學科教育論文-生物學模型教學探析.doc

學科教育論文-生物學模型教學探析【內容提要】在生物學課程中，有豐富的模型資源，這為模型教學提供了基礎素材。在生物學教學中提倡運用模型教學，運用模型來探究解決生物學問題。模型教學強調模型的構建、運用、檢驗、修正發(fā)展和完善。【摘要題】教法改革【關鍵詞】模型/模型構建/模型教學【正文】模型是人們解決特定的問題，經(jīng)過一定的簡化、抽象，形成新型客體，從而使原型客體的本質屬性以物質形式或思維形式顯現(xiàn)出來。這是一種重要的科學操作和科學思維的方法。在日常的生物學教學中，我們一直在大量地使用模型，但如何有效運用這一資源，開展模型教學，以增進學生對模型的熟悉、對建模方法的理解，培養(yǎng)他們建模、運模的能力？1高中生物學課程中的模型教學的資源我國高中生物學教科書提供了豐富的模型資源。例如：客觀實物的相似模擬（實物模型）；真實世界的數(shù)學抽象（數(shù)學模型）；思想觀念的文字表述（理論模型）；客觀現(xiàn)實的形象顯示（圖像模型）等等。通常，生物學中的模型可分為兩大類：物質模型和思維模型，每一大類又包括若干小類。下面結合高中生物學模型教學資源進行逐一介紹。1.1物質模型包括天然模型和人工模型：1.1.1天然模型在研究人體的時候，特別是人的生理現(xiàn)象時，出于對人身健康、安全和倫理道德方面的考慮，不便直接對人體進行實驗操作。因此，科學家常常用其他與人相似的哺乳類動物來代替，如狗、貓、鼠等作為人體模型進行研究，從而獲得人體生理學的有關知識。如利用線蟲進行細胞凋亡的研究，利用海兔進行學習記憶的研究；利用果蠅進行發(fā)育調控的研究等，這里線蟲、海兔和果蠅即是一些天然模型。1.1.2人工模型人工模型即人為制造的科學模型。在科學認識活動中，為了更好地研究微觀世界和宏觀世界，采用制造人工的實物模型進行模擬研究?，F(xiàn)在，像人體的器官、血液循環(huán)等復雜的對象都有了實物模型。高中生物學中的細胞模型、細胞器模型、生物大分子模型、生物膜模型、動（植）物有絲分裂模型和減數(shù)分裂中染色體的變化模型等均屬于人工模型。1.2思維模型包括理想模型、數(shù)學模型和理論模型：1.2.1理想模型理想模型是人們?yōu)榱吮阌谘芯慷⒌膶υ透叨瘸橄蠡乃枷肟腕w或思想事物，它是對研究對象的簡化和純化，突出反映了顯示原型的主要特征和聯(lián)系。它的建立得益于邏輯方法和非邏輯方法的綜合運用，是創(chuàng)造思維的結果。科學研究離不開科學抽象，簡化了的理想模型作為科學抽象的結果，滲透在生物學科中。如大腸桿菌的結構模式圖，各類細胞器、細胞結構的模式圖，各類分子（氨基酸、多肽、核苷酸、核酸等）的模式圖，生物膜系統(tǒng)圖解、酶降低化學反應活化能的圖解，自由擴散、協(xié)助擴散和主動運輸示意圖，光合作用、有氧呼吸過程圖解，有絲分裂模式圖解，顯性和隱性基因的字母化，哺乳動物（精子）卵細胞的形成圖解，DNA復制、轉錄和翻譯的示意圖，噬菌體侵染大腸桿菌的實驗圖解等等。高中教科書為我們提供了十分豐富的圖像模型。1.2.2數(shù)學模型數(shù)學模型是能夠表現(xiàn)和描述真實世界某些現(xiàn)象、特征和狀況的數(shù)學系統(tǒng)，數(shù)學模型能定量地描述生物物質運動的過程，一個復雜的生物學問題借助數(shù)學模型能轉變成一個數(shù)學問題，通過數(shù)學模型的邏輯推理、求解和運算，就能夠獲得客觀事物的有關結論，達到對生命現(xiàn)象進行研究的目的。比如描述生物種群增長的費爾許斯特珀爾方程，就能夠比較正確地表示種群增長的規(guī)律；通過描述捕食與被捕食兩個種群相克關系的洛特卡沃爾泰拉方程，從理論上說明：農藥的濫用，在毒殺害蟲的同時也殺死了害蟲的天敵，從而常常導致害蟲更加猖獗地發(fā)生等。還有一類更一般的方程類型，稱為反應擴散方程的數(shù)學模型在生物學中廣為應用，它與生理學、生態(tài)學、群體遺傳學、醫(yī)學中的流行病學和藥理學等研究有比較密切的關系。20世紀60年代，普里戈任提出著名的耗散結構理論，以新的觀點解釋生命的現(xiàn)象和生物進化原理，其數(shù)學基礎亦與反應擴散方程有關。生命現(xiàn)象常常以大量、重復的形式出現(xiàn)，又受到多種外界環(huán)境和內在因素的隨機干擾。因此概率論和統(tǒng)計學是研究生物學經(jīng)常使用的方法。生物統(tǒng)計學是生物數(shù)學發(fā)展最早的一個分支，各種統(tǒng)計分析方法已經(jīng)成為生物學研究工作和生產(chǎn)實踐的常規(guī)手段。數(shù)學模型實際上就是把實際問題化成一個數(shù)學問題，在研究問題與某種數(shù)學結構之間建立起對應關系。數(shù)學模型通常以數(shù)學關系式的形式表示出來，并配以曲線圖、表格等形式。如酶促反應的反應速率、酶活性的變化、孟德爾雜交實驗的“31”和“9331”等等。1.2.3理論模型理論模型是針對某個問題，對已經(jīng)研究的科學事實和資料進行系統(tǒng)分析、綜合，并提出基本概念。這往往是一種“假說演繹體系”，通常表現(xiàn)為一種科學學說。如細胞學說；細胞膜的流動鑲嵌學說；酶的作用模型（鑰匙鎖假說和誘導契合假說）；細胞衰老假說、生物進化理論、中心法則等等。近來，隨著科技的進步，計算機技術介入模型的建構，實現(xiàn)了模型由“靜態(tài)”向“動態(tài)”的轉變。例如利用多媒體演示有絲分裂、減數(shù)分裂和受精作用的過程，利用計算機演示生物的進化、生命的起源等等。從而使模型更逼近原型客體，更真實地反映原型客體的本質屬性。2如何進行模型教學在教學中，我們不僅要利用理想模型（文字圖象）、實物模型、數(shù)學模型、動態(tài)模擬等多種模型構建課堂教學，還應從模型的構建、發(fā)展與完善來構建課堂教學，多角度、多層次地促進學生認知圖式的發(fā)展。2.1利用模型進行教學模型可使研究對象直觀化、簡約化，使之便于研究；又可以簡略地描述研究成果，使之便于理解和傳播；還可以用于計算、推導，延伸觀察和實驗結論等。因此，應充分地利用模型資源，使抽象的客觀具體化，引導學生進行探究。如對“減數(shù)分裂”內容進行教學時，教師可運用教科書中的哺乳動物精子（卵細胞）的形成圖解，還可以利用減數(shù)分裂中染色體變化的實物模型，并配以文字描述等多角度地運用各種模型資源，從不同的側面來反映減數(shù)分裂的本質屬性，使學生對減數(shù)分裂這一認知圖式構建得更完善。有條件的學校還可以用計算機模擬減數(shù)分裂的動態(tài)變化，宏觀地層現(xiàn)其微觀的動態(tài)過程，并有意識地引導學生進行進一步抽象，構建數(shù)學模型染色體、DNA、姐妹染色單體的變化曲線，促使學生認知圖式的發(fā)展。2.2重視建模的過程模型教學不僅僅是模型結論運用的教學，更應是一個模型建構的過程式教學。在教學過程中，要利用模型的建構過程引導學生探究，如教科書對孟德爾分離定律的描述，詳盡地層現(xiàn)了“31”這一數(shù)學模型的建構過程。教師在教學時，不應僅僅停留在教給學生“31”的數(shù)學結論，而要詳細地演繹這個數(shù)學模型的推導過程。這是一個現(xiàn)象假設（數(shù)學模型的初步構建）實踐驗證結論（數(shù)學模型的確立）的過程。孟德爾在種植豌豆的過程中，經(jīng)過數(shù)理統(tǒng)計，形成了“31”的數(shù)學模型，并在理論上進行推導，來解釋這一模型。而后，通過再次種植豌豆，有目的地檢驗模型，最終確立了模型。這是一個嚴密的科學建模過程。隨著科技進步，模型始終處在不斷地“構建解構建構”的動態(tài)發(fā)展過程中。正如同模型的發(fā)展一樣，模型教學亦應是一個不斷發(fā)展、修正與完善的過程。使學生認識到模型是一個開放的動態(tài)體系。如在進行“生物膜的流動鑲嵌模型”教學時，教師引導學生探討該模型的不斷發(fā)展與完善：首先是早期科學家從生理功能入手進行研究，通過實驗，在19世紀提出了“膜是有脂質組成的”這一模型；到20世紀，科學家發(fā)現(xiàn)細胞還含有蛋白