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模型建构在生物学教学中的应用
（东营市胜利第一中学 赵学杰）
摘要：模型方法是人们认识自然界的一种重要方式，也是理论思维发展的重要方式，新《课程标准》将模型方法规定为高中学生必须掌握的科学方法之一。模型可分为概念模型、物理模型和数学模型三种形式，通过建构模型来学习生物学知识，能增强学生的探究能力，培养学生思维品质的灵活性，本文就模型建构在中学生物学教学的应用进行了相关论述。
关键词：模型，模型建构，生物学教学
模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所做的一种简化的描述，这种描述可以是定性的，也可以是定量的；有的借助于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[1]。美国《国家科学教育标准》中认为“模型是与真实物体、单一事件或一类事物对应的而且具有解释力的试探性体系或结构”[2]。
模型的方法是以研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法，是以简化和直观的形式来显示复杂事物或过程的手段。美国《国家科学教育标准》把模型和科学事实、概念、原理、定理及理论并列为科学知识的重点，并将构建、修改、分析、评价模型作为高中学生的基本科学探究能力[2]。我国的《普通高中生物课程标准（实验）》也明确强调学生应“领悟建立模型等科学方法及其在科学研究中的应用”，将模型方法规定为高中学生必须掌握的科学方法之一。
在生物学教学中，如果能在教师的引导下，让学生在一定的情境中通过自己动手，建构相关模型来学习生物学知识，将会非常有利于学生对相关知识的掌握。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，让学生去探索、交流和学习，注重学习过程的主动性和积极性，而学生一旦掌握了模型建构的方法，也就掌握了一种科学研究的方法，这正符合新课改理念。
一、模型建构在生物学教学中的应用
1.建构概念模型，梳理知识间内在关系
概念模型是指以文字表述来抽象概括出事物本质特征的模型[3]，如对真核细胞结构共同特征的文字描述、光合作用模型、细胞呼吸模型以及生态系统结构的表述等。建构概念模型可以使学生深入理解基础知识，辨析知识点之间的联系与区别，使知识结构化，同时有利于培养学生的归纳、概括和语言表述能力。
人教版《遗传与进化》模块中，在《现代生物进化理论的由来》一节，教材借助一个理论模型来介绍达尔文的自然选择学说（见图1）。
图1
该模型展示了过度繁殖、生存斗争、遗传变异和适者生存等自然选择学说核心内容的相互关系，但出于让学生详细了解该学说的目的，该模型的内容相对较多，各观点之间的关系不明朗，不易于学生理解掌握。在讲授该部分内容时，让学生分组讨论，尝试重新建构该学说的理论模型，学生经讨论后建构了一个新的模型（见图2），新模型内容简单，各观点间的相关关系明了，易于掌握。

图2
2. 建构物理模型，使知识形象化、直观化
物理模型是指以实物或图画形式直观地表达认识对象特征的模型[1]，其最显著的特点是形象直观，可以模拟客观事物的某些功能与性质，如蛋白质结构模型、细胞膜结构模型、真核细胞三维结构模型等。建构物理模型可以使研究对象形象化，直观化，使相关知识便于理解。
如人教版《遗传与进化》模块中的《DNA分子的结构》一节，重在引导学生模仿科学家建立DNA结构的模型。在教学中首先由教师引导学生复习DNA分子的组成单位——脱氧核糖核苷酸及其结构组成，然后分发碱基、磷酸和脱氧核糖模型，由学生分组建构4种脱氧核糖核苷酸的模型，随后建构多脱氧核苷酸长链模型，在此过程中教师提示脱氧核苷酸之间靠3ˊ-5ˊ磷酸二酯键连接，并纠正学生的错误。之后教师引导学生阅读教材中P47-P48的阅读材料，知道当时沃森和克里克据DNA衍射图谱推算出DNA分子应呈双螺旋结构，让学生继续建构模型。最后再引导学生从材料中得到“DNA中碱基A与T配对，G与C配对”的信息，让学生修改完成模型[4]。在建构该模型的过程中，使学生能够感悟DNA分子结构建立过程中的科学探索精神和思维方法，同时培养了学生的创新思维能力及合作探究能力。
物理模型既包括静态的结构模型，又包括动态的过程模型，如教材中学生动手建构的减数分裂过程中染色体形态变化的模型，就属于动态的物理模型。
3. 建构数学模型，揭示问题本质
数学模型是指用来描述一个系统或它的性质的数学形式[3]，如有丝分裂过程中DNA含量变化曲线、酶的活性随pH变化而变化的曲线、同一植物不同器官对生长素浓度的反应曲线、孟德尔豌豆杂交实验中9：3：3：1的比例关系等。数学模型建构的一般步骤为：观察研究对象，提出问题→提出合理的假设→根据实验数据，用适当的数学形式对事物的性质进行表达→通过进一步的实验或观察等对模型进行检验或修正[5]。在教学中可以以人教版《稳态与环境》模块《种群数量的变化》一节中“建构种群数量增长的模型”为例，引导学生建构出Nn=2n的数学模型，然后再画出曲线图，在此基础上建构理想状态下“J”型种群增长的数学模型Nt=N0λt[6]，以此锻炼学生建构数学模型的能力。
数学模型有多种形式，如数学等式或不等式（用字母、数字和其他数学符号构成）、曲线图（如图3所示）、数学集合图示、数学比例式（孟德尔杂交试验中的3：1，9：3：3：1，1：1：1：1）等，在教学过程中，可据需要灵活运用。

图3
通过建构数学模型可以对生命现象进行量化，以数量关系描述生命现象，再运用逻辑推理、求解和运算等达到对生命现象进行研究的目的。在建构过程中使学生能从现象中揭示出本质和规律，可以培养学生的分析、推理与综合的能力，便于学生迅速地理解新知识，提高学习效率。
二、模型建构方法在生物学教育中的价值
模型方法是人们认识自然界的一种重要方式，也是理论思维发展的重要方式。科学的本质是科学家通过观察、实验、理论模型和数学模型来构造和检验对自然的解释[2]，因此用模型来描述生命现象，有助于学生从总体上去认识生命的原貌，把握生命的本质特征。
模型的建立过程实际上是一个科学探究的过程，通过建构模型，增强了学生的探究能力，对培养学生思维品质的灵活性、创造性及开发智力和提高解题速度等都十分有益。此外，通过建构模型还可以培养学生严谨的科学态度和科学精神，并能增强其合作意识。
模型的建构改变了传统的教学方式，加强了师生间的互动，充分发挥了学生的主观能动性，在新授课、复习课、习题课中都可以灵活使用，能起到事半功倍的效果。

参考文献：
[1]朱正威，赵占良.必修1《分子与细胞》[M].北京：人民教育出版社，2007:54.
[2]（美）国家研究理事会著，戢守志译.美国国家科学教育标准[M]．北京：科学技术文献出版社，1999：128-215.
[3]赵占良.人教版高中生物课标教材中的科学方法体系[J].中学生物教学，2007（3）：4-7.
[4]安淑荣.探究式教学的模型建构实践——高中生物“DNA分子的结构”教学案例[J].中学生物学，2010（6）:42-43.
[5]朱正威，赵占良.必修3《稳态与环境》[M].北京：人民教育出版社，2007.65.
[6]杨佩娟.生物教学模型的建构与教育价值[J].生物学教学，2006，31（9）：12-14.