基于元建模知识培养的生物学建模教学探索.pdf

基于元建模知识培养的生物学建模教学探索楼柏丹?吕?鑫?哈尔滨师范大学教师教育学院?哈尔滨?摘?要?参照元建模知识的分类?将元建模知识的培养目标转化为需要解答的具体问题?结合建模教学的环节?厘清可以重点培养的元建模知识?开发有针对性的教学策略?并以?孟德尔的豌豆杂交实验?一?的建模活动为例进行解释说明?以期为元建模知识的培养提供教学参考?关键词?元建模知识?建模教学?生物学教学?普通高中生物学课程标准?年版?年修订?简称?高中课标?中明确提出了生命观念?科学思维?科学探究?社会责任四个方面的生物学学科核心素养?在科学思维方面?高中课标指出?学生能够基于生物学事实?利用模型与建模的方法?探讨?阐释生命现象及规律?审视或论证生物学社会议题是科学思维的重要组成部分?建模教学是发展学生模型与建模科学思维的主要途径?开展生物学建模教学需要学生具备两方面知识?一是生物学的学科概念知识?这部分知识可以帮助学生构建具有科学特征的模型?也是教师希望通过建模教学策略使学生学习到的显性内容?二是有关模型和建模的知识?亦称元建模知识?这部分知识一方面可以帮助学生深入理解知识的形成过程?另一方面可以加强对于建模这一重要科学方法的掌握?是学生在建模活动中可以获得的隐性内容?但在教学中常常被忽略?元建模知识培养的目标元建模知识框架由?等人提出并对其内容进行了概括及分类?主要包括模型与建模的本质?模型的评价与修正以及模型的作用与意义?对于中学生物学教学而言?元建模知识的培养目标应该聚焦于建模活动中帮助学生解答以下问题?表?这些问题具有较强的针对性和可操作性?在具体的教学活动中根据课程的实际情况进行选择与设计?可以更好地实现对学生元建模知识的培养?元建模知识培养的环节建模教学包括明确建模目的?选择模型表征方式?构建模型?评价以及修正模型等基本环节?但是?如果?格日乐图?苏亚拉图?哈斯巴根?额济纳野生动物物种多样性及原住蒙古族传统动物学知识和文化?干旱区资源与环境?格日乐图?内蒙古大青山南部湿地鸟类生态学及民族动物学初步研究?呼和浩特?内蒙古师范大学?黄?超?杨京彪?薛达元?达斡尔族传统利用野生生物资源的乡土知识研究?中央民族大学学报?自然科学版?龚济达?成?功?薛达元?等?云南省陇川县景颇族药用动物传统知识现状?云南农业大学学报?自然科学?郭玉红?张庆林?西南山地动物多样性保护的民族文化驱动机制?中央民族大学学报?自然科学版?郭玉红?龙宇晓?胡展耀?贵州山地猪种遗传资源传承保护的民族文化机制?民族动物学研究个案之一?原生态民族文化学刊?郭玉红?张庆林?蛇类食性及其对农林生态系统的影响概述?生物学教学?生物学教学?年?第?卷?第?期?表?元建模知识的培养目标元建模知识类型需要解答的问题模型与建模的本质什么是模型为什么要构建模型模型的评价与修正怎样评价模型的优缺点已经构建好的模型是否可以改变模型的作用与意义模型具有哪些作用运用模型具有什么意义想实现对元建模知识的全面培养?模型的评价与修正是远远不够的?模型的发展和应用也应该是建模教学的重要组成部分?因此?笔者构建了基于元建模知识培养的生物学建模教学环节?如图?所示?在建模的不同环节可以侧重培养不同的元建模知识?明确建模目的与表征方式环节涉及为什么要建模?什么是模型的问题?更适合让学生体会模型与建模的本质?构建以及评价?修正模型的环节需要利用模型评价的标准进行辅助?并且展示了模型是可以变化的?更适合带领学生掌握模型的评价标准与修正方法?模型的发展和应用环节可以体现模型的作用?使用方法以及在真实情境中的应用情况?更适合让学生掌握模型的作用与意义?图?基于元建模知识培养的生物学建模教学环节?元建模知识培养的策略?明确建模的目的与表征方式?体会模型与建模的本质?明确建模目的与选择表征方式是建模教学的起始环节?完成这一过程可以帮助学生了解模型与建模的本质?模型与建模的本质即解答?什么是模型?与?为什么要建模?的问题?明确建模的目的就是要回答?为什么要建模?明确表征方式就是选择与原型具有相同特征的模型对原型进行解释和抽象?也就是回答?什么是模型?想要帮助学生在明确建模目的与表征方式的过程中体会模型与建模的本质?最重要的是在真实情境中给学生一个去构建模型的?理由?但是?理由?若是由教师为主体提出的?我们来观察一个模型?或是?我们应该做一个模型?等具体要求?对学生的元建模知识发展是无意义的?教师应该做的是在建模教学开始时通过设计情境引导学生主动产生建模?倾向?实现这一目的要进行两步工作?第一步是通过学情分析了解学生现有的知识经验?其中既包括生物学概念?又包括元建模知识?随后?根据知识经验挖掘出学生在接受新知识时可能会出现的问题?第二步是根据挖掘出的问题?找寻丰富的生物学事实资料?利用资料搭建出适合建模的情境?引导学生用模型解答相关问题?例如?在进行?孟德尔的豌豆杂交实验?一?的建模活动前?通过学情分析可以确定学生现有的知识经验及在学习新课时可能产生的问题?生物学概念方面?在初中生物学学习中学生已经掌握了?性状?的概念?了解到性状会在亲子代间传递?但是?对于传递规律是什么?又是如何传递的并不了解?元建模知识方面?曾经参与过建模学习?经历过建模过程?具有一定的建模经验?对模型与建模有着初步的认识?具有建模的潜力?但是?难以主动利用建模解决问题?结合以上信息?为了引导学生利用建模解决问题?选择资料情况见表?表?孟德尔的豌豆杂交实验?一?建模教学资料选择资料内容选择原因?达尔文融合遗传观点?孟德尔一对性状的豌豆杂交实验的子代性状表现?孟德尔提出的遗传物质是独立可分离的?遗传因子?材料?中达尔文的融合遗传符合目前学生现有知识经验中朴素的遗传学观点?又可以与材料?中孟德尔的实验现象进行对比?形成认知冲突进而产生需要解决的问题?遗传物质在亲子代间的传递规律?即建模目的?但是?遗传物质微小且不可观测?运用什么研究方法是需要考虑的问题?经历这一过程?学生在教学结束后就可以说出为什么要建模?遗传物质的变化过程不可见?并且具有规律?模型可以帮助看到变化?材料?的引入可以暗示学生利用构建模型的方法解决问题?遗传因子?独立?可分离?具有明显的建模特征?可以引导学生产生建模?倾向?学生根据建模经验?会尝试寻找生活中具有相似结构特征的物品?黑白颜色的小球等?以作为表征?遗传因子?的模型用于解决问题?即明确了模型的表征方式?经历这一过程?学生可以深化对于?什么是模型?的认识?模型是事物的表征?与原型具有相似特征?模型与遗传因子均不融合?独立并且可分离?基本属性?在传递时的变化一致?行为特征?生物学教学?年?第?卷?第?期?经历模型的评价与修正?掌握评价标准与修正方法?构建模型并对构建好的模型进行评价?修正是建模教学的中心环节?完成这一过程可以帮助建模者熟悉模型的评价与修正知识?模型的评价与修正知识即解答?怎样评价模型的优缺点?与?已经构建好的模型是否可以改变?的问题?对构建好的模型进行评价?就是了解模型评价的标准进而回答?模型优缺点?的过程?对评价后的模型进行修正?就是在实践中展示?构建好的模型可以改变?的过程?想要实现对学生模型的评价与修正知识的培养?最重要的是帮助学生在模型的评价与修正环节正确认识建模活动的两种特性?动态?循环往复性以及发展性?动态?循环往复性是指在初步确立模型的基本情况后?需要基于一定的标准对所构建的模型进行评价?主要在于判断模型是否具有足够的证据支撑?是否可以准确表征事物的特征等?当模型任何一个方面的评价结果为否定时?就需要对模型进行修正并重新评价?使得整个建模过程表现出?评价?修正?评价?循环往复的特点?发展性是指模型的线性发展过程?主要表现为模型是不断发展变化的?当科学发展和人们的观点发生变化时?模型就会发生改变以适应新的情境?结合建模活动的两点特性可以发现?支撑模型的证据的不断更新是模型需要不断变化和发展的直接原因?想要在教学中体现这一过程?传统的直接指向最终目标的线性建模教学是行不通的?为了更好地帮助学生感受模型在随着证据的增添而循环和发展的变化过程?教师在教学设计阶段?可以将建模教学所要达成的最终目标?分割成若干个需要逐步实现的小目标?并且?不要将全部证据同时呈现给学生?而是将其依照小目标的顺序分割成一个个片段?在实现每一个小目标后?呈现新证据片段?并引导学生结合证据对已经构建好的模型进行评价?再根据新证据搭建新模型进而实现新的目标?每个小目标又表现出不断向前发展的趋势?直至指向最终的建模目标?图?图?基于元建模知识培养的模型评价与修正教学流程例如?在?孟德尔的豌豆杂交实验?一?的建模活动中?构建模型的最终目标为?构建遗传规律模型?这一最终目标可以分割为以下几个小目标?构建遗传因子模型?构建可以用于解释豌豆子一代出现高茎性状的模型?构建可以用于解释豌豆子二代矮茎性状重新出现的模型?构建可以用于解释豌豆子二代?性状分离比的模型?在每次实现小目标后教师给予学生新的证据?以帮助学生对已经搭建好的模型进行评价与修正进而实现新的目标?最终构建出遗传规律模型?图?模型特征?黑球代表显性性状遗传因子?白球代表隐性性状遗传因子?每个生物体内具有成对存在的图?孟德尔的豌豆杂交实验?一?的模型评价与修正流程?生物学教学?年?第?卷?第?期小球?在传递时?成对的小球先分离?其中一个传递给子代?来自不同生物体的小球在结合时是随机的?学生在经历了反复的?评价?修正?评价?模型?逐步实现小目标并达成最终建模目标过程后?一方面了解到模型的评价标准?即怎样评价模型的优缺点?重点在于看模型是否具有足够的证据支撑?生物学事实?是否可以清晰地表征所要表达的内容?遗传因子的行为特征?等?同时?通过感受模型随着证据量的增加不断循环修正变化的过程?可以解答已经建构好的模型是否可以改变的问题?可变?并且随着证据量的增加?模型会不断地处于发展和完善的过程中?实践模型的发展与应用?感受模型的作用与意义?模型的发展与应用是建模教学的必要拓展?发展?与模型的?发展性?不同?此时的发展是模型用途层面的延伸?即通过适当的调整以使模型适应新的问题情境?应用?则是利用模型解决问题或预测现象的过程?模型的发展与应用过程可以帮助建模者了解模型的作用与意义?即解答?模型具有哪些作用?运用模型具有什么意义?的问题?对模型的发展与应用提出了?分析?和?调度?两个角度的实施方案?分析?即利用模型求得问题的答案?并给予解释和证明?调度?即应用已经构建好的模型去解答新情境中出现的问题?想要将模型的?分析?与?调度?过程在教学中呈现?教师便要关注建模活动外的新情境?引导学生将已有模型进行创新应用?以体会模型的作用与意义?例如?在进行?孟德尔的豌豆杂交实验?一?的建模活动后?可以用以下问题引导学生对搭建好的遗传规律模型进行发展与应用?情境?模型分析?如果将子一代的高茎豌豆与子二代的矮茎豌豆进行杂交?产生的子代会表现出什么性状?比例关系如何?借助构建好的遗传规律模型?可以推测出子一代高茎豌豆的遗传因子组成为?子二代矮茎豌豆的遗传因子组成为?根据模型特征可以针对问题搭建以下模型?图?进行解答?最终?分析出子代性状为高茎和矮茎?比例为?图?学生搭建的模型情境?模型调度?讲述单双眼皮性状的显隐性特点?并提出问题?你是单眼皮还是双眼皮?能否利用遗传规律模型推测你父母的眼皮性状?学生利用搭建好的遗传规律模型?表征自己的眼皮性状?再按照眼皮性状的显隐性特点?利用模型推测父母的眼皮性状?解决现实情境中的问题?进一步延伸了模型的意义?在经历模型的?分析?与?调度?的过程后?学生可以回答模型的作用与意义的问题?模型既可以解答情境中的其他问题?模型分析?又可以迁移至其他情境中解决问题?模型调度?可以描述难以观测的事物和现象?遗传因子?可以解释事物发生的原理和机理?遗传规律?可以预测事物的发展?子代表现?等?总结与反思将不同类型的元建模知识分配到不同的建模活动阶段中进行培养?其好处在于每一个阶段的培养目标是固定的?所需要进行的实施方案也是固定的?对学生元建模知识的培养具有针对性?培养效果更好?但是?元建模知识之间并非是彼此孤立的?而是联系紧密的整体?教师在进行基于元建模知识培养的建模教学时?不仅要对各个环节进行针对性设计?更要有意识地对不同元建模知识进行联系?例如?模型的评价与修正以及模型的作用与意义离不开?为什么要建模?这一模型与建模本质的问题?什么是模型?也需要在建模活动的整体过程中产生更清晰的理解等?因此?根据不同的教学实际情况进行灵活的调整?学生才能理解元建模知识的全貌?进而形成完整的模型与建模的科学思维?基金项目?哈尔滨师范大学高等教育教学改革研究项目?全日制教育硕士?三阶段一体化?反思型实践教学模式探索?哈尔滨师范大学硕士研究生创新项目?高中生物学建模教学创新实践?主要参考文献?中华人民共和国教育部?普通高中生物学课程标准?年版?年修订?北京?人民教育出版社?张?晋?毕华林?模型建构与建模教学的理论分析?化学教育?中英文?赵萍萍?刘恩山?模型和建模知识研究?兼议其对教师建模教学培训的启示?教育导刊?生物学教学?年?第?卷?第?期