在生物课堂中培养学生建模的能力，本文主要内容关键词为：生物课论文,建模论文,培养学生论文,堂中论文,能力论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
课标下的高中生物新课程改革已经越来越深入，新课标始终强调学生不仅仅应该掌握科学知识，更应该学习科学研究的一般方法，因为这些科学研究的方法对学生的发展具有更为重要的价值。科学研究的一般方法在教材中介绍了很多，构建模型的方法是教材中首次提出但极为重要的一种理性思维方法。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，是逻辑方法的一种特有形式。
模型舍去了原型的一些次要的细节、非本质的联系，以简化和理想化的形式去再现原型的各种复杂结构、功能和联系，是连接理论和应用的桥梁(模型和原型的关系如图1所示)。
关于模型的形式或种类，教材中介绍了物理模型、概念模型和数学模型三种类型。这三种模型有一个共性就是用来学习被认为相似的事物的工具。笔者在三年的课堂教学摸索中始终坚持对学生建模能力的培养，不仅适应学生的认知规律，也可以提升课堂的内涵，帮助学生在更好地掌握知识的同时学会研究方法，提升生物教学的价值和魅力。
一、构建物理模型
为了形象、简捷地处理问题，人们经常把复杂的实际情况转化成一定的容易接受的简单情境，从而形成一定的经验性的规律，即建立物理模型。教材中对物理模型的定义就是以实物或图画形式直观地表达认识对象的特征，它在教材中应用非常频繁，比如细胞模型、细胞的亚显微结构示意图、DNA的双螺旋结构、生态农业系统等。物理模型既包括静态的结构模型，又包括动态的过程模型，如教材中学生动手构建的减数分裂中染色体变化的模型、血糖调节的模型等，就是动态的物理模型。
1.构建实物型物理模型用以帮助直观的认识
教材中对物理模型的定义就是指以实物或图画形式直观地表达认识对象的特征，它可以形象而概括地描述事物的一般特征，实物型物理模型是最直观的物理模型。尤其是在学生学习《分子和细胞》的时候，学生第一次接触到系统的严谨的微观知识，对于刚刚进入高一的学生来讲，此时构建实物型的物理模型可以帮助学生建立直观的认识。例如人教版教材“分子和细胞”中呈现了北京某中学制作的细胞模型就可以让学生真实地感受到细胞的结构。在“物质跨膜运输的实例”中，“原生质层”的概念对于学生来说总是很难理解，学生尚不具备这样的想象能力，如果能够制作一个成熟的植物细胞的实物模型，那么学生对原生质层的结构以及它的两侧的溶液的理解就非常清楚了，具有了最直观的认识。
在教学过程中，建立实物型物理模型的知识点还是很多的，有“减数分裂”、“DNA分子的结构”等。虽然建立这种模型有一定的困难，需要教师寻找合适的材料，做大量的准备工作，课堂教学进度放慢等。但是教师可以采取兴趣小组、课外活动等形式加以避免。实物型物理模型的作用和效果是非常明显的，尤其是减数分裂的模型很好地解决了学生学习的困难，在帮助学生学习的同时也锻炼了学生的动手能力和合作能力。
2.构建示意图物理模型用以促进理性的转化
示意图物理模型就是指以图画形式直观地表达认识对象，在教材中也有丰富的示意图形式的模型，这些内容相对微观、抽象、复杂，不便于制作实物型模型，示意图式的物理模型可以促进学生感性的理解。因为这类模型学生很常见，所以构建起来难度并不大。例如在“细胞膜的结构”的教学过程中，在学生理解了磷脂的特性之后，师生共同构建磷脂在空气-水的界面上的物理模型和在细胞膜中的模型(图2)。
学生完成上述模型并不是太困难，在此基础上让学生独立思考，构建某植物细胞中存在某个以磷脂为膜包裹的小油滴的物理模型。要完成这个模型，学生要对磷脂的特性和油、水的分布很清楚，学生构建还是有一定的困难，教师可以先让学生进行讨论再总结，通过这个情景转换可以巩固学生的感性认识。
构建示意图物理模型，学生可以把复杂的知识简化，可以把抽象的知识形象化，但真正的关键作用是学生在构建这些模型的时候已经融入了自己的思维，完成构建过程可以促进感性向理性的转化。
3.构建文字型物理模型用以发展抽象的认知
上述两种物理模型都与图形有关，比较形象直观，而很多情景中用图形表示是非常复杂的，文字型物理模型就是在前者的基础上，以实物和图形作为蓝本，最终形成的物理模型只由简单的文字和箭头组成。实际教学过程中发现学生构建示意图型的物理模型并不是太困难，对于学生来说，构建文字性物理模型更加困难。下面就是通过构建物理模型来考查学生是否掌握细胞代谢以及细胞与相应内环境关系的一个例题：尝试构建人体肝脏内血浆、组织液、成熟红细胞内液之间O2、CO2扩散的模型(①在图形框间用实线箭头表示O2，用虚线箭头表示CO2；②不考虑CO2进入红细胞内液)。学生在构建该物理模型(图3)时必须清楚成熟红细胞的代谢特征——只能进行无氧呼吸，清楚O2、CO2的扩散方式、扩散途径，并且还要用简单的图形表示出来。
学生自己构建这样的物理模型，实际还是存在一定的困难，所以在建立这类模型的过程中，教师还是应该先从内环境的直观示意图出发，使学生能从示意图中能够很清楚地认识到肝脏细胞和组织液、组织液和血浆、红细胞和血浆之间发生的物质交换，以此为母版，构建文字型的物理模型也就水到渠成了。
根据皮亚杰所揭示的儿童认知发展规律，儿童进入青年期，认知功能渐渐地由具体、直观水平占优势过渡到抽象水平占优势，教师在面对这样的学生群体时，可以用语言或者其他符号来陈述抽象概念及关系。因此培养学生构建这样的物理模型不仅是适合学生心理和认知发展规律的，从教学的另一个本质上来讲，教学应该起到促进学生这种抽象认知发展的作用。
二、构建概念模型
概念模型是对真实世界中某个问题域内的事物进行描述，概念模型包括：中心概念、内涵和外延。在教材中，概念模型大多以概念图的形式出现。概念图是指利用图示的方法来表达人们头脑中的概念、思想、理论等，是把人脑中的隐性知识显性化、可视化，便于人们思考、交流、表达。构建概念模型的过程：选取一个熟悉的知识领域；确定关键概念和概念等级；初步拟定概念图纵向分层和横向分支；建立概念之间的连接，并在连线上用连接词标明两者之间的关系；修改和完善。
1.构建环状概念模型用以理解知识的联系
环状概念模型的特点是当把相关概念建立链式模型后，模型的首尾可以根据某种关系相互连接起来，形成环状，它主要体现的是各个概念之间的联系。环状模型最典型的就是“激素调节的实例”(人教版)血糖平衡调节的模型。教学过程中，学生第一次接触激素对生命活动进行调节，是否能真正理解激素是如何调节的，调节的结果又是怎样的，生命活动又是如何处于动态平衡之中。教材中设计了学生活动，学生通过简单的翻糖卡对胰岛素和胰高血糖素的调节时机和结果有了一定的感性认识。这时候教师结合学生的感性认识，可以把关键词提供给学生，引导学生构建关于血糖平衡的概念模型(图4)，通过构建这样的环状模型，把学生直观感性的认识提高到抽象理性的认识，理解发生在体内的微观变化过程。
这种简单的概念图一般用于新授课中，尤其是概念之间有着紧密的联系的知识点，比如光合作用和呼吸作用的联系，正、负反馈等。从简单的概念图开始及时培养学生构建概念模型的能力，既能够帮助学生更好地理解知识之间的联系，又能逐渐培养学生构建概念模型的能力。
2.构建等级概念模型用以纠正知识的偏差
等级概念模型的特点是概念之间有着非常明显的层次关系，围绕一个中心概念，逐层展开次级概念，各等级的概念之间是包含关系，它体现的是概念之间的分类、从属关系。在生态系统的有关知识复习过程中，发现学生中普遍存在一个错误的概念：对生态系统的结构和生态系统的成分总是混淆不清，容易把生态系统的结构误认为是成分而忽略营养结构，于是构建了这样一张概念图(图5)。
通过这样的等级图可以清楚地看到生态系统的结构和成分是上下的等级关系、包含关系，学生就很容易纠正错误的概念。这样的概念图一般可以用于概念较多的新授课，或者在完成了某一个章节的学习内容之后可以设计这种模型。在人教版模块一《分子与细胞》中，几乎在每一章的自我检测中都有构建概念图的要求，注重培养学生的这种能力，同时也能够帮助学生逐步建立学科知识的网络。
3.构建放射概念模型用以建立知识的网络
放射概念模型的特点是确定一个核心概念，围绕这个核心概念，搜索与之相关的概念，建立它们之间的联系，使概念的构建呈发散状，它体现的是构建者形成的知识网络。随着知识的增加，尤其进入到总复习阶段的时候，形成知识网络，构建学生的知识体系显得十分重要，通过一些概念图设置可以帮助学生形成网络，提高学生的知识综合和迁移能力。例如笔者设计了这样一个概念图(见下页图6)：请以“染色体”这一概念为核心，写出15个以上与“染色体”相关的概念，连接为一个较完整的概念图。
学生要完成这样一张概念图，必须掌握各种与染色体有关的概念并清楚概念之间的联系，知识运用涉及到模块二的大部分内容，很好地检测学生对概念的掌握和理解情况。把学生感知“孤立”、“散装”的概念纳入相应的概念体系之中，让学生获得一个条理清晰的知识网络，既能帮助学生理解新概念，又能进一步巩固深化已学概念，此外还锻炼了学生的联想能力和创造性思维。
在教学过程中，常发现许多学生在学习之初游刃有余，但随着知识点变得丰富、复杂，尤其是进入复习阶段时就容易出现概念的混乱，特别是在面对一些新情境下的问题时就一脸茫然。教师将概念图这一认知工具应用到生物学教学中，在不同的教学情境中设计不同的概念图，让学生在构建过程中主动参与知识的回顾与提炼过程，整合新旧知识，建构知识网络，浓缩知识结构，达到灵活迁移知识的目的。
三、构建数学模型
教材中提到的数学模型指的是用来描述系统或它的性质和本质的一系列数学形式。具体来说，数学模型就是为了某种目的，用字母、数字及其他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结构表达式。数学建模的过程一般为：模型准备—模型假设—模型建立—模型检验。
1.构建表达式数学模型用以计算精确变化
表达式数学模型是指用数学符号、字母、数字构建的数学模型，第一次出现是在模块三的“种群数量的变化”中。在实际教学工作中发现，构建数学模型对学生来说比上述两种模型的困难更明显。因此在教学过程中首先应强化模型构建的步骤，在这个过程中，学生不仅仅应该知道该数学模型，更应该让学生清楚构建每一个数学表达式模型成立的条件是什么，假设是怎样的，模型中各项参数又是什么含义。
培养学生构建数学模型的第一步，在此基础上应创设新情境，帮助学生寻找典型模型的应用规律。
例如创设这样的情境：东方田鼠喜欢野外环境，2007年6月下旬以来，栖息在洞庭湖的400多万亩湖州地中的约20亿只东方田鼠，随水位上涨部分内迁。它们四处打洞，啃食庄稼，严重威胁沿湖防洪大堤和近800万亩稻田。生态学家研究发现，东方田鼠种群迁入初期种群数量很少，一个月内随着水稻和芦苇等作物种植面积的不断扩大而迅速增长。为研究东方田鼠的种群数量的变化规律，生态学家构建了数学模型
，该数学表达式成立的前提条件是什么，从环境容纳量的角度思考，提出两项控制东方田鼠数量的有效措施。
学生要能够解答这样一个有关的数学模型习题，首先要能够对教材上已有的三种种群变化的数学模型进行比较，寻找它们之间的差异以及导致这种差异存在的根本原因，经过对比、引导和研究，能够发现三者的关键差异就在于模型的假设。学生清楚了三种模型之间的区别就可以对新的情境进行判断了。题中的情境与哪一种模型的假设相似，就应该应用何种模型解题，例题的情况应该属于物种入侵，典型的J型增长曲线，那么相对应的假设就是东方田鼠生存的空间和食物是足够的，且湖州地区的气候适宜，缺少天敌。第二问也就迎刃而解了。通过创设不同的情境，学生可以进一步的理解不同模型之间的区别，也可以更好的理解建立数学模型并加以应用。
这种表达式数学模型涉及到的知识点有很多，脱氧核苷酸序列与遗传信息的多样性，碱基与氨基酸对应关系，调查人群中的遗传病，用数学方法讨论基因频率的变化，探究自然选择对种群基因频率的影响等等。把数学的思维引入到生物学科，不仅能让学生感受到生物学科的严谨，也能让学生感受到不同学科知识之间的交叉与融合。
2.构建曲线型数学模型用于观察发展趋势
数学模型不仅仅是指上述等式的形式，还包括表格、曲线和柱状图等常见的形式。其中曲线型数学模型用于观察事物发展的趋势非常直观明了。教材中涉及到这类数学模型的内容还有很多，如有丝分裂和减数分裂过程中染色体、染色单体以及DNA数量的变化规律，呼吸过程中随氧气的浓度增加ATP、
的变化曲线，光合作用中随光照强度、温度、等条件的变化光合作用强度的变化曲线等。
在培养学生构建这类数学模型过程中，帮助学生掌握规律可以提高学生的建模能力。培养学生关于曲线的能力则包括很多方面，阅读曲线、识别曲线、绘制曲线等等，涉及的范围非常广，但都有规律可循，归纳起来关键是三个方面，理解坐标含义及横纵之间的联系，判断起点(尤其是否为原点)，判断走势。
学生在构建曲线型数学模型中的难点主要有三点，一是在构建过程中容易忽略对坐标的定义，尤其是单位；二是当学生在描点之后，容易对曲线随意地延伸；第三种最突出，针对没有具体数据的背景，学生在描述上升趋势的曲线时，不能分辨出下面的三种情况：类似“J”型、“S”型和直线型(图7)。
引导学生比较这三种曲线模型的区别，创设不同的情境：Aa的生物复制n次以后纯合体的比例；某池塘中随着某种鱼数量增加种内斗争的剧烈程度；随着溶液中尿素浓度的增加，尿素进入细胞的速度变化等，寻找出三者之间的差异，逐步培养学生构建曲线型数学模型的能力，一目了然地观察各情境下事物发展的规律，能使学生的知识发生正迁移，起到举一反三的效果。
在课堂教学过程中培养学生构建数学模型，有利于培养学生透过现象揭示本质的洞察力，同时通过科学与数学的整合，有利于培养学生简约、严密的思想品质，可使一些重、疑、难点化繁为简，既深化了对知识的理解，又培养了学生的数学思维能力。
美国的心理学家布鲁姆认为，人类记忆的首要问题不是储存而是检索，而检索的关键在于组织。上述模型就是一种知识的组织方式，构建这些模型的过程就是组织材料、建立记忆检索框架的过程。在建模过程中，学生可以识别知识之间的联系，用适当的图解来标明这些知识的内在联系，将新的、零散的知识与原有的知识整合构建一个意义结构。因此建模首先是一种较高水平的信息加工策略。
其次构建模型的过程有利于学生创造性思维的培养。在建模过程中需要思维具有流畅性，在限定的时间内组织较多的观念和概念，进行联想，将相关的知识熟练地联系起来；需要思维的灵活性，概念和观念要散布的广，从某一个中心出发，向各个方面发散；还需要思维的综合性，把事物的侧面、部分和属性统一为整体的认识，按照它们内在的、必然的、本质的联系把整个事物在思维中再现出来。
最重要的是，构建模型是学生科学研究的一种方法，新课程理念强调教学工作要注重培养学生解决问题的能力。知识是人们认识的结果，也是已经过去的结果。知识的学习无疑是必须的，然而，据统计，进入20世纪90年代后，每4年有75％的知识被更新。可以设想，在21世纪，知识的更新更是日新月异，如果不能让知识增殖，知识本身并无多大实质意义，因此教师应该在新课改的理念指导下，让模型构建更好地培养学生解决问题的能力。