关于高中生物教学中模型建构活动教学的指导.doc

关于高中生物教学中模型建构活动教学的指导
合肥九中 王艳艳

在现代生命科学研究中，模型和模型方法起着越来越突出的作用。学会建立合理的模型并运用相关的模型方法进行科学研究，已成为高中生必备的科学素养。为了适应不断发展的现代科学教育的要求，教育部2003年颁布的《普通高中生物课程标准（实验）》课程设计思路中明确提出：帮助学生“领悟假说演绎、建立模型等科学方法及其在科学研究中的应用”，“领悟系统分析、建立数学模型等科学方法及其在科学研究中的应用”，将获得生物学模型的基本知识作为课程目标之一，并在内容标准或活动建议部分做了具体的规定。高中生物学课程中的模型建构活动，其主要价值是让学生通过尝试建立模型，体验建立模型中的思维过程，领悟模型方法，并获得或巩固有关生物学概念。模型建构活动的有效进行将有利于学生理解模型方法在科学研究中的重要作用，并学会适当应用这一重要方法；有利于培养学生的探究能力和创新能力；有利于培养学生的科学精神。从而提高每个高中学生的生物科学素养。
高中生物必修部分中的八个模型建构活动（见下表）
所属模块
模型建构活动名称
模型种类
分子与细胞
尝试制作真核细胞的三维结构模型
物理模型
生物膜的流动镶嵌模型
物理模型、概念模型
遗传与进化
建立减数分裂中染色体变化的模型
物理模型
制作DNA双螺旋结构模型
物理模型、概念模型
用数学方法讨论基因频率的变化
数学模型
稳态与环境
建立血糖调节的模型
物理模型、概念模型
建构种群数量增长的模型
数学模型
设计并制作生态瓶
物理模型、概念模型

这八个模型建构活动涵盖了物理模型、数学模型和概念模型。其中，物理模型就是以实物或图画形式直观地表达认识对象的形态结构或三维结构。数学模型,就是用字母、数字及其它数学符号建立起来的等式或不等式以及图表、图像、框图等描述客观实物的特征及其内在联系的数学形式。概念模型就是以图示、文字、符号等组成的流程图形式对事物的生命活动规律、机理进行进行描述、阐明。
但是不管是建立哪一种模型其主要价值都是帮助学生并获得或巩固有关生物学核心概念。所以有些物理模型、数学模型建立的过程也是概念模型建立的过程，模型构建过程中有交汇点，无需明确地分辨。
一、建立模型的一般程序：
原型分析→模型准备→模型假设→建立模型→模型检验→模型运用

二、模型建构活动的教学组织策略
1、构建概念模型的教学组织策略
概念是人们对事物本质属性的概括和总结，生物学概念是人们对生物及其生理现象本质属性的认识。概念模型是对认识对象系统的一种简化的定性描述，用于表示系统组成和相互关系，并以图示、文字、符号等组成的流程图形式对事物的生命活动规律、机理进行进行描述、阐明。概念模型的构建可以使知识结构化、系统化，不仅能高效反映知识之间纵横交错的复杂关系，而且也使“ 看不见、摸不着” 的思维过程可视化，有利于学生的知识迁移，极大地提高了学生的理解能力和记忆能力，从而将对知识的认识提到了一个新的高度，还可以体现构建者的科学思维过程。课题组通过三个案例对概念模型的建构进行了研究后，教学组织策略总结如下：
①确立原型，明确核心概念: 要构建一个概念模型,首先要确立原型，可以通过复习与原型相关的已学知识或是提供新的问题情境或是提供与原型相关资料等方式引入原型，并确订与概念模型构建密切相关的原型的核心概念。
②对原型进行分析，整理与核心概念相关的名词或概念:引导学生熟悉所构建对象的规律、原理及其内在联系，选择好最能反映规律、原理、环节的关键词或核心词，或通过物理模拟活动对所构建对象的显著特征、过程要点、变化规律进行简化、模式和形象化处理，以便突出构建对象的显著特征，罗列出与其显著特征最为密切的关键词或核心词，反复推敲关键词或核心词之间的相互关系以及与核心概念之间的关系。
③初步建立概念模型：按照一定的原则整理好各关键词、核心词之间的关系,确定是从属关系还是并列关系或是别的关系后，对这些关键词进行排序，从最一般、最概括的概念到最特殊、最具体的概念依次排序，初步安排好概念的布局后,将概念之间用箭头或是直线连接，连接一般是相邻层级概念间的连接, 也可建立交叉连接, 需要时可在上下侧、左右侧添加连接。建立连接后, 针对两个概念间的意义关系认真提炼出连接词, 连接词必须是最概括、最简短的词语或“+”、“一”等符号, 最后标注在连线旁边，使图示表达清晰。最后要注意图示位置的布局,力求图示、文字、符号组合的合理、协调、美观；
④评价并完善模型：课堂上让 2—3 位学生展示自己设计并建构的概念模型，其他学生共同评价，然后教师进行总评。也可让学生自己利用初步建起来的概念模型,对原型进行回顾、梳理，如发现存在错误、疏漏之处，则进而进行完善。往往再进一步深刻反思，会激发出更好的思路和创意，有可能对构建起的概念模型作很大的改动或重新构建。
⑤模型应用：利用构建概念图解决与原型相关的实际问题。
概念模型的建构不仅有助于学生对知识的梳理和知识体系的建立，而且可有效地发展新课标所倡导的学生自主探究、合作与批判、反思与创新等能力。需要指出的是，概念模型是高度抽象的模型，在研究时，一开始可能很难把其中的要素全部抽取出来，需要经过反复的研究和思考才能得到合理的模型。教师在最初的组织教学中不要怕耽误上课时间，要有足够的耐心引导学生进行分析，教会学生如何提取有用概念，如何概括概念间的相互关系，即教会学生构建概念模型的方法。实际教学中会发现，经过一段时间的引导，学生构建概念模型的速度和质量会明显提高。
2、构建物理模型的教学组织策略
物理模型就是以实物或图画形式直观地表达认识对象特征的模型，包含静态物理模型和动态物理模型，如“尝试制作真核细胞的三维结构模型”、“ 制作DNA双螺旋结构模型”属于静态的物理模型，而“建立减数分裂中染色体变化的模型”、“建立血糖调节的模型”,可以看作构建动态的物理模型,值得指出的是物理模型的构建往往和概念模型的构建是分不开的，在构建的物理模型基础上都可以进一步构建抽象的图解式概念模型。课题组对物理模型的教学组织策略总结如下：
①根据目标和已知条件确定原型和模型：原型确定好后，首先需要建构的模型属于哪一类,是实物模型还是图画模型，其次确定模型的规格。
②原型知识的复习：由于高中生物学课程中的物理模型建构活动，主要是对已知的概念进行具体化，建立物理模型的主要目的是再现难以直接观察到的结构或抽象知识，加深对相关知识点的认识和理解，并体验具体化的模型的作用。所以在模型构建前，需要引导学生复习已知的概念，对未知的概念，可以通过科学史的引入或具体的实际操作先将微观、肉眼难以直接观察的结构或过程简化、形象化，在此基础上抽象出该过程的关键特点，从而为模型建构活动奠定知识基础，因为一个成功的物理模型，科学性和准确性应是第一位的。
③合理选材:不同模型的材料的选择有差别，可以由教师根据教学经验选择准备，但最好是在教师的指导下由学生自己准备，因为材料的选择、准备过程其实也是原型进行深入理解的过程，学生可以在理解的基础上充分发挥他们的想象力和创造力，他们可以比较各种材料最终从中选出合适的材料。但不管是哪一种方式，都应该注意选择的材料要保证安全性和可操作性，价廉物美更好。
④细化操作方案: 教师可通过相关问题引导学生思考讨论，模型设计方案中的细节,比如说各结构的比例大小，各个结构之间该如何进行有效连接，怎样安排各结构的位置才最科学准确等等。教师适当的引导能使学生在对模型进行构思时，把握由整体到局部，再由局部到整体的原则，从而使模型方案的设计制作过程有条理。
⑤分工合作制作模型:小组成员进行具体分工，分别制作模型所需具备的各部分配件，并将它们有机完美地整合在一起，同时拆卸起来要方便。
⑥检验并完善模型：班级中每两个小组间根据评分表进行小组之间模型的互评、修改，并进一步完善模型。如时间充裕，可以进行模型的班级展示或年级展示。
物理模型是最接近原型的一类模型，所以教师在指导学生进行建构时要尽可能地关注它的真实性以及科学性，一定要设法将研究对象的本质要旨客观地反映出来。模型建构在选材时可鼓励学生进行废弃物的再利用，或是选择一些成本低廉的材料，总之以最少投入换取最好效果，培养学生节约和环保的意识。在此基础上可兼顾模型的艺术性，将模型修饰得更加美观。
3、构建数学模型的教学组织策略
数学模型，就是用字母、数字及其它数学符号建立起来的等式或不等式以及图表、图像、框图等描述客观实物的特征及其内在联系的数学形式。在教学中，可以循着现象→本质→现象，或者具体→抽象→具体的思路，通过分析问题→探究数学规律→解决实际问题→建构数学模型的方法，让学生体验由具体到抽象的思维转化过程。具体教学组织策略如下：
①准备阶段:教师要为学生提供相关问题情境，也可以是相关实验现象或观察和实验得出的规律，引导学生观察分析所要研究的对象，讨论影响研究对象的因素，提出疑惑，形成问题。观察研究对象是为了发现问题，探索规律，而生命现象和规律往往不是数学化的，这就需要善于从具体现象中抓住其数学本质。这是建立数学模型的基础。
②做出假设阶段：影响研究对象的因素有很多，如果综合考虑这些因素必然使研究工作变得复杂，很难找到一个清晰的规律，这时候教师需要引导学生明确，要想变复杂为简单，就要合理的简化一些条件，即建立一种假设的情景，这样才能使问题简单化，容易获得相关规律。提出合理的假设是数学模型成立的前提条件，假设不同，所建立的数学模型也不相同。
③分析数据，建立模型阶段：引导学生在提出的假设成立的基础上，分析相关数据，运用数学语言表达研究对象的性质，即构建数学模型，表达形式可以是数学方程式也可以是曲线图。可以让学生辨析两种表达形式各自的优劣。需要指出的是，当呈现为某种数学模型时，教师一定要让学生认识到数学模型所蕴涵的生物学意义，要避免离开生物学讨论数学的倾向。
④对模型进行检验和修正阶段：这在科学研究中是必不可少的步骤。在特定的假设条件下，构建的数学模型往往是比较简单的，而生物学中大量现象与规律是极为复杂的，存在着许多不确定因素和例外的现象，需要通过大量的多次实验或观察，对模型进行检验和修正。
数学模型是联系实际问题与数学的桥梁，具有解释、判断、预测等重要功能。在科学研究中，数学模型是发现问题、解决问题和探索新规律的有效途径之一。引导学生建构数学模型，有利于培养学生透过现象揭示本质的洞察能力；同时，通过科学与数学的整合，有利于培养学生简约、严密的思维品质。构建数学模型与其他几类模型有一些区别，其中最主要的区别是，在建立模型的过程中需要分析数据，并把数据进行归纳和整理，这就要求我们必须能够运用数学思维来解决生物问题，在这个过程中,并不是把模型构建当作数学题来做，而是要分析条件之间的关系，数据有哪些以及数据的变化有什么规律。
三、有效组织和评价是开展模型建构活动的保障
1、模型建构活动前的评价：可以从学生对相关知识的预习情况、建构模型所需材料的准备情况等方面进行评价。
2、模型建构活动中的评价:在课堂构建模型的过程中，教师要注意观察各小组的情况，学生的参与、围绕问题的议论和争辩的积极性、提出自己的见解、疑问、表述自己的观点等应是教师评价的关注点。如果活动小组提出了有探究价值的问题，解决了其他小组有疑惑的问题，设计了较完善的模型构建方案，构建出了有创意的模型，提出了有批判性的建议，甚至小组成员间进行了很好的分工合作等都可以给予适时地表扬。
3、模型建构活动后的评价: 教师要客观公正地给活动小组集体成果—模型进行打分，评等级，教师可以事先设计好评价表，针对模型的科学性、准确性、美观性和实用性等方面进行打分评比。评比人员除了教师外，可以组织部分学生参与，充分发挥学生的主观能动性，而且可能会带来新的视角。评比结果应予以公示，另外可颁发奖状，有条件的话适当颁发奖品。还可建议学校将评比结果纳入综合素质评价中，或将模型建构的学习情况作为学业的一部分折算计入学科成绩中。
通过模型建构教学可以提高学生对生物学科的学习兴趣和多方面能力如逻辑思维能力、认知能力、科学研究能力，促进了学生的想象力和创造力的发展，
培养了学生的科学精神，并且促进了学生对知识的掌握，有利于成绩的提高，所以我们一线的教师应尽量创造条件积极开展模型建构的教学。

5