利用模型提高生物复习课效率的教学实践

摘 要：《普通高中生物课程标准》和近几年浙江省高考理综生物试题的特点都要求在高中生物课堂教学中注重模型教学.本文通过案例的呈现、评析,阐述了在复习课中利用模型教学的实践与体会,旨在说明如何合理创设情境,引导学生构建生物学模型,通过模型转换使学生从不同角度理解和掌握生物学的核心概念,提高生物复习课的效率.

关 键 词模型构建模型变式高中生物复习课课堂教学实践

一、生物学模型的内涵

在人教版高中必修一中对模型的界定是：模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所做的一种简化的描述,这种描述可以是定性的,也可以是定量的,有的借助于具体的实物或其他形象化的手段,有的则通过抽象的形式来表达.模型可分为物质模型和思维模型,其中思维模型又可分为物理模型、概念模型、数学模型.物理模型是指以实物或图画形式直观表达所需认识对象的特征的模型,如“细胞结构”、“细胞膜的流动镶嵌模型”、“DNA分子双螺旋结构模型”等；概念模型是指以文字表达来抽象概括出事物本身特征的模型,如“光合作用过程图解”、“种群各特征间的相互关系”等；数学模型是指用来描述一个系统或它的性质的数学形式,包括数学公式、曲线、图表等,如教材中的“染色体数量的变化曲线”,“J种群增长的Nt等于N0λt数学模型”、“孟德尔的遗传规律”、“种群基因频率的变化”、“生态系统的能量金字塔”等.本文所指的模型主要指思维模型在复习课教学的应用.

二、复习课中利用模型教学的重要性

1.模型教学是落实新课程目标的重要途径,也是生物学教学的有效载体.《普通高中生物课程标准（实验）》明确强调学生应“领悟检测说演绎、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、建立数学模型的科学方法及其在科学研究中的应用”.高考考纲也明确了检测说演绎、建立模型、系统分析等科学研究方法在能力要求中的地位.因此,模型方法是现代高中生必须掌握的重要科学方法之一.通过模型教学有利于培养学生揭示事物本质属性的洞察能力及严密的思维品质,有助于发展学生的科学探究能力,帮助学生理解生物科学的核心知识.

模型教学是指在教师引导下,通过一定的情境让学生自己建构模型与分析模型来学习生物知识,强调学生在教学活动中的主体地位,重视学习的主动性和构建性,强调以学生的学习经验、心理结构来构建对新事物的理解,从而获取知识和问题解决的方法及技能,符合建构主义“知识不是教师传授获得的,而是学习者在一定的情境中通过意义构建的方式获得”的观点.同时,从认识心理学角度分析,生物模型教学中运用模型构建对知识整合,就是通过对表象的加工而实施的一种思维行动,而且人对图的记忆效果高于文字的记忆效果,因此改变教材中的语言文字转换为各种模型,有利于内容的理解和掌握.

因此,无论是从落实新课程理念的角度,还是从教学的实际效果来看,模型教学都不失为一种值得提倡的教学形式.

2.模型方法有利于问题解决.在生物学问题解决中,人们经常使用模型方法.利用模型方法解决问题,需要建立模型.建立生物模型需要寻找变量之间的关系,然后依据模型进行推导、作出预测.如2014年浙江省高考32题的脊蛙实验就是一个模型,要解决这个问题,学生必须建立反射弧的概念模型：

在模型的基础上可以更加容易分析出来：（1）屈反射的神经中枢位于脊髓,该蛙屈反射的反射弧完整,可对刺激作出相应的反应.（2）感受器受到刺激后产生的兴奋,在反射弧中传导需要一定的时间,故该蛙左后肢趾端受刺激在先,屈腿反应在后.（3）腓肠肌细胞接受刺激后,可产生兴奋,引起肌肉收缩.（4）神经肌肉接点类似突触结构,兴奋不能由腓肠肌细胞逆向传递到坐骨神经.（5）验证反射中枢存在的部位,应设计破坏脊髓的实验组.因此,利用模型可以使抽象的生物学信息转化重组,用文字、符号等方式描述研究对象的组成和相互关系,便于观察、比较和分析,让抽象思维具体化,有助于问题的解决.

3.新高考注重考查考生的模型解读能力.近年来浙江省高考理综试题非常注重对模型的分析能力的测量（见表1）,在试题中很多题目需要通过书本中生物学模型的原型根据不同情境进行转换,若学生对生物学的模型不熟悉就无法在高考中取得高分.

表1.2009-2013年浙江省高考理综试题生物学模型考查情况统计表

分析表1可知,浙江省理综试题对生物学模型的考查具有三大特点：（1）涉及的生物学模型种类齐全,包括概念模型、物理模型、数学模型等；（2）考查角度多样,包括模型的解读、模型的构建、模型的转换；（3）考查模型的题量多,知识覆盖面广.

因此,高三的生物学复习中可尝试运用模型进行教学,帮助学生构建模型,通过模型变式加深理解生物学的重要观点,提高学生分析、综合解决生物学问题的能力.

三、利用模型进行课堂复习的教学实践

下面以《生态系统的能量流》复习课教学片段为例阐述模型思想在生物复习课中的应用.

1.创设情境,建立碳循环模型.教师创设情境：展示现在农村种植业和养殖业存在的秸秆焚烧和粪便等废弃物直排河流严重污染环境的现实图片.如何更好地利用秸秆和牲畜排泄物中的能量?邀请学生创造解决实际问题的模型.

教师通过强烈的视觉冲击,产生强烈的解决问题意识,积极思维,引导学生初步构建物质循环模型.展示现实中“四位一体”农业生态工程模型.

教师提出任务,要求学生在教师所提供的框架内构架碳循环模型.框架模型如下图：

答案：a：生产者；B：co2；c：初级消费者；d：分解者；e：次级消费者.

设计说明：通过热点问题,吸引学生注意,促使学生有效进入课堂状态,激发学生兴趣,引导学生利用已学的生态工程和物质循环知识解决现实问题,体现生物学科理论联系实际的特点.由于在学习过程中学生能力的差异,教师通过提供碳循环模型框架,降低了知识难度,又能体现学生主体地位,提高学生主动参与活动的意识.这样有利于培养学生提出问题、解决问题的能力.2.挖掘碳循环模型,构建能量流动模型.教师布置建模任务：在这个模型中涉及食物链“农作物→初级消费者→次级消费者”,请在食物链的基础上构建能量流动模型.

学生自主构建能量流动模型.如下图：

教师评价学生建模过程后,指导学生对模型深入解读,并提出以下思考问题：

（1）在这个模型中取食和捕食的意义是什么?（2）与同化量的关系是什么?（3）未利用的能量是以什么形式存在?（4）群落演替过程第一营养级的“未利用”能量变化情况如何?（5）在t1、t2两个时间点调查同一顶级群落某一营养级的“未利用”能量,两次获得的数据的大小关系如何?

答案：（1）这个模型中所涉及到的取食与捕食应该就是下一营养级同化能量的一部分,但现实模型中取食与捕食中的能量还包括粪便的能量,这是教材的一个争议点.（2）同化的能量等于摄入的能量-粪便的能量.（3）未利用的能量是以生物量、腐殖质、化石等形式存在.（4）演替过程中第一营养级的净初级生产量先增加后减少,最后趋向于0,但群落的总生物量会增加,因此未利用能量也会增加.（5）顶级群落中两个时间点调查的未利用的能量几乎相等.

设计说明：通过任务驱动,学生提取脑中已有信息,分析能量去向,借助线条、方框、箭头等符号,构建能量流动模型,将复杂事物形象直观地表达出来,化抽象为具体,有效巩固知识.同时在原有知识的基础上,对未利用能量的的深化解析,提高学生对知识本质的理解能力,又能使生态学中能量流动的知识与演替中的知识贯通,体现生物学科的系统性.通过问题串的解决,使原本分散的知识点在头脑中系统化、结构化,以便在解决问题时才能迅速有效提取,为解决复杂问题奠定扎实的基础.

3.能量流动模型变式：以单个营养级能量具体去向为例,明确模型间的内在关系.模型展示并布置任务：下图表示能量流经该生态系统某一营养级的变化示意图,其中a～g表示能量值,请在方框内写出相应的内容.

答案：（1）同化的能量；（2）呼吸作用散失的能量；（3）用于生长、发育、繁殖的能量；（4）分解者消耗的能量；（5）热能；（6）热能.

设计说明：通过模型变式,教师引导学生鉴别两个模型间的相同点和不同点,学生理解流程图中“摄入”的含义后,就不难得出1的能量为初级消费者同化的能量,3的能量为初级消费者的生长和繁殖的能量,模型中还包括1中的另外一个去向即消费者呼吸作用以热能形式散失的能量.粪便中的能量为未消费的能量,应流向分解者.通过这样的变式使学生区分了摄入能量与同化能量的关系,及同化能量的去处这两个问题.通过这两个疑难问题的解决培养了学生解读模型和文字转换为模型的能力,拓展了学生的解题思路,活跃了思维,有利于训练学生应用这些基本知识进行推理、解决问题的能力,准确掌握概念的内涵与外延,深刻理解各自的实质所在,又能启迪学生思维的灵活性和深刻性,培养应变能力,帮助学生克服消极思维定势.

4.模型转换,定量分析能量流动模型.展示模型并布置任务：计算流经该生态系统的总能量和第二营养级到第三营养级的能量传递效率.

答案：流经该生态系统的总能量为111,能量传递效率为13.5%.

设计说明：通过教材中熟悉的能量流动模型,从科学数据角度定量分析能量去向,强化学生对同化能量去向的认识,便于理解能量流动逐级递减的特点和能量传递效率的含义.

5.能量流动定量分析模型转换：外界能量输入模型的能量流动定量分析模型.展示外界有机物能量输入的定量模型,如下图：

教师布置任务,要求学生分析该模型并要求解决以下问题：（1）计算流经该系统的总能量是多少?（2）X、Y的数值分别是多少?（3）第一营养级到地二营养级的能量传递效率是多少?（4）第二营养级到第三营养级的能量传递效率是多少?

答案：流经改生态系统的总能量为133；X等于15,Y等于5；第一到第二营养级能量传递效率为15/111等于13.5%；第二到第三营养级能量传递效率为5/25等于20%.

设计说明：从《学科指导意见》学习要求来看,学生必须具备对能量流动的过程和传递效率进行定量分析和数据处理的能力.而这一类问题往往有较好的区分度,有利于发挥高考应有的选拔功能.能量流动定量模型的分析有助于学生了解基本的概念和规则,对基本模型进行特化,即对原有概念以及认知结构中原有观点进行适当的改变,设置有外界能量输入的能量流动模型,引导学生或进行问题巧妙的转化或挖掘题中隐含条件,识别问题情境的特殊性,真正体会能量流动效率的概念内涵,也培养了学生“分析和处理数据”的能力.

四、利用模型进行复习教学实践的体会

1.利用模型进行复习可提高学生的知识认知和应用能力.在复习过程中,有目的地利用模型构建可以检测学生的知识结构、对知识间相互关系的理解和产生新知的能力,能有效评价学生的创造性思维水平.如：蛋白质的合成、运输、加工和分泌过程,可将教材中的物理模型转换为概念模型,也能将概念模型转换为坐标轴曲线图和柱形坐标图的数学模型的训练.通过一系列的模型转换不仅有助于提高学生构建知识的能力,促进学生对概念的理解和辨析,又能提升学生知识的迁移能力和理科思维能力.

2.模型教学改善了学生的学习.在复习教学中实施模型教学以来,学生的学习态度、学习习惯、学习方式、学业成绩等有了一定的改善,学生学习生物学的态度更加积极,具体表现在课堂上学生注意力集中、课堂教学活动的参与度（包括问题思考、问题提问、问题交流和讨论等）增加.通过模型教学学生的学习习惯得到改善,逐步养成了课前看书自主复习、课中积极参与、课后自觉巩固的良好的学习习惯.学习方法由原来的“上课认真听,课后题海战”转变为以自主学习、探究学习为核心,课后少量经典练习为辅助的科学学习方式.在学业成绩上,高考模拟考的优秀率有明显的提高.

3.教师需要不断提高自身教学素养以适应教学需要.模型作为现代科学认识手段和思维方法,具有抽象化和具体化的特征.教师要科学构建和利用模型,需要有完善的知识储备,如生物学模型的类型和建模的基本程序、模型产生的机理及适用条件、构建生物学数学模型所需的数学知识等.因此,教师必须加强对专业知识的积累和教学实践的总结,并及时对相关模型进行检验和修正,把教材真正内化成内在知识.这样,才能通过模型教学有效地呈现内容,才能自如地对生物学知识进行重组和应用.

4.模型教学必须与复习内容有机结合.复习课中运用模型教学的目的是学生通过构建模型的过程和模型分析理解生物学核心知识,并提升自己的生物学素养.如必修3中能够利用模型教学进行复习的典例：概念模型典例――“甲状腺激素的分泌调节”、“血糖浓度的调节”、“细胞免疫和体液免疫”、“种群的特征”、“赛达伯格湖能量沿营养级流动的定量分析”；物理模型典例――“蛙坐骨神经的动作电位”、“动作电位的传导”、“脊蛙反射实验”、“草原生态系统的食物网”；数学模型典例――“生长素两重性”、“种群的增长方式”等.

5.复习课中运用模型教学需创设合适的情境,循序渐进完成.模型构建需要一定时间的过程,并且有一定的难度.教师在实施模型教学之前应先了解学生的生物学建模能力,包括生物学和其他学科的认知水平.要根据学生实际,创设有效的问题情境,在解决问题的思路和科学方法上进行有效点拨,引导学生自主构建生物学模型.在构建模型的基础上,改变思维情境或情境问题,再对典型模型进一步分析和重建.在构建生物学模型的过程中,作为知识的构建者,学生的科学探究能力、逻辑思维能力、批判性思维能力、发散性思维能力、创新思维能力、搜集和处理信息的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力都得到了充分的发展.

总之,模型方法进行高三复习不仅能够帮助学生全面建构知识体系,同时领悟模型方法的重要性和熟练运用所构建的模型,培养学生的学习能力,提高学业成绩,还是提升学生生物科学素养的有效途径.