學(xué)科教育論文-生物學(xué)模型教學(xué)探析.doc

學(xué)科教育論文-生物學(xué)模型教學(xué)探析【內(nèi)容提要】在生物學(xué)課程中，有豐富的模型資源，這為模型教學(xué)提供了基礎(chǔ)素材。在生物學(xué)教學(xué)中提倡運(yùn)用模型教學(xué)，運(yùn)用模型來(lái)探究解決生物學(xué)問(wèn)題。模型教學(xué)強(qiáng)調(diào)模型的構(gòu)建、運(yùn)用、檢驗(yàn)、修正發(fā)展和完善。【摘要題】教法改革【關(guān)鍵詞】模型/模型構(gòu)建/模型教學(xué)【正文】模型是人們解決特定的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)一定的簡(jiǎn)化、抽象，形成新型客體，從而使原型客體的本質(zhì)屬性以物質(zhì)形式或思維形式顯現(xiàn)出來(lái)。這是一種重要的科學(xué)操作和科學(xué)思維的方法。在日常的生物學(xué)教學(xué)中，我們一直在大量地使用模型，但如何有效運(yùn)用這一資源，開(kāi)展模型教學(xué)，以增進(jìn)學(xué)生對(duì)模型的熟悉、對(duì)建模方法的理解，培養(yǎng)他們建模、運(yùn)模的能力？1高中生物學(xué)課程中的模型教學(xué)的資源我國(guó)高中生物學(xué)教科書(shū)提供了豐富的模型資源。例如：客觀實(shí)物的相似模擬（實(shí)物模型）；真實(shí)世界的數(shù)學(xué)抽象（數(shù)學(xué)模型）；思想觀念的文字表述（理論模型）；客觀現(xiàn)實(shí)的形象顯示（圖像模型）等等。通常，生物學(xué)中的模型可分為兩大類(lèi)：物質(zhì)模型和思維模型，每一大類(lèi)又包括若干小類(lèi)。下面結(jié)合高中生物學(xué)模型教學(xué)資源進(jìn)行逐一介紹。1.1物質(zhì)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(shí)候，特別是人的生理現(xiàn)象時(shí)，出于對(duì)人身健康、安全和倫理道德方面的考慮，不便直接對(duì)人體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。因此，科學(xué)家常常用其他與人相似的哺乳類(lèi)動(dòng)物來(lái)代替，如狗、貓、鼠等作為人體模型進(jìn)行研究，從而獲得人體生理學(xué)的有關(guān)知識(shí)。如利用線蟲(chóng)進(jìn)行細(xì)胞凋亡的研究，利用海兔進(jìn)行學(xué)習(xí)記憶的研究；利用果蠅進(jìn)行發(fā)育調(diào)控的研究等，這里線蟲(chóng)、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(xué)模型。在科學(xué)認(rèn)識(shí)活動(dòng)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(shí)物模型進(jìn)行模擬研究。現(xiàn)在，像人體的器官、血液循環(huán)等復(fù)雜的對(duì)象都有了實(shí)物模型。高中生物學(xué)中的細(xì)胞模型、細(xì)胞器模型、生物大分子模型、生物膜模型、動(dòng)（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(xué)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?duì)原型高度抽象化的思想客體或思想事物，它是對(duì)研究對(duì)象的簡(jiǎn)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(yùn)用，是創(chuàng)造思維的結(jié)果。科學(xué)研究離不開(kāi)科學(xué)抽象，簡(jiǎn)化了的理想模型作為科學(xué)抽象的結(jié)果，滲透在生物學(xué)科中。如大腸桿菌的結(jié)構(gòu)模式圖，各類(lèi)細(xì)胞器、細(xì)胞結(jié)構(gòu)的模式圖，各類(lèi)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(xué)反應(yīng)活化能的圖解，自由擴(kuò)散、協(xié)助擴(kuò)散和主動(dòng)運(yùn)輸示意圖，光合作用、有氧呼吸過(guò)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(dòng)物（精子）卵細(xì)胞的形成圖解，DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯的示意圖，噬菌體侵染大腸桿菌的實(shí)驗(yàn)圖解等等。高中教科書(shū)為我們提供了十分豐富的圖像模型。1.2.2數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型是能夠表現(xiàn)和描述真實(shí)世界某些現(xiàn)象、特征和狀況的數(shù)學(xué)系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型能定量地描述生物物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，一個(gè)復(fù)雜的生物學(xué)問(wèn)題借助數(shù)學(xué)模型能轉(zhuǎn)變成一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題，通過(guò)數(shù)學(xué)模型的邏輯推理、求解和運(yùn)算，就能夠獲得客觀事物的有關(guān)結(jié)論，達(dá)到對(duì)生命現(xiàn)象進(jìn)行研究的目的。比如描述生物種群增長(zhǎng)的費(fèi)爾許斯特珀?duì)柗匠蹋湍軌虮容^正確地表示種群增長(zhǎng)的規(guī)律；通過(guò)描述捕食與被捕食兩個(gè)種群相克關(guān)系的洛特卡沃爾泰拉方程，從理論上說(shuō)明：農(nóng)藥的濫用，在毒殺害蟲(chóng)的同時(shí)也殺死了害蟲(chóng)的天敵，從而常常導(dǎo)致害蟲(chóng)更加猖獗地發(fā)生等。還有一類(lèi)更一般的方程類(lèi)型，稱(chēng)為反應(yīng)擴(kuò)散方程的數(shù)學(xué)模型在生物學(xué)中廣為應(yīng)用，它與生理學(xué)、生態(tài)學(xué)、群體遺傳學(xué)、醫(yī)學(xué)中的流行病學(xué)和藥理學(xué)等研究有比較密切的關(guān)系。20世紀(jì)60年代，普里戈任提出著名的耗散結(jié)構(gòu)理論，以新的觀點(diǎn)解釋生命的現(xiàn)象和生物進(jìn)化原理，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)亦與反應(yīng)擴(kuò)散方程有關(guān)。生命現(xiàn)象常常以大量、重復(fù)的形式出現(xiàn)，又受到多種外界環(huán)境和內(nèi)在因素的隨機(jī)干擾。因此概率論和統(tǒng)計(jì)學(xué)是研究生物學(xué)經(jīng)常使用的方法。生物統(tǒng)計(jì)學(xué)是生物數(shù)學(xué)發(fā)展最早的一個(gè)分支，各種統(tǒng)計(jì)分析方法已經(jīng)成為生物學(xué)研究工作和生產(chǎn)實(shí)踐的常規(guī)手段。數(shù)學(xué)模型實(shí)際上就是把實(shí)際問(wèn)題化成一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題，在研究問(wèn)題與某種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)之間建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系。數(shù)學(xué)模型通常以數(shù)學(xué)關(guān)系式的形式表示出來(lái)，并配以曲線圖、表格等形式。如酶促反應(yīng)的反應(yīng)速率、酶活性的變化、孟德?tīng)栯s交實(shí)驗(yàn)的“31”和“9331”等等。1.2.3理論模型理論模型是針對(duì)某個(gè)問(wèn)題，對(duì)已經(jīng)研究的科學(xué)事實(shí)和資料進(jìn)行系統(tǒng)分析、綜合，并提出基本概念。這往往是一種“假說(shuō)演繹體系”，通常表現(xiàn)為一種科學(xué)學(xué)說(shuō)。如細(xì)胞學(xué)說(shuō)；細(xì)胞膜的流動(dòng)鑲嵌學(xué)說(shuō)；酶的作用模型（鑰匙鎖假說(shuō)和誘導(dǎo)契合假說(shuō)）；細(xì)胞衰老假說(shuō)、生物進(jìn)化理論、中心法則等等。近來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)介入模型的建構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了模型由“靜態(tài)”向“動(dòng)態(tài)”的轉(zhuǎn)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(guò)程，利用計(jì)算機(jī)演示生物的進(jìn)化、生命的起源等等。從而使模型更逼近原型客體，更真實(shí)地反映原型客體的本質(zhì)屬性。2如何進(jìn)行模型教學(xué)在教學(xué)中，我們不僅要利用理想模型（文字圖象）、實(shí)物模型、數(shù)學(xué)模型、動(dòng)態(tài)模擬等多種模型構(gòu)建課堂教學(xué)，還應(yīng)從模型的構(gòu)建、發(fā)展與完善來(lái)構(gòu)建課堂教學(xué)，多角度、多層次地促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知圖式的發(fā)展。2.1利用模型進(jìn)行教學(xué)模型可使研究對(duì)象直觀化、簡(jiǎn)約化，使之便于研究；又可以簡(jiǎn)略地描述研究成果，使之便于理解和傳播；還可以用于計(jì)算、推導(dǎo)，延伸觀察和實(shí)驗(yàn)結(jié)論等。因此，應(yīng)充分地利用模型資源，使抽象的客觀具體化，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究。如對(duì)“減數(shù)分裂”內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)時(shí)，教師可運(yùn)用教科書(shū)中的哺乳動(dòng)物精子（卵細(xì)胞）的形成圖解，還可以利用減數(shù)分裂中染色體變化的實(shí)物模型，并配以文字描述等多角度地運(yùn)用各種模型資源，從不同的側(cè)面來(lái)反映減數(shù)分裂的本質(zhì)屬性，使學(xué)生對(duì)減數(shù)分裂這一認(rèn)知圖式構(gòu)建得更完善。有條件的學(xué)校還可以用計(jì)算機(jī)模擬減數(shù)分裂的動(dòng)態(tài)變化，宏觀地層現(xiàn)其微觀的動(dòng)態(tài)過(guò)程，并有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行進(jìn)一步抽象，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型染色體、DNA、姐妹染色單體的變化曲線，促使學(xué)生認(rèn)知圖式的發(fā)展。2.2重視建模的過(guò)程模型教學(xué)不僅僅是模型結(jié)論運(yùn)用的教學(xué)，更應(yīng)是一個(gè)模型建構(gòu)的過(guò)程式教學(xué)。在教學(xué)過(guò)程中，要利用模型的建構(gòu)過(guò)程引導(dǎo)學(xué)生探究，如教科書(shū)對(duì)孟德?tīng)柗蛛x定律的描述，詳盡地層現(xiàn)了“31”這一數(shù)學(xué)模型的建構(gòu)過(guò)程。教師在教學(xué)時(shí)，不應(yīng)僅僅停留在教給學(xué)生“31”的數(shù)學(xué)結(jié)論，而要詳細(xì)地演繹這個(gè)數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)過(guò)程。這是一個(gè)現(xiàn)象假設(shè)（數(shù)學(xué)模型的初步構(gòu)建）實(shí)踐驗(yàn)證結(jié)論（數(shù)學(xué)模型的確立）的過(guò)程。孟德?tīng)栐诜N植豌豆的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)，形成了“31”的數(shù)學(xué)模型，并在理論上進(jìn)行推導(dǎo)，來(lái)解釋這一模型。而后，通過(guò)再次種植豌豆，有目的地檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，最終確立了模型。這是一個(gè)嚴(yán)密的科學(xué)建模過(guò)程。隨著科技進(jìn)步，模型始終處在不斷地“構(gòu)建解構(gòu)建構(gòu)”的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程中。正如同模型的發(fā)展一樣，模型教學(xué)亦應(yīng)是一個(gè)不斷發(fā)展、修正與完善的過(guò)程。使學(xué)生認(rèn)識(shí)到模型是一個(gè)開(kāi)放的動(dòng)態(tài)體系。如在進(jìn)行“生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型”教學(xué)時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生探討該模型的不斷發(fā)展與完善：首先是早期科學(xué)家從生理功能入手進(jìn)行研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，在19世紀(jì)提出了“膜是有脂質(zhì)組成的”這一模型；到20世紀(jì)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)細(xì)胞還含有蛋白