高中生物模型建构论析

摘 要：通过建构生物模型来学习生物学知识，能增强学生的合作探究能力，使之更好地把握和理解生物学的核心概念，提高其对生物学知识的综合运用能力，并帮助学生理解模型方法的重要作用。文章就如何建构高中生物模型进行论述，帮助高中生提高生物核心素养。

关键词：模型建构；小组合作；概念；基本规律；知识体系；高中生物教学

作者简介：余帆，湖北省浠水县实验高级中学教师。

中图分类号：G633.91 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2018）03-0044-03

建构模型是一个科学探究的过程，可以增强学生的合作探究能力，对培养学生的合作能力、创造性，提高生物核心素养十分有益。模型方法是科学家通过观察、实验、理论模型和数学模型来构造和检验对自然的解释，用模型来描述生命现象，有助于学生从总体认识生命的原貌，把握生命的本质特征。因此，《普通高中生物课程标准》将模型方法规定为高中生必须掌握的科学方法之一，生物高考大纲也将其列为高考必考内容之一。《美国国家科学教育标准》中要求学生“运用逻辑和证据来构造和修改科学解释和科学模型”，将建构模型作为科学探究所需要的基本能力。“人教版”高中生物教材选择的内容也充分体现了这一要求，其中含有丰富的模型建构素材。用好这些素材，恰当发挥模型的作用，可以充分挖掘学生的潜力，有效提高课堂教学效率，培养学生严谨的科学态度和科学精神。在开展新课程改革的今天，也可较好地满足课程的选择性需要。高中生物学中的模型建构活动与科学研究中的建模不完全一样，它面向全体学生，倡导探究性学习方式，通过尝试建构模型，帮助学生掌握或巩固有关生物学概念，体验建构模型过程，理解模型和进行模型建构活动是学生理解生物学的一把钥匙。高中生物教学中常见的生物模型有3种：概念模型、数学模型和物理模型，教师应通过建构这3种生物模型，有效提升学生的学科综合素养。

一、建构物理模型，直观表达抽象的生物学概念

物理模型是指客观实物的相似模型或客观现实的形象显示，其状态变量与原事物基本保持一致，它能够通过模拟该事物的性质和功能，形象解释认识对象，可用特殊的符号、图形和色彩来反映生命现象的发生、发展以及生物的结构、生理和相互联系，它浓缩了大量的生物知识信息，是生物知识的重要表达方式。形态结构模型是指描述细胞、组织、器官、生物体的形态结构示意图、模式图或部分图解。教材常见的模型有：动物细胞和植物细胞亚显微结构、细胞膜、DNA双螺旋结构、突触的亚显微结构；过程模型则是描述生命活动的动态过程或描述生物进化的过程。教材常见的模型有：分泌蛋白的分泌过程、主动运输、酶的专一性解释、有氧呼吸过程、光合作用过程、人体细胞与外界环境的物质交换、体液免疫与细胞免疫过程模型、生态系统的能量流动模型。我们以动植物细胞亚显微结构的建构为例来建构物理模型，具体教学策略如下：

1.回忆基础性概念：要使学生画出动植物细胞亚显微结构图，能够说出细胞器的种类、名称和功能。

2.阅读课本，让学生再次熟悉动植物细胞的亚显微结构，加深理解，明确细胞器之间结构、功能的联系。

3.建构模型前要首先培养好学科小组长，让学科小组长能组织学生讨论、交流，明晰制作过程。小组长当好小老师，小组成员合作，利用现成的材料（白色橡皮泥、琼脂、塑料袋、纱布、弹力布、圆形彩泥、乒乓球、蛋壳、大头针、小球若干、红豆、各色彩纸供选），分组按照比例制作细胞壁、细胞膜、细胞核、细胞质基质、各种细胞器模型，单个模型做完后完成动植物细胞亚显微结构模型组装。组装后再次进行讨论交流、取长补短，教师适时参与指导、完善模型。

学生通过制作动植物细胞亚显微结构模型，对动植物细胞亚显微结构有了感性认识，通过小组间的建模、模型展示与释疑，他们不仅对目标知识掌握得非常透彻，而且还明白了制作动植物细胞模型时，要考虑动植物细胞的区别，要考虑细胞器种类，细胞核、细胞器大小比例，如何体现细胞器之间的协调配合，等等。小组间的相互交流更是从语言表达上进一步加强对知识的理解，建构动植物细胞亚显微结构模型的过程，是对已知事实的归纳、抽象过程，也是对头脑中所构想的物理模型进行形象化、具体化的过程。

二、建构数学模型，概括生物学的基本规律

用来表达生命活动规律的符号、计算公式、函数式、曲线图等数学语言来描述生物学的知识、现象均称为数学模型。教材中常见的数学模型有：蛋白质的合成分子量和脱水量计算、DNA的结构中碱基数量及比例计算、遗传病概率计算、遗传规律的比例计算、减数分裂配子类型计算、基因频率计算、DNA分子的复制子代DNA数量、标记DNA比例及所需某种脱氧核苷酸比例、种群“J”型增长、能量流动规律等。我们以种群“J”型增长为例建构数学模型，教学策略如下：

第一步：准备模型。搜集资料和信息，找出细菌增殖的数学规律。

第二步：假设模型。假設在资源和空间充足，气候适宜，没有天敌，没有疾病的理想环境下，细菌二分裂增殖，且每20分钟繁殖一代。此外要强调在理想环境中，细菌种群的增长不会受到种群密度增加的影响。由学生推算在不同时间内一个细菌的繁殖情况，并独立完成如下表格：

第三步：建构模型。根据所做的假设分析对象的因果关系，利用对象的内在规律和适当的数学工具，构造各个量词的等式关系。由细菌基本繁殖特点及增殖规律，小组讨论、分析，通过归纳法得出细菌是以指数函数的形式进行增长，因此，用数学公式表达为Nn=2n，其中N代表细菌数量，n代表分裂次数，学生讨论完成后展示成果，并绘出曲线图：

第四步：检验和修正模型。在理想状态下建立细菌种群数量增长的数学模型相对比较简单，而生物学中的大量现象与规律却极为复杂，存在着许多不确定因素。因此，我们需要通过大量实验或观察，对模型进行进一步检验和修正，使学生认识到模型的构建是一个不断发展和完善的过程。

第五步：完善模型。種群在自然界的生活环境和我们假设的情况不同，那么种群增长遵循什么规律呢？PPT投影展示高斯曾经做过的实验，教师归纳总结，明确理想状态下是“J”型曲线，而高斯实验中的增长曲线，我们把它叫做“S”型曲线。

从种群增长数学模型的建构过程，我们不难发现，数学模型建立，基本按照观察研究对象→提出合理假设→数学表达→检验、修正四大步骤进行。也可以看出，我们模型的建构过程就是一个科学探究的过程，“大胆假设，小心求证”的科学思维始终贯穿其中。而这种思维方法一旦内化为学生自己的认知图式，就一定能实现认知水平的飞跃。

三、建构概念模型，构建生物学知识体系

概念模型是以文字表述来抽象概括出事物的本质特征，对生物学中的中心概念、内涵、外延进行抽象描述。概念模型通常是以概念图的形式出现，表达概念之间的相互关系，以命题的形式显示概念间的意义联系，体现知识的网络构架。通过概念模型的构建，可以理清生物学概念之间的独立关系、从属关系，使分散的生物学概念系统化，有利于对概念知识的理解和运用。实践证明，将枯燥繁杂的生物学概念、专业术语以概念图的形式来归纳整理，既形象又直观，增强了学生的理解能力和记忆能力。教材中常见的概念模型有：蛋白质与酶的关系、内环境稳态的概念、达尔文的自然选择学说、真核细胞结构的共同特征、光合作用过程中物质和能量的变化，等等，其实每单元后面的概念图均为概念模型，这里就不多举例子了。概念模型建构示例如下：建构概念模型要循序渐进，不贪多求全。教学策略如下：

第一步：临摹建构概念模型。高中生物教材每章自我检测中均有画概念图试题，首先由学生自主完成，学生讨论交流，教师引导概念模型构建过程。明晰建构概念，先找出核心概念，放在中央或顶端，将一般概念、次一般概念、具体概念等放在四周或下端，并按概念的等级层层辐射开来。接着，再将两个概念用线条或箭头连接起来，并用连接词语表明两者的关系，完成概念图后还需不断进行修正、完善。

第二步：模仿绘制概念模型。在教学“遗传信息的携带者——核酸”后，以小组合作学习的形式建构核酸、蛋白质的概念模型，并进行展示、交流。通过小组合作交流，学生构建概念模型的能力不断提高，实现知识、能力、情感态度和价值观的三维目标。

第三步：自主建构概念模型。每次授课后，让学生讨论、交流找出每一节课的概念，并对概念进行分类，找出概念之间的关系，适当降低概念图构建的难度。接着，再让学生独立找出概念并分好层次，使用合适的连接词语，自主完成概念图构建。建构概念模型后，让学生及时展示、交流、评价，达到相互学习、相互借鉴的目的。

学生通过临摹、模仿、自主建构概念模型，将自主建立起每一节的知识体系，使原本零散的知识变得系统、有条理、直观化、深刻化，便于记忆、理解。由此，便有效提高了教师的教学技能和教学效果，也让教师从教授者转变为引导者。

总之，生物模型的教育意义需要通过建构来实现，只要在模型建构活动中不断进行归纳和演绎，进行观察或实验，运用已有知识进行假设、模拟，将复杂的事物进行简化、抽象出其本质属性，将头脑中抽象的概念形象化、具体化；通过亲身参与这些学习活动，学生在探索思考中才能体会到模型建构的方法，获得成功的喜悦，才能将模型方法内化为认知图式，获得认知水平的提升。以上介绍的3种模型建构策略只是对模型建构规律的简单总结，而相对完美的生物模型还需要通过不断“建构—解构—再构”，再检验、再修正来得以完善。要使学生具备建构生物模型的能力，我们还需要组织相关的模型建构活动，让学生真正体验、真正参与，实现“授之以渔”而不是“授之以鱼”。课程标准、教材都已经将模型提升为高中生物学课程的基本内容之一，新高考要求实现学科综合素养落地，实现国家的育人目标，在生物课堂中，教师更应引导学生沿着科学的思路和方法去感知、去思索，形成运用模型建构解决问题的能力，领略科学知识的真谛，帮助每个学生提高生物核心素养，也提高了教师的综合素质。

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（编辑：朱泽玲）