浅谈高中生物建模的教学价值和培养策略汇编.docx
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浅谈高中生物建模的教学价值和培养策略汇编
浅谈高中生物建模的教学价值和培养策略
模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所作的一种简化的概括性的描述。
《普通高中生物课程标准》明确要求：
了解建立模型等科学方法及其在科学研究中的作用，培养学生的建模思维和建模能力，领悟、建立数学模型等科学方法及其在科学研究中的应用，培养学生的建模思维和建模能力，获得生物学的基本事实、概念、原理、规律和模型等方面的基础知识。
由此可见，建模能力在高中生物课程标准中被提到较高的高度，模型建构被认为是学生将来从事科学研究的必备能力。
如何落实新课程标准中模型建构能力的培养?
下面从模型建构的理论基础、生物模型的类型、教学价值和培养策略四个方面进行探讨，以期对高中生物教学中培养模型建构能力提供借鉴。
1 理论依据
建构主义学习理论认为：
学习是学习者主动建构内部心理表征的过程，其核心是：
“知识是通过主体积极建构的，而不是被动接受的。
”建构主义理论下的学习效果不是取决于学生记忆课堂讲授内容的多少，而是取决于学生通过主动建构获取知识和能力的程度。
模型建构教学就是在教师引导下，让学生在一定的情境中通过自己动手构建模型，学习生物知识，体验生物科学研究过程。
因此，在模型建构教学活动中是以学生为主体，以建构模型为主线，让学生在真正做的过程去探索、交流、学习。
它重视学习过程的主动性和建构性，强调学生以个人的学习经验、心理结构来建构对于新事物的理解，从而获取新知识，掌握解决问题的方法和技能。
教师在教学过程中若能用好模型建构方法，对实现新课程目标、提高生物科学素养会有很大帮助。
2 生物模型的类型
生物模型可以分为物质形式和思维形式两大类型。
2.1从物质形式角度
生物模型可以分为真实模型、替代模型以及人工模拟模型等几种类型。
（1）真实模型。
为了能更好地探究某项生命活动规律而选用某些方面具有典型特征或特别便利的生物，这就是真实模型。
真实模型的选择往往是精心的、慎重的，因为通过对其研究所获得的生命活动规律须具有通适性、典型性，能推广到其他生物。
如孟德尔、摩尔根分别以豌豆、果蝇为研究模型，研究发现了遗传的三大规律；林德曼选择美国的赛达伯格湖为生态系统模型，深入研究并揭示了生态系统的能量流动规律。
（2）替代模型。
替代模型是指由于种种原因，无法直接用研究对象进行实验研究，而用其他生物代替研究对象进行研究。
如常用豚鼠、猕猴等动物代替人体进行疾病机理探究、疫苗研制、药物试验等工作。
再如，以诱发豚鼠血脂增加作为高血脂患者的模型，用来筛选降血脂的药物。
（3）人工模拟模型。
有些科学问题的探究既无法用真实模型，也无法找到替代模型，此时，科学家们想出了用人工模拟的方法来开展研究，如生物圈Ⅱ号、探究性状分离比的实验模型、探究生态系统稳定性的小生态瓶等。
2.2从思维形式角度
生物模型的表现形式有物理模型、概念模型、数学模型、软件模型等。
（1）物理模型。
以实物或图画形式直观反映认识对象的形态结构或三维结构，这类实物或图画即物理模型。
常见的实物模型有DNA双螺旋结构模型、真核细胞亚显微结构模型等；图画模型有三倍体无子西瓜的培育过程图解、池塘生态系统模式图等。
物理模型的特点是实物或图画的形态结构与真实事物的特征、本质非常相像，大小一般是按原比例放大或缩小的。
（2）概念模型。
以图示、文字、符号等组成流程图形式对事物的生命活动规律、机理进行描述、阐明，即概念模型。
如动植物细胞的有丝分裂、减数分裂图解、光合作用示意图、中心法则图解、过敏反应机理图解等。
概念模型的特点是图示比较直观化、模式化，由箭头等符号连接起来的文字、关键词比较简明、清楚，它们既能揭示事物的主要特征、本质，又直观形象、通俗易懂。
（3）数学模型。
用来表达生命活动规律的计算公式、函数式、曲线图以及由实验数据绘制成的柱形图、饼状图等称为数学模型。
如酶的活性变化曲线、种群增长曲线、微生物生长曲线，以此种群密度计算公式、组成细胞的化学元素饼状图、能量金字塔等。
曲线图的特点是在利用坐标系描述2个变量之间的定性或定量关系；柱形图是依据实验数据在坐标系内用柱形方式表示的2个变量之间不连续的定量关系；饼状图通常是百分比含量的圆饼状表示；计算公式或函数式则是根据数学上的等量关系、用字母符号建立起来的变量之间定量关系式。
（4）软件模型。
用计算机语言编写、反映变量之间逻辑关系的应用生物程序称为软件模型。
如弗里斯特等根据他们对人口增长、工业发展、粮食增长、不可再生资源的消耗以及环境污染的研究，用几十个相互联系的变量组成了一个模型，借助计算机进行各种运算，一方面对模型进行检验，同时也可以对未来作出预测。
这种抽象模型的计算机模拟在生态学、群体遗传学、基因组研究等很多领域已成为重要的研究方法。
3 生物建模的教学价值
3.1提高学生学习兴趣
兴趣是最好的老师，教学效果不仅和学生的智力水平有关，更重要的是和他们对这一学科的学习兴趣有关。
模型本身展示给学生的是非常直观、生动的印象，它使静止的文字变得活跃、生动，是能够激发学生学习兴趣的感性材料。
在应用模型方法进行教学的过程中，不是教师硬性灌输给学生知识，而是让学生在学习的舞台上亲自去想象，去动手构建模型。
在进行人教版必修2“减数分裂过程中染色体变化”的教学时，教师引导学生用橡皮泥构建染色体、姐妹染色单体的模型，明确染色体、姐妹染色单体的概念关系，学生通过小组合作，用橡皮泥构建“减数分裂过程中不同时期的染色体变化模型”。
学生通过讨论、观察、自己动手操作，更好地理解减数第一次分裂前期同源染色体联会，形成四分体；后期同源染色体分离，染色体数目减少一半等减数分裂各个时期染色体变化的特点。
学生在做模型的过程中学习生物知识，激发学生的学习兴趣，促使学生为之，愉悦、兴奋，同时体验到建构探究成功后的喜悦感、自豪感。
3.2实现自主、合作学习方式
高中课程改革的重要突破口之一是转变学习方式，由过去被动的学习方式变为自主的学习方式，完成由以教师、知识为中心，向以学生发展为中心的转变。
生物模型的建构是学生进行动手实践、自主探索、合作交流学习的有效方式。
年轻有活力是我们最大的本钱。
我们这个自己动手做的小店，就应该与时尚打交道，要有独特的新颖性，这正是我们年轻女孩的优势。
模型的建构往往是在一定的情景中通过学生的自主学习来完成的。
进行人教版必修1“生物膜结构模型”的教学时，先给学生提供这样的教学情景：
科学研究发现，脂溶性物质极易通过细胞膜，并且细胞膜易被脂溶性溶剂所溶解；细胞膜易被蛋白酶水解。
分析得出细胞膜的主要组成成分是蛋白质和磷脂。
然后教师鼓励学生大胆想象，尝试建构磷脂在空气和水面的排列方式，以及它们是如何构成细胞膜的，给学生提供充分的自主学习的空间和时间，并引导学生不断修改自己构建的模型，引导和促进学生主体性发展。
教师在放手让学生独立思考、自主建构的基础上组织全班学生进行合作交流。
通过交流合作使学生能从不同的角度去思考问题，能对自己和他人的成果进行反思，在合作交流中相互启发、共同发展，培养合作精神和参与意识。
在模型建构的课堂中有一种和谐、宽松的学习氛围，教师成为学生学习活动的引导者、组织者，学生真正成为学习的主人。
调研课题：
3.3化复杂为简单，培养学生思维能力
中学生物学以描述性语言为主，对于一些深奥的生命现象，以模型为工具，能够清晰有力地阐述隐藏在现象背后的一般规律。
例如建构种群动态变化的模型。
由于种群数量同时受多种因素的影响，因此变化很复杂。
自然界中种群数量增长通常呈“s”型曲线，研究“S”型曲线会发现：
曲线的形状表示种群动态变化趋势，曲线上任一点的切线的斜率表示变化快慢。
当种群数量达到环境所允许的最大值（K）时，在该点作曲线的切线，其斜率为0，表示种群的增长率为0。
在K／2时，该点的切线的斜率最大，说明此时种群的增长率最大。
当种群数量大于K／2时，种群增长速率开始下降。
“s”型曲线实质上是指数函数与对数函数的叠加。
用“S”型曲线恰好能完美地表达种群数量的动态变化，明白种群动态变化的意义可用于指导生产实践。
利用曲线的数学性质可以简洁地描述生物学上一些复杂的现象，生命现象是奇妙而抽象的，数学曲线是简单而直观的。
实际问题常常是复杂多变的，数学建模需要学生具有一定的探索性和创造性，学生在老师的引导下通过真正“做”科学的过程，既能学到知识，又能提高思维能力。
功能性手工艺品。
不同的玉石具有不同的功效，比如石榴石可以促进血液循环，改善风湿和关节炎；白水晶则可以增强记忆力；茶晶能够帮助镇定情绪，缓解失眠、头昏等症状。
顾客可以根据自己的需要和喜好自行搭配，每一件都独一无二、与众不同。
3.4化抽象为直观，训练学生创新能力
必修1“细胞的分裂和分化”很难、很抽象，怎样将抽象的知识通俗地呈现给学生?
首先给学生阅读一段资料，即一个成年人大约拥有100万亿个细胞，这些细胞都源自一个细胞。
当学生阅读了这段资料后，最大的疑惑是：
人为什么要这么多的细胞，而不能由几个巨大的细胞组成?
答案是因为细胞很小。
紧接着学生又有疑惑了：
细胞为什么这么小?
仅凭学生已有的生物学知识，要解释清楚“细胞的体积只能很小”是不可能的。
教师利用数学建模的方法可以让学生轻松地理解“细胞的体积为什么只能很小”。
第一步，假设细胞为立方体形（便于计算）；第二步，分别设立方体的边长为1cm、2cm、3cm和4cm；第三步，先分别计算每个立方体的表面积和体积，再计算表面积和体积之比。
表面积代表细胞膜的大小，体积代表细胞的大小，将计算结果列表呈现。
当学生看了表中数据后，对“细胞体积只能很小”的原因一目了然：
细胞长大需要通过细胞表面从外界吸收营养物质，表面积越大，吸收的营养物质越多。
随着细胞的长大，其表面积与体积之比却在变小，即表面积增大没有体积增大得快。
当细胞长到一定大时，由于细胞得不到足够的营养物质而无法继续长大。
因此，细胞的体积只能很小。
大学生购买力有限，即决定了要求商品能价廉物美，但更注重的还是在购买过程中对精神文化爱好的追求，满足心理需求。
4 模型建构能力的培养策略
4.1建构模型的一般程序
（1）掌握原理。
掌握模型所代表的知识、过程、规律、机理等，弄清模型的构成要素或包含内容之间的逻辑关系。
（2）明确类型。
明确所构建的模型属于哪种类型，知道该种模型的特点及表现形式。
（3）构建草图（框架）。
选择适当的图形、文字、符号勾勒出草图，或用适当的搭建框架。
基于模型的通适性、典型性，所以在构建时只需要考虑大多数情况即可，一般不考虑极少数情况或特例。
综上所述，DIY手工艺品市场致所以受到认可、欢迎的原因就在于此。
我们认为：
这一市场的消费需求的容量是极大的，具有很大的发展潜力，我们的这一创业项目具有成功的前提。
（4）修饰完善。
对照原理查验所构建的草图（框架），确保其科学性；然后进一步修饰完善模型，力求规范、简洁、直观、有美感；最后构建出正式的模型。
（5）补充诠释。
对一些模型要添加必要的文字说明、示例、图注等，使模型更科学、更清楚、更规范。
在调查中我们注意到大多数同学都比较注重工艺品的价格，点面氛围及服务。
4.2模型建构能力的培养策略
十几年的学校教育让我们大学生掌握了足够的科学文化知识，深韵的文化底子为我们创业奠定了一定的基础。
特别是在大学期间，我们学到的不单单是书本知识，假期的打工经验也帮了大忙。
模型建构能力是在建模思想的指导下，综合建立模型，进行知识或技术创新，最终达到建立模型，完成创新过程的能力。
在进行高中生物教学时，教师可通过模拟实验构建模型、利用模型方法教学、运用模型方法解决问题等方面培养学生的建模能力。
我们女生之所以会钟爱饰品，也许是因为它的新颖，可爱，实惠，时尚，简单等。
的确，手工艺品价格适中。
也许还有更多理由和意义。
那么大学生最喜欢哪种手工艺品呢?
此次调查统计如下图（1-3）
（1）结合建模专题，训练思维模型建构的能力。
高中生物学科以描述性的语言为主，学生不善于运用思维模型建构来解决生物学上的问题，这就要教师在平时的课堂教学中给予提炼总结，并进行思维模型建构。
教师应研究在各个教学章节中可引入哪些模型问题，如讲减数分裂时，MI中期的同源染色体在细胞中央的不同排列方式，在细胞两极出现不同的染色体组合，最终形成几种不同基因组成的配子?
结合排列与组合知识，可解决这个疑难问题。
同样遗传信息的传递与表达过程中，也涉及到碱基的排列与密码子的组合方式。
此外，还可以选择适当的模型建构专题，如“代数法模型建构”、“图解法模型建构”、“直（曲）线拟合法模型建构”，通过讨论、分析和研究，熟悉并理解思维模型建构的一些重要思想，掌握模型建构的基本方法。
同时注意与其他学科的呼应，也是培养学生模型建构方法的一个不可忽视的途径。
通过教师潜移默化地渗透模型建构意识，学生可以从各类模型建构问题中逐步领悟到思维模型建构的广泛应用，提高他们运用知识进行模型建构的能力。
开了连锁店，最大的好处是让别人记住你。
“漂亮女生”一律采用湖蓝底色的装修风格，简洁、时尚、醒目。
“品牌效应”是商家梦寐以求的制胜法宝。
（2）注重建模方法的指导，帮助学生疏通思路。
教师的任务不应是替学生找出各部分知识的现成结构，而是及时组织、引导学生对前面所学知识、规律、方法进行归纳整理，让学生通过自己的理解和加工建构可用的思维模型。
以“生物与环境”为例说明：
①以生态系统为核心，将生态因素、种群和生物群落、生态系统结构“分割”成三个知识块，有序布局；②连接三大知识块相互联系的知识线，自然形成一个生物与环境的知识网；③纵观全局，再现整体。
即通过三大知识块概念之间内在联系构成生物与环境的知识网络。
把这张图有序地储存在头脑中，便形成了生物与环境关系的思维模型。
思考问题时，将问题纳入网络便可迅速检索出所需的知识线、点，做到触类旁通，考虑问题就会融会贯通，全面周到。
标题：
上海发出通知为大学生就业—鼓励自主创业，灵活就业2004年3月17日 （3）完善学生的知识结构，养成建模的习惯。
教师的任务不应是替学生找出各部分知识的现成结构，而是及时组织学生对所学的知识进行归纳整理，让学生通过自己的理解和加工构建出一个个可用的思维结构图。
只有建立系统完整的思维框架体系，对学习的课程进行有效地资源整合，才会使整个教学过程和流程设计更加系统、科学有效。
利用思维建模进行课程的教学设计，会促成师生形成整体的观念和在头脑中创造全景图，进一步加强对所学和所教内容的整体把握，而且可以根据教学过程和需要的实际情况做出具体的合理的调整。
画一幅思维模型好比经历一次头脑风暴，当一个人把自己的想法顺利写出时，想法会变得更加清晰，头脑也会接受新想法。
这些新的想法可能与已有的想法有联系，而且会引发新的意念。
学会制作思维模型，又强化而形成习惯，学生就能自觉地运用，从而取得最大的学习效率。
在适应了思维模型教学的一段时间后，学生学习效果将大大优于传统教学。
如光合作用实验的常用方法可构成思维模型。
思考问题时，将问题纳入思维模型便可迅速检索出所需要的知识线，做到触类旁通，考虑问题就会全面周到。
从而使学生能够从整体上掌握了基本知识结构和各个知识间的关系，在头脑中形成了清晰的概念网络。
通过思维建模能够极大地提高学生理解能力和记忆能力，学生不再被动地去死记知识，而是积极地对关键字进行加工、分析和整理，开发了学生的空间智能，使其主体的积极性得到充分发挥，从而培养和发展其创新思维能力。
（4）通过模拟实验，培养学生建模思维。
在高中生物教学过程中，教师应充分利用模拟实验和构建模型的内容培养学生的建模思维。
如在“制作DNA双螺旋结构模型”这一实验中，教材中介绍的实验材料是硬塑方框、粗铁丝和细铁丝，此外，用球形塑料片代表磷酸，用双层五边形塑料片代表脱氧核糖，用4种不同颜色的长方形塑料片代表4种不同的碱基。
利用课本材料制作DNA分子结构模型的实验，教师还可以让学生自己选择材料制作模型，通过交流讨论，最后展示自己的作品。
通过自己动手构建模型，不仅可以加深对DNA分子的化学组成、化学结构和空间结构的认识和理解，同时可以粗略地领悟到建立DNA分子双螺旋结构模型理论、原则和方法等方面的知识。
再如“细胞增殖”教学过程中，学生学习了植物细胞有丝分裂动态模型后，可利用多媒体出示动植物细胞亚显微结构的模型，回忆它们结构上的差异。
然后引导学生根据植物细胞有丝分裂过程模型推测出动物细胞有丝分裂过程模型。
在细胞分裂过程中染色体和DNA都发生了规律性的变化，要求学生用坐标曲线图表示出染色体和DNA的数学变化，建立有丝分裂过程的数学模型。
教师利用生物模型方法进行教学，让学生置身于探索科学现象、发现科学规律的活动中，在建立模型的过程中，学会观察的方法、归纳与演绎的方法，提高了建模能力。
（5）在问题解决中，提高建模能力。
在生物学问题解决中，人们经常使用模型，通过模型建构，然后根据模型进行推导、计算并做出预测。
如学习了渗透作用原理后，要求学生设计1个模型，来鉴别2种蔗糖溶液的浓度，并贴上标签（已知2种溶液质量分数为30％和10％，由于未贴标签而混淆不清）。
有的学生设计了这样的模型：
将一种蔗糖溶液加入烧杯中，另一种加入透析袋中并在透析袋中插入刻度玻璃管，根据刻度玻璃管液面高度的变化判断蔗糖溶液的浓度。
也有的学生设计了不同的模型：
他们将等量蔗糖溶液分别装入2个透析袋中，透析袋中都插入刻度玻璃管，然后把这两个透析袋放人清水中，再根据两刻度玻璃管液面上升的高度来判断蔗糖溶液的浓度。
利用渗透作用原理建立模型，不仅让学生巩固应用所学的知识，而且提高了建模能力。
课程实施是新一轮课程改革能否取得成功的关键，教师作为新课程的实施者，应该转变观念，重视模型思维和建构模型能力的培养，创造性地使用教材，设计适合学生自主建构模型的教学过程，引导学生主动思考、探索，让学生在模型建构的过程中学习、发展。
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