高中生物模型建构教学研究与体会获奖科研报告

高中生物模型建构教学研究与体会获奖科研报告摘要：模型和模型方法在生命科学研究中发挥着重要作用，是学生获取知识的条件，也是学生认识结构的重要组成部分，在高中生物学教学中具有广泛的应用价值和教育意义。

关键词：高中生物模型建构教学方法

我国《普通高中生物课程标准》中的“知识”目标指出：“获得生物学基本事实、概念、原理、规律和模型等方面的知识。”新课标明确将获得生物学模型的基本知识作为课程目标之一，并在内容标准和活动建议部分做了具体详细的规定。可以说这是我国中学生物课程发展史上第一次将“生物模型”写入《大纲》（也就是课程标准）中。2016年福建省高考《生物考试大纲》将“建构模型”纳入“实验与探究能力”的考查范围。因此，模型建构不仅是课程目标之一，还是高考的需要，更是改变学习方式，提高学生科学素养的需要。可见，生物模型的建构在高中生物教学中有多么重要的地位。那么什么叫生物模型呢？高中生物有哪些生物模型建构活动呢？如何开展模型建构活动呢？本文结合三年来高中课改实践，就上述几方面问题做一探讨。

一、模型与模型方法的内涵及分类

1.模型内涵及分类

所谓“模型”，就是模拟所要研究事物原型的结构形态或运动形态，是事物原型的某个表征和体现，同时是事物原型的抽象和概括。不再包括原型的全部特征，但能描述原型的本质特征。模型一般可分为物理模型和数学模型两大类。

物理模型就是根据相似原理，把真实事物按比例大小放大或缩小制成的模型，其状态变量和原事物基本相同，可以模拟客观事物的某些功能和性质。物理模型可分为物质模型和想象模型。生物学中物质模型有实物模型和模拟模型，如生物体结构的模式标本属于实物模型；而细胞结构模式图、减数分裂图解等则属于模拟模型。想象模型是事物在人们思想中的理想化反映，是物质模型在思维中的延伸。根据建构模型的思想方法不同，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分子双螺旋结构模型、细胞膜流动镶嵌模型、T2噬菌体的模型等。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，物质出入细胞的模型、细胞分裂过程模型、光合作用过程模型、呼吸作用过程模型、激素分泌的调节模型、动物的个体发育过程模型、生物系统的结构与功能模型等。

数学模型就是对于一个特定的事物为了一个特定目标，根据特有的内在规律，做出一些必要的简化假设，运用适当的数学工具，得到的一个数学结构，用来描述一个系统或它的性质的数学形式。用符号、公式、图像等数学语言表现生物学现象、特征和状况的方法称为生物数学模型方法。如果其变量中不含时间因素，则为静态模型，如种群数量变化曲线、生长素作用的两重性曲线、酵母菌生长曲线等；如与时间有关，则为动态模型，如基因表达模型、生态系统物质循环和能量流动模型等。

2.模型方法的内涵及分类

模型方法是以研究模型揭示原型的形态、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下图）。

高中生物模型方法根据模型代表和反映的方式可以分为三大类：物质模型方法即用实物代替原物进行研究的方法叫做物质模型方法；想象模型方法即用想象的抽象物代替原型进行研究的方法叫做想象模型方法，这种方法是人们抽象出生物原型某些方面的本质属性而构思出来的，使对象简化便于研究；数学模型方法即用符号、公式、图像等数学语言表现生物学现象、特征和状况的方法。

二、高中生物人教版教材中的主要模型建构活动分析

三、开展生物模型建构活动的程序和案例分析

1.开展生物模型建构活动的基本程序主要包括：

（1）教师利用课堂教学时间介绍相关理论知识、建模过程、注意事项、奖励机制等。提醒学生在设计并制作模型时，科学性、准确性应该放在第一位，其次才是模型的美观与否；（2）学生自由分组，在教师的指导下，确定原型与模型及进行模拟的形式，并根据模拟的形式设计本组模拟的方案，然后小组成员根据分工准备模拟材料并动手制作模型；（3）各小组展示制作的模型，并给出书面介绍，便于各小组之间互评；（4）利用课堂或课余时间开展一次展评会，各组选择合适的方式介绍自己制作的模型，通过小组自评、组间互评、教师评价相结合的方式评选出优秀模型。对获奖的个人与小组颁发奖励，拍摄优秀模型的制作过程，并利用校园墙报、广播、网络等方式进行宣传，便于交流，能很好地起到鼓励本人、激励他人的作用。

2.开展生物模型建构活动的案例分析

如高中生物人教版必修3《生长素的生理作用》一节教材中指出“生长素在浓度较低时促进生长，在浓度过高时则会抑制生长，甚至杀死植物”。学生在理解生长素生理作用的两重性时，难度最大的就是如何判断什么时候是“低浓度”，什么时候是“高浓度”。为了帮助学生理解这一难点，我们在教学中引入数学模型：生长素浓度对植物生长的影响（如图1）。由图可知，b点为生长素的最适浓度，在这一浓度下植物生长速度最快；曲线abc段对植物生长都有促进作用，为生长素的适宜浓度。在曲线ab段，生长素的促进作用随着浓度的升高而增大，则ab段生长素浓度为适宜浓度范围内的低浓度。在曲线bc段，生长素的促进作用随着浓度的进一步升高而逐渐减弱，则bc段生长素浓度为适宜浓度范围内的较高浓度。c点时生长素浓度对植物生长无影响，既不促进，又不抑制。在曲线cd段，生长素完全表现为抑制作用，并且随着生长素浓度的提高，抑制作用逐渐增强，可见该范围的生长素浓度为“高浓度”。学生顺理成章地理解了“生长素生理作用的两重性”这一知识。

图1

3.防止建模活动幼稚化为“游戏”

例如，必修3中安排的“建立血糖调节的模型”，目前看到的教学设计和教学案例，大多数都把主要精力放在模拟活动上，有些教学活动还在如何让学生扮演胰腺、肝脏更为形象上下了不少工夫（如让学生贴上胰腺、肝脏的图片），模拟吃饭和运动后的反应过程也不厌其烦，事实上，这个模型建构活动模拟过程的关键是：一要体现“激素”卡片作为信息起作用这一本质，二要体现反馈和拮抗作用。模拟活动后的讨论，以及通过讨论绘制图解式模型应该是本活动的重中之重。也就是说，模拟活动旨在通过形象化展示肉眼看不见的过程，但这不是根本目的，在形象化基础上再高度抽象出这个调节过程的本质才是关键。缺少形象化之后抽象出调节过程的本