高中生物模型建构与探究性学习教学

【摘 要】高中生物新课标强调“学习是一个主动建构知识、发展能力、形成正确的情感态度与价值观的过程”,倡导探究性学习.高中生物模型建构有概念模型、物理模型和数学模型等三种,它贯穿于整个高中生物教材中,有着重要的地位.尝试模型建构与探究性教学,不仅能够让学生系统地学习知识,而且能够让学生在学习过程中自主发现、分析和解决问题,培养科学探究精神和终生学习的能力.

【关 键 词】模型建构探究性学习探究性教学新课标

《高中生物课程标准》指出：“要让学生领悟建立模型的科学方法及其在科学研究中的作用”.通过建构模型,排除、舍弃非本质因素,突出事物的本质特征,使生命现象或过程得到纯化和简化,让学生更容易地理解知识形成的规律和掌握教学目标的内容.因此,模型建构是学生必须掌握的科学方法.

一、模型建构

模型建构是人们按照特定的科学研究目的,在一定的检测设条件下,再现原型客体某种本质特征（如结构特性、功能、关系、过程等）的物质形式或思维形式的类似物.高中生物学课程中的模型构建活动,则是根据课程标准的要求设计的,让学生结合具体生物学内容的学习而进行的建立模型的活动.模型建构有三种：

1.概念模型：指以文字表述来抽象概括出事物本质特征的模型.如：蛋白质与酶的关系、对真核细胞结构共同特征的文字描述、光合作用过程中物质和能量的变化的解释、达尔文的自然选择学说的解释模型等；

2.物理模型：以实物或图片形式直观表达认识对象的特征.如：真核细胞的三维结构模型、细胞膜的流动镶嵌模型；DNA双螺旋结构模型；模拟植物或动物性状分离的杂交实验；利用计算机模拟人体某方面稳态的维持等.

3.数学模型：用来描述一个系统或它的性质的数学形式.如：酶活性受温度（PH值）影响示意图,不同细胞的细胞周期持续时间、J型增长曲线的公式：Nt等于N0?t等.

二、探究性学习

倡导探究性学习,就是力图改变学生的学习方式,引导学生主动参与,乐于探究,勤于动手,逐步培养学生收集和处理科学信息的能力,获取新知识的能力,分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力等,突出创新精神和实践能力的培养.

在高中生物教学中,探究性学习包括资料探究、科学史探究、实验探究和调查性探究等类型.但总归起来,科学探究的过程一般包括提出问题、作出检测设、设计实验、实施计划、得出结论、表达和交流几个步骤,

探究性教学一般包括以下几大步骤：

（1）创设情境：教师根据所教学的内容创设情境,激发学生探究兴趣,让学生参与到教师的教学中.

（2）提出问题：提出的问题必须是学生兴趣的、能够吸引学生的、贴近生活的、能够引导学生思考推理的等.

（3）作出检测设：根据已有知识、经验,对提出的问题给出合理的解释,即为“作出检测设”.一般有两个步骤：第一步,提出检测设；第二步,作出预期（推断）.至于检测设是否对错应通过设计实验加以验证.

（4）设计实验：以小组为单位,讨论、设计实验方案,交流完善,并确定可能出现的现象.实验设计应注意以下几个原则：科学性原则、单一变量原则、等量原则、对照原则、平行复重原则.

（5）实施计划：按照设计的方案,各小组进行实验装置的组装并开始实验.

（6）观察记录实验现象,分析现象得出结论：各小组观察实验现象,并记录,同时联系实验检测设,讨论后得出结论.

（7）表达和交流：学生归纳整理所得结论,去伪存真,教师帮助学生构建知识网络,并引导学生运用所得知识分析解决问题.

值得一提的是：探究性学习不一定要通过实验来完成.在模型建构教学方式中尝试探究性教学,就是在构建模型教学过程中,引导学生进行分析、推理、表达交流,最后得出结论,这需要教师精心设计、巧妙引导.

三、在模型建构教学方式中尝试探究性教学

在模型建构中尝试探究性教学,以学生为主体、教师为主导,符合新课程改革理念的教学方式.模型建构的过程就是不断发现问题、进行探究、解决问题的过程,要求学生在课堂中要“有思想、会质疑、懂思辨、能创新”；要求教师以引导者的身份与学生进行平等交流,较好地完成教学目标.

1.概念模型

教师创设情境,让学生置身于探究情景之中,在解决问题的过程中逐步修正原来不正确的概念,不断构建科学的概念,形成正确的概念系统.这样构建起来的概念,能有效地整合进学生的知识框架,内化为学生的经验和思维,成为进一步探究学习的基础.高中生物学课程中的概念模型建构活动,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,领悟模型建构方法,获得或巩固有关生物学概念知识..

例如,血糖调节一课,可引入学生感兴趣的内容,创设情境,化抽象为直观,构建人体血糖平衡模型,还要求学生将生活经验和教材知识相结合,进行思考和交流,让学生分享获取经验和知识的喜悦.当模型建立时,马上就有学生产生疑问：“现在血糖浓度恢复正常,但胰岛素浓度还处于较高的水平,那血糖浓度不会继续被降低吗?”,教师释疑,自然而然地反馈调节的概念,从而让模型一步一步得到完善.在完善模型的过程中,学生就能在脑海中形成一幅思路清晰的血糖调节流程图,将感性认识上升为理性认识,使得教学效果更加明显.

2.物理模型

建构物理模型能培养学生的创新思维,巩固所学知识,还能反映出学生对知识的掌握程度,是教学反馈的有效手段.例如在学完细胞的亚显微结构以后,我们要求学生利用课余时间分小组制作细胞模型.当看到学生交上来的作品时,学生的作品使用了不同的材料和手段：有运用雕刻技术将马铃薯雕刻成细胞模型的；有使用琼脂形成凝胶代表细胞质基质,用各种糖果代表细胞器的；有使用核桃代表细胞核的；有使用弹珠代表核仁的.优秀作品真是数不胜数.通过对模型进行评价,教师也能了解学生对知识掌握达到了什么水平,例如：有的学生作品并没有建构出粗面内质网,说明学生对分泌蛋白质的相关知识掌握还不牢固；有的学生作品使用椰子壳代表细胞壁,这不仅做到了“形似”,而且做到了“神似”,说明学生对细胞壁功能和成分的了解十分纯熟了.

3.数学模型

数学模型中的曲线模型直观简单,可以把实际中很多复杂多变的问题简单化明了化.如果能让学生体会到数学建模在生物学中的妙处,就会更好地去激发学生对生物学的学习兴趣,同时数学模型的构建也可以锻炼和培养学生们的创造性和探索性.学生在经过老师指导研究科学的过程中,既能锻炼和提高自身的思维能力,又能学习到很多专业的知识.在生物教学和学习中,构建合理的数学模型,能让学生灵活地应用知识,通过对数学模型的建立来培养理科方面的思维能力.

下面以“种群数量的变化”中“构建种群数量增长模型”为例加以说明：

1）创设情境.

联系生活实际,细菌过多的滋生和繁殖会引发疾病,对于有害细菌的繁殖如何进行有效地控制?细菌增值有什么规律呢?

2）提出检测设.

检测设在营养充足和空间无限的条件下,细菌种群的增长不会受到种群密度的增加以及其它生物因素制约的理想条件下,预测细菌的变化规律.

3）数学模型的构建.

在资源和空间无限充分的情况下,细菌的个体数增长呈指数增长方式.如果用时间表示X轴,用细菌的数量表示Y轴,教师引导学生画出种群增长的“J”型曲线.

4）检验建立的模型.

在实际中,生物的生存资源和空间都不是无限的,种群间的竞争会随着种群密度增大而加剧,同时该种群的天敌数量也会相应的增多,这就会导致死亡率增高,出生率降低,该种群的增长就会减慢直至停止.检测设自然界中的生物种群都以“J”型曲线增长,那么大自然是无法承受的.在某个时期,生物种群的增长会稳定在某一水平.教师列出表格、分析数据、填写数据,并引导学生画出种群增长的“S”型曲线.

5）数学模型的应用：

利用自然界的生物种群的“S”型增长曲线,可以在实际中来指导我们正确地利用野生生物资源,较好地取得经济效益,生态效益和社会效益.例如在海洋生态系统中的小黄鱼,自然条件下小黄鱼的种群数量增长呈“S”曲线.全面禁止捕鱼,鱼体的生长发育成熟后,体重不再增加,同时还要不断地吃掉其它生物,一定阶段种群数量会停止增长；若过量的捕鱼使得小黄鱼的种群数量大大低于1/2K,则要经过很长一段时间才能恢复.所以,适量、适时地捕捞,使小黄鱼的数量维持在1/2K左右,就能保持较高的增长率,这样既获得了产品,又能使种群数量快速地恢复,这就是所谓的“合理利用就是最好的保护”.

新课程倡导探究性学习,在科学课程的教学中,组织学生开展探究,“能够促进学生学习方式的变革,使学生能主动地获取科学知识,体验科学过程与方法,形成一定的科学探究能力和科学态度与价值观,培养创新精神”.而探究性学习并不等同于学生动手操作,教师创设情境的纯思维探究就是一种有效的探究学习模式,它不需要学生动手操作,是一种思维探究的学习过程.激发学生的探究思维,设计问题串,引导学生像科学家那样探索,主动获取科学知识.

模型建构是顺应新课程改革理念而发展起来教学方式,能够较大提高课堂教学效率.结合探究性教学,充分利用这种有效的教学方式,并在教学实践中不断去开发它,完善它,在新一轮课改中,将教学效率推向新的高度,将学生的学习变得更富有乐趣.