 黑色素白化症 状正常皮 肤把握酪氨酸酶的基因 正常酪氨酸酶存在将酪氨酸转变为黑色 素正常症 状结论1：基因通过把握酶的合成来把握代谢过程，进而把握生物体的性状3）、阅读P70-思考-回答：囊性纤维病的病因？镰刀型红细胞贫血症（P80）的病因？基因蛋白

27、质（功能）性 状囊性 纤维 病编码一个跨 膜蛋白 （CFTR蛋白） 的基因缺失 了 3个碱基导致CFTR蛋白在第508位缺少氨酸，进而影响了 CFTR蛋白的结构， 使 CFTR转运氯离子的功能特别，导致患者 支气管中黏液增多，管腔受阻，细菌在 肺部大量生长繁殖。使肺功能 严峻受损镰刀型 细胞贫 血症编码的血红 蛋白基因异 常血红蛋白组成的红细胞结构 改 变。正常功能 受到影响结论2：基因还能通过把握（结构）蛋白质的结构直接把握生物性状。旁栏思考题（P69）提示：此题旨在引导学生认识基因与生物的性状并非简洁的一一对 应关系。批判性思维P70提示：此题旨在引导学生客观全面地评价基因决定论的观点，认

28、识到 性状的形成往往是内因（基因）与外因（环境因素等）相互作用的结果。三、教学案例评价与反思通过一系列问题串的设置以及对资料的分析，使学生对前面所学的内容有一个更 深的理解，引导学生对中心法则与基因表达等概念的理解，形成更加完整的概念模 型，显示出学生的主体地位，达到学生自主构建学问的目的。在学生构建的过程中， 培育学生的核心素养，生提高了学生猎取资料，整理资料，猎取信息的能力，帮忙学 生分析问题，解决问题。3. 3试验班与对比班后测结果及分析3.3. 1问卷调查结果及分析表3-6模型构建在生物教学中的现状调査题目格外有有有一点没有对生物学兴趣（1）试验班79. 44%15. 18%5. 38

29、%0对比班62. 62%24. 62%8. 69%4.08%表3-7模型构建在生物教学中的现状调査知道或许知听说过不知道道对模型的认识试验班14.93%29. 85%44. 73%10. 43%(2. 3.4)对比班15.38%30. 77%46. 15%7. 69%表3-8模型构建在生物教学中的现状调査常常有间或有没有不清楚生物老师在教 学中有模型建 构的教学r21.74%36. 54%34.98%6. 85%对比 班16.71%31.37%45. 23%6. 69%学习中有通过 建构模型来学试验 班42. 87%40. 66%12. 72%3. 75%习对比 班2. 84%36. 22%5

30、3. 12%7.82%你上生物课 时，有动手建试验 班26.54%54. 63%14. 43%14. 40%构过模型对比 班1.62%14. 43%74. 56%9. 39%表3-9模型构建在生物教学中的现状调査格外有有没有不确定你认为有必要提高你的试验班51.92%30. 77%10. 92%6. 39%生物模型的建构能力对比班40.31%29. 54%22. 23%7. 92%你认为老师有必要使用 模型进行教学试验班51.93%30. 11%11.99%5. 97%对比班50.33%29.04%13.41%7. 22%表3-10模型构建在生物教学中的现状调査核心 素养内容完全符 合比较符

31、合比较不 符合完全不 符合生命用生物学试验班26. 87%29. 85%38. 36%4.92%观念学问解释 生活现象对比班8.6230. 21%36. 70%24. 46%擅长分析 综合信息科学够察象出题能观现提问试验班19. 84%28. 34%对比班 16. 15% 26. 47%35. 37%16.42%34. 64%22.74%科学探究敢于 质 疑在建模 过程与 同学合 作良好 社会 责任人走灯 关拒 绝 使用塑料袋试验班对比班试验班对比班24. 33% 29. 40%15. 39 22. 30%29. 85%16.42%34. 62%27. 69%31. 36%20. 63%28.34%28. 49%22. 38%36. 22%17.92%14. 66%通过对两个班132位同学的问卷调查结果发觉，通过一段时间的授课后，对比班 试验班的学生都有所提高，但是试验班的学生进行建模教学以后，对受模型的观察和 制作，以及生物核心素养方面都有很大的提高3. 2学习成果表3-11试验班和对比班前后测生物成果差异比较组别人数 M-平均分（X）标准差（S）平均分（X）标准差（S）77. 678. 4773.018.012. 265(p0. 05)如表所示，经过实施建模生物教学设计，一个学年以后，大幅度地提高了试验班 学生的生物成果。生物成果是检验