生物模型建構(gòu)教學(xué)案例

1、生物模型建構(gòu)教學(xué)案例鄱陽一中 朱開明高中生物課程標準指出：“提高每個高中學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)是本課程標準實施中的核心任務(wù)?！?新課程標準對我國的普通中學(xué)生物學(xué)教育確立了許多現(xiàn)代化的教學(xué)目標。由于模型和模型方法在現(xiàn)代生命科學(xué)中起著越來越大的作用，是現(xiàn)代高中學(xué)生必須了解和應(yīng)用的重要的科學(xué)方法，它不僅對學(xué)生學(xué)習(xí)生物科學(xué)有幫助，而且還有助于學(xué)生將來進行科學(xué)研究、走入社會參加工作，更好地解決生活和工作中的問題。另一方面，這種科學(xué)方法的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，不僅有利于學(xué)生形成系統(tǒng)的科學(xué)認知觀，同時還強化了與其他學(xué)科，如數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等學(xué)科的內(nèi)在聯(lián)系。因此，新課標依據(jù)國際科學(xué)教育的發(fā)展，將模型和模型方法列入了課程目標

2、之一。一、 關(guān)于模型和模型方法20世紀30年代，貝塔朗菲在提出機體系統(tǒng)論概念的同時，主張用數(shù)學(xué)和模型方法研究生命現(xiàn)象。（一） 模型的內(nèi)涵與分類所謂“模型”，就是模擬所要研究事物原型的結(jié)構(gòu)形態(tài)或運動形態(tài)，是事物原型的某個表征和體現(xiàn)，同時又是事物原型的抽象和概括。它不再包括原型的全部特征，但能描述原型的本質(zhì)特征。模型一般可分為物理模型和數(shù)學(xué)模型兩大類。物理模型就是根據(jù)相似原理，把真實事物按比例大小放大或縮小制成的模型，其狀態(tài)變量和原事物基本相同，可以模擬客觀事物的某些功能和性質(zhì)。物理模型可分為物質(zhì)模型和思想模型。生物學(xué)中物質(zhì)模型有實物模型和模擬模型，如生物體結(jié)構(gòu)的模式標本；而細胞結(jié)構(gòu)模式圖、減數(shù)分

3、裂圖解等則屬于模擬模型。思想模型是事物在人們思想中的理想化反映，是物質(zhì)模型在思維中的延伸。根據(jù)構(gòu)建模型的思想方法的不同，又可以分為兩類：一類是以形象化方法(或稱為意象思維方法）構(gòu)建的具象模型，它是人們在思維中通過對生物原型的簡化和純化而構(gòu)思出來的，具象模型具有一定的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征。如分子雙螺旋結(jié)構(gòu)、生物膜液態(tài)鑲嵌模型等。它能使研究對象直觀化，既可以促進研究，又可以簡略描述研究成果，使之便于理解和傳播。另一類是以理想化方法(或稱抽象思維方法)構(gòu)建的模型，是人們抽象出生物原型某方面的本質(zhì)屬性而構(gòu)思出來的，例如，呼吸作用過程圖解、光合作用過程圖解等過程理想模型，食物鏈和食物網(wǎng)等系統(tǒng)理想模型。實物模型模

4、型物理模型物質(zhì)模型模擬模型思想模型數(shù)學(xué)模型具象模型理想模型靜態(tài)模型動態(tài)模型數(shù)學(xué)模型就是對于一個特定的事物為了一個特定目標，根據(jù)特有的內(nèi)在規(guī)律，做出一些必要的簡化假設(shè)，運用適當?shù)臄?shù)學(xué)工具，得到的一個數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)可以是數(shù)學(xué)公式，算法、表格、圖示等。如果其變量中不含時間因素，則為靜態(tài)模型；如與時間有關(guān)，則為動態(tài)模型。不論是物理模型還是數(shù)學(xué)模型，都能夠使研究對象直觀化和簡化，同時還可以簡略描述研究成果，使之便于理解和傳播。生物學(xué)是研究自然界中生命運動最基本、最普遍的規(guī)律以及生物體的結(jié)構(gòu)，自然界生物種類繁多、運動錯綜復(fù)雜，幾乎每個具體的問題都要涉及到許多因素。通過建構(gòu)模型能夠排除非本質(zhì)因素的干擾，

5、舍棄次要因素和無關(guān)因素，突出反映事物的本質(zhì)特征，從而使生命現(xiàn)象或過程得到簡化、純化和理想化，因此，在生物課堂教學(xué)中適當利用模型往往能夠達到事半功倍的教學(xué)效果。（二）模型方法模型方法是通過構(gòu)建模型來研究、揭示原型的形態(tài)、特征和本質(zhì)的方法，是邏輯方法的一種特有形式。在現(xiàn)代生物科學(xué)研究中，模型方法被廣泛運用，其中DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的成功就是一個范例。在生物科學(xué)學(xué)習(xí)中，模型提供觀念和印象。認知心理學(xué)認為，人的知識經(jīng)驗既包括概念系統(tǒng)，又包括表象，前者有概念、原理、規(guī)律、理論。后者的成分包含觀念和印象。當代不少學(xué)者都主張把表象看作是一種符號要素，與語言等其他符號要素一樣具有抽象、概括、組合和再組合的功能

6、，因而能構(gòu)成思維的操作，所以模型提供的觀念和印象，不僅是學(xué)生進一步獲取系統(tǒng)知識的條件，而且是學(xué)生認知結(jié)構(gòu)的組成部分。正因為如此，美國國家科學(xué)教育標準把模型和科學(xué)事實、概念、原理、理論并列為科學(xué)主題的重點，并將構(gòu)建、修改、分析、評價模型作為高中學(xué)生的基本科學(xué)探究能力。我國的新課程標準也非常重視模型和模型方法。二、新課標教材（人教版）有關(guān)模型建構(gòu)的內(nèi)容新課程標準確定的能力目標包括操作技能、信息能力和科學(xué)探究能力三個方面，尤為重視科學(xué)探究能力的培養(yǎng)。領(lǐng)悟和運用科學(xué)方法，對于發(fā)展科學(xué)探究能力至關(guān)重要。教材上有關(guān)模型建構(gòu)的活動能有效地驅(qū)動學(xué)生針對現(xiàn)實的事物或現(xiàn)象提出問題的活動；驅(qū)動學(xué)生積極主動地進行觀察

7、和實驗等收集事實證據(jù)的活動；驅(qū)動學(xué)生提出和求證假說以及做出解釋等積極構(gòu)建知識的活動；通過交流甚至辯論，使學(xué)生得以評判自己和他人的解釋，不僅能拓展自己對知識的理解，而且提高質(zhì)疑、推理和批判性地思考科學(xué)現(xiàn)象的能力。整個新課標教材（人教版）共安排了4個模型建構(gòu)的內(nèi)容，具體如下：所屬模塊所屬章節(jié)模型建構(gòu)內(nèi)容分子與細胞第三章第三節(jié)嘗試制作真核細胞的三維結(jié)構(gòu)模型遺傳與變異第二章第一節(jié)模擬減數(shù)分裂過程中染色體的變化遺傳與變異第三章第二節(jié)制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型穩(wěn)態(tài)與環(huán)境第二章第二節(jié)建立血糖調(diào)節(jié)的模型內(nèi)容雖然不多，但是如果具體教學(xué)中模型建構(gòu)過程切實得以落實，學(xué)生在老師的引導(dǎo)下通過真正的“做”科學(xué)的過程，既能學(xué)

8、到知識內(nèi)容，又能掌握更深入地運用和探究生物學(xué)知識所必需的思維方法，使探究能力得以提高，同時形成正確的對待科學(xué)問題的觀點和態(tài)度。另外，在教材中雖然沒有明確說明是模型建構(gòu)，但卻必須運用模型和模型的方法解決問題的內(nèi)容其實還有很多。例如，“穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”模塊中第五章第四節(jié)安排的制作活動建議：“設(shè)計并制作生態(tài)缸，觀察其穩(wěn)定性”，就是運用模型的探究活動，要求學(xué)生制作的是一個活體物理模擬模型。運用這個模型進行的是對生態(tài)系統(tǒng)運行的模擬實驗。該制作活動一方面需要對生態(tài)缸的組成成分、結(jié)構(gòu)、環(huán)境、性能等作分析，另一方面需要對系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)流動狀態(tài)及其調(diào)控作分析，這對學(xué)生深入理解生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循

9、環(huán)和能量流動的基本規(guī)律及其應(yīng)用、生態(tài)系統(tǒng)中的信息傳遞、生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性等等，具有重要的教學(xué)價值。 三、運用模型方法進行中學(xué)生物教學(xué)模型給人們一種認識事物的思路、角度和方法。在現(xiàn)代生物科學(xué)研究中，模型方法被廣泛運用。新課標提出“要讓學(xué)生領(lǐng)悟生物科學(xué)理論或模型的科學(xué)美”。在生物科學(xué)學(xué)習(xí)中，模型提供觀念和印象，是非常吸引學(xué)生的生動的感性材料，是學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的重要組成部分。要有效進行一個模型建構(gòu)，教師應(yīng)該只是提供一定的指導(dǎo)，由學(xué)生自己動手動腦進行模型建構(gòu)。以下通過遺傳與變異模塊中第二章的“減數(shù)分裂”一節(jié)（兩個課時）的教學(xué)，嘗試在課堂教學(xué)中運用模型和模型的方法，通過學(xué)生的動手操作，產(chǎn)生深刻的感性認識，由

10、物理模型上升為抽象的數(shù)學(xué)模型，幫助學(xué)生對減數(shù)分裂本質(zhì)的認識。（一）運用模型方法進行概念教學(xué)對于概念的學(xué)習(xí)，模型建構(gòu)是最直接最有效的教學(xué)途徑之一。在生物課堂教學(xué)中，學(xué)生對概念的掌握往往是一個逐步深入和提高的過程，一般都是由現(xiàn)象到本質(zhì)，由簡單到復(fù)雜，由具體到抽象的完善過程。模型和模型的方法有利于學(xué)生加強感性認識，使知識概念經(jīng)驗化，直觀化，有助于學(xué)生記憶和理解?！纠?】“聯(lián)會、同源染色體”的概念學(xué)習(xí)為了幫助學(xué)生比較和掌握同源染色體、聯(lián)會概念的區(qū)別與聯(lián)系，教師沒有直接告訴學(xué)生這些概念的區(qū)別，而是在黑板上用不同顏色的筆繪出減數(shù)分裂中染色體行為變化（教師實際上是做模型構(gòu)建的示范），就概念的生成展開了下面的

11、一系列對話：教師：在老師所畫的圖中，讓長度相同、顏色不同的兩條染色體配對代表什么？學(xué)生：聯(lián)會。教師：我們下面要學(xué)習(xí)的一個概念是“同源染色體”，按照對字面的理解，你認為該怎么定義呢？學(xué)生：來源相同的染色體。教師：既然來源相同，那為什么配對的染色體要用兩種顏色表示呢？（學(xué)生思考、討論）學(xué)生：同源染色體不是指來源相同的染色體，而是指在減數(shù)分裂過程中配對聯(lián)會的兩條大小和形狀相同的染色體，兩種顏色分別代表一條來自父方，一條來自母方。教師：大家對這樣的定義有沒有不同意見？教師：配對的兩條染色體大小和形狀是不是絕對相同呢？是不是只有進行減數(shù)分裂的細胞在聯(lián)會配對之后才出現(xiàn)同源染色體呢？（教師演示受精作用課件、

12、動畫模擬精卵的結(jié)合過程以及受精卵中染色體組成，學(xué)生觀察分析）教師：受精卵中的染色體來源、形狀和大小有什么特點？學(xué)生：受精卵中的染色體一半來自父方、一半來自母方，形狀和大小一般相同。教師：那么，受精卵中的染色體是不是同源染色體呢？如果是的話，同源染色體概念的要素什么？學(xué)生：形狀和大小一般相同；一條來自父方，一條來自母方的兩條染色體。（二）運用模型方法揭示生物現(xiàn)象本質(zhì)特征【例2】通過構(gòu)建物理模型，抽象出減數(shù)分裂過程中染色體變化的本質(zhì)特征背景：在第一模塊的學(xué)習(xí)中，學(xué)生曾經(jīng)以二條形態(tài)大小相同的染色體為例，繪制了染色體在有絲分裂各個時期的形態(tài)和行為變化圖解，即模擬模型（見圖解1）。師生共同回顧，教師展示

13、模擬模型（圖解1）。教師提出學(xué)習(xí)任務(wù)：請同學(xué)們觀察教科書或黑板的掛圖，以一對同源染色體為例，繪出減數(shù)分裂過程各時期染色體行為的變化。引導(dǎo)學(xué)生閱讀教科書或掛圖的圖解，學(xué)生分小組討論并繪制圖解，學(xué)生小組展示模型構(gòu)建的成果，師生展開交流和研討，師生共同對學(xué)生的模型進行修改、分析和評價，師生逐步歸納抽象出規(guī)范的物理模擬模型(見圖解2和圖解3)。在此過程中，教師要不失時機地提出下列問題： 染色體是什么時候進行復(fù)制的？ 同源染色體何時分離？ 染色體數(shù)目減半發(fā)生在什么時期？ 經(jīng)過減數(shù)第一次分裂的子細胞有無姐妹染色單體？ 減數(shù)第二次分裂過程染色體行為與有絲分裂有何異同？ 在同源染色體上的相應(yīng)位置標出1對等位基

14、因（Aa），并思考該對等位基因何時發(fā)生分離？師生討論得出結(jié)論后，教師提出進一步學(xué)習(xí)的任務(wù)：請同學(xué)們比較分析圖解，找出減數(shù)分裂過程中染色體和DNA數(shù)目變化的規(guī)律?！纠?】建立減數(shù)分裂過程染色體和DNA數(shù)目規(guī)律變化的數(shù)學(xué)模型，理解染色體變化的本質(zhì)特征，概述染色體、DNA數(shù)目規(guī)律變化的意義以模型（圖解）為切入點，師生共同構(gòu)建減數(shù)分裂過程染色體和DNA數(shù)目規(guī)律變化的數(shù)學(xué)模型。師生共同回顧有絲分裂中染色體、DNA在各個時期的數(shù)目變化（以染色體為2n的體細胞為例，見圖解1）。圖解1有絲分裂過程間期期前期期中期期后期期末期期染色體數(shù)目變化2n 2n 2n 4n 2nDNA數(shù)目變化2N4N 4N 4N 4N

15、4N2N師生共同探究減數(shù)分裂中染色體、DNA在各個時期的數(shù)目變化（以染色體為2n的體細胞為例，見圖解2和圖解3）。圖解2減數(shù)第一次分裂過程間期期中期期后期期末期期前期期四分體期聯(lián)會期染色體數(shù)目變化2n 2n 2n 2n nDNA數(shù)目變化2N4N 4N 4N 4N 4N2N 圖解3減數(shù)第二次分裂過程前期期中期期后期期末期期染色體數(shù)目變化n n 2n nDNA數(shù)目變化2N 2N 2N N 教師引導(dǎo)學(xué)生將上述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成染色體、DNA數(shù)目變化的二維坐標柱狀圖或曲線圖，并進行比較分析，進一步深化學(xué)生對數(shù)學(xué)模型的理解。教師提出進一步學(xué)習(xí)的任務(wù)：若有兩對等位基因，且符合孟德爾的自由組合定律，在減數(shù)分裂中等位

16、基因是如何分離的？非等位基因又如何自由組合？請設(shè)計和制作具有兩對同源染色體的減數(shù)分裂過程模型，標出兩對等位基因在染色體的位置，并模擬非等位基因隨非同源染色體而自由組合的情況。 （三 ） 運用模型方法解釋生物學(xué)規(guī)律高中階段已經(jīng)進行了文理分科，由于學(xué)生的個體的差異，認知水平參差不齊，許多文科學(xué)生對一些邏輯性較強的生物學(xué)規(guī)律難以理解，這往往形成了教與學(xué)的難點，例如：“非等位基因隨非同源染色體的而自由組合”這一知識點，如何在教學(xué)中化難為易，是生物教學(xué)中恒久的課題。模型的直觀性給與學(xué)生深刻的感性材料，通過親手制作模型學(xué)生從中體驗到平時肉眼無法觀察到的生物學(xué)現(xiàn)象，解釋生物學(xué)規(guī)律，難點也就迎刃而解?！纠?】

17、制作含兩對同源染色體的細胞進行減數(shù)分裂的物理模型，解釋非等位基因隨非同源染色體而自由組合的現(xiàn)象和規(guī)律。教師提出模型建構(gòu)的基本方法和要求： 小組合作完成（兩人一小組）；利用實驗臺上已有的材料（不同顏色的繩子、橡皮泥、剪刀等。提示：用繩子做染色體的臂，同色的橡皮泥做著絲點，標出兩對等位基因Aa和Bb在染色體的位置）；注意模型的科學(xué)性，控制好時間。學(xué)生通過實物投影展示自己的作品，其他小組的同學(xué)進行對比評價，教師點評，并引導(dǎo)學(xué)生共同完成下列表格（構(gòu)建數(shù)學(xué)模型）：初級性母細胞個數(shù)同源染色體對數(shù)子細胞類型1個1對精子（ ）種；卵細胞（ ）種多個1對（ ）種1個2對或n對精子（ ）種；卵細胞（ ）種多個2對

18、或n對（ ）或（ ）種教師點評時注意引導(dǎo)學(xué)生對比不同小組的作品，并根據(jù)非同源染色體組合情況的不同進行分類，重點幫助學(xué)生理解非同源染色體的自由組合，以及非等位基因隨非同源染色體的自由組合而重組，加深對孟德爾遺傳規(guī)律的認識。以上案例以減數(shù)分裂中染色體變化這一重難點知識的學(xué)習(xí)為主線，以繪圖和實物模擬制作的方式構(gòu)建減數(shù)分裂過程染色體變化的物理模型，嘗試通過建?；顒诱业酵黄浦仉y點知識的方法和途徑。模型構(gòu)建加強化了學(xué)生對減數(shù)分裂過程染色體規(guī)律變化的觀念和印象，為學(xué)生進一步獲取系統(tǒng)知識確立了前提條件，通過引導(dǎo)學(xué)生對物理模型的分析對比、綜合加工改造，從而建立染色體和DNA數(shù)目規(guī)律性變化的數(shù)學(xué)模型，達到對減數(shù)分裂本質(zhì)深層次認識的目的，并運用模型來構(gòu)建新的知識結(jié)構(gòu)，使模型成為了學(xué)生認知結(jié)構(gòu)的重要組成部分。四、新課程標準下的生物模型建構(gòu)教學(xué)反思作為現(xiàn)代科學(xué)認識手段和思維方法，模型具有抽象化和具體化的含義。在模型思維中，我們可以從原型出發(fā)，根據(jù)某一特定目的，抓住原型的本質(zhì)特征，對原型進行抽象，把復(fù)雜的原型客體加以簡化和純化，建構(gòu)一個能反映原型本質(zhì)聯(lián)系的模型，并進而通過對模型的研究獲取原型信息，為形成理論建立基礎(chǔ)。在高中生物學(xué)教材中的許多結(jié)構(gòu)模式圖、結(jié)構(gòu)示意圖、原理過程圖解等插圖都是教學(xué)中的科學(xué)模型，它所包含的生物學(xué)知識具有簡化、直觀化的作用。學(xué)生可以根據(jù)模型出發(fā)對原型的未知屬