第２６卷第１Ｏ期 ２０１０年 中学生物学 Ｍｉｄｄｌｅ Ｓｃｈｏｏｌ Ｂｉｏｌｏｇｙ Ｖ０１．２６ Ｎｏ．１０ ２０１０ 文件编号：１００３—７５８６（２０１０）１０—００２１—０５ 在生物课堂中培养学生建模的能力 崔敏霞 （江苏省江阴市第一中学 江苏无锡２１４４３１） 摘 要 试从三个方面说明如何在生物课堂中培养学生建模的能力 构建实物型物理模型用以帮助 直观的认识，构建示意图物理模型用以帮助感性的理解。构建文字型物理模型用以促进抽象认知的发 展；构建环状概念图用以理解知识的联系，构建等级概念图用以纠正知识的偏差，构建放射概念图用 以建立知识的网络；构建表达式数学模型用以计算精确变化，构建曲线型数学模型用于观察发展趋 势．构建表格式型数学模型用于收集原始数据。 关键词 模型构建 物理模型 概念模型 数学模型 中图分类号 Ｇ６３３．９１ 文献标识码 Ｂ ． 新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 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。 １．１ 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 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）。 抽象化 解释 证明 具体化 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 让学生真实的感受到细胞的结构。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 原型＝二＝模型＝＝＝＝＝理论 图ｌ原型和模型的关系示意 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，帮助学生在更好的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。 １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 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”、“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。 １．２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一水 图３ ０ 、ＣＯ 在人体肝脏内血浆、组织液、成熟红细 胞内液之间的扩散模型 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。 的界面上的物理模型和在细胞膜中的模型（图２）。 图２磷脂在空气一水的界面上和在细胞膜中的模型 学生完成上述模型并不是太困难，在此基础上让 学生思考，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。 １Ｉ３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察学生 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０：、ＣＯ：扩散的模型（①在图形框间用实 线箭头表示０。，用虚线箭头表示ＣＯ：；②不考虑ＣＯ： 进入红细胞内液）。在学生构建该物理模型（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０ 、ＣＯ：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 ２２一 根据皮亚杰所揭示的儿童认知发展规律，儿童进 入青年期，认知功能渐渐的由具体、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。 ２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。 ２．１ 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 胰岛素 血糖降低 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。 血糖升高 胰高血糖素 图４血糖平衡的概念模型 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。 ２．２构建等级概念模型用以纠正知识的偏差 园黜 绷 本 单 非 同 网 源 组成ｉ Ｉ据此 染 色 体 同 源 染 一ｌ 汹 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，周绕一个中心概念，逐层展开次级概念， 色 体 图６与染色体有关的概念图 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）。 生态系统 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。 生态系统结构｝ Ｉ生态系统功能 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，特别在是面对一些新 情境下的问题，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。 ３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 成分ｉ Ｉ营养结构 物１ Ｉ能 质Ｉ Ｉ量 循Ｉ Ｉ循 环Ｉ ｌ环 信 息 传 递 喜ｌ ｌ雾ｊ Ｉ篓ｌ ｆ 囊馨 复一形 制＋成 图５生态系统结构的概念图 一四分体一 通过这样的等级图可以清楚的看到生态系统的 童条 包一四 结构和成分是上下的等级关系、包含关系，学生就很 ～染色单体～ 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。 ２－３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 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 模型建立一模型检验。 ３．１ 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 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（图６）：请以“染色体”这一概 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。 起来关键是三个方面，理解坐标含义及横纵之间的联 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，＿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 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两 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，容易对曲线随意的 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）。 廿砥 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ｉ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 型之问的区别就可以对新的情景进行判断了。题中的 情景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。通过创设不同的情景，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。 ３．２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，如有丝和减 数过程中染色体、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、ＣＯ：的 变化曲线，光合作用中随光照强度、温度、ＣＯ 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 一２４～ 嚣 时间 图７物种数量与时间的关系曲线 引导学生比较这三种曲线模型的区别，创设不同 的情景：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景下事物发 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，培养学生构建模型的能力使学生科 ２６卷第ｌ０期 ２０１０年 中学生物学 Ｍｉｄｄｌｅ Ｓｃｈｏｏｌ Ｂｉｏ￣ｇｙ Ｖｏ１．２６ Ｎｏ．１Ｏ ２Ｏ１０ 文件编号：１００３—７５８６（２０１０）１０—００２５—０４ 生物探究性实验表现性评价设计初探 陆敏刚 （江苏省江阴长泾中学摘要江苏无锡２１４４１１） 表现性评价是新课程改革倡导的一种新型的评价方式。 对生物新课程中探究性实验的一般 程序、内容选择、活动表现性评价的方法、工具设计和成绩评定等方面进行了探讨。 关键词探究性实验表现性评价教学评价 生物学教学 文献标识码Ｂ 中图分类号Ｇ６３３．９１ 表现性评价是生物科学素养评价的有效方式。表 现性评价是在学生完成了一系列的任务（如生物实 ２探究性实验的内容选择 根据“可研究性”和“开放性”的特征，探究性实验 的内容可以是实践性强的学习内容，也可以是思辩性 的学习内容；可以是目前已有结论的学习内容，也可 以是暂时还没有结论的学习内容；可以是初步研究成 果基础上进一步深化和拓广的承续性学习内容，也可 以是检验已有成果而在不同背景先再研究的再生性 学习内容，等等。例如“自己（和他人）的生物节律（生 物钟）的测定”课题，其探究成果可以指导自己或他人 验、实习、调查等）过程中进行的，它通过观察、记录和 分析学生在各项学习活动中的具体表现，如参与意 识、合作精神、实验操作技能、探究能力、分析问题的 思路、应用知识的能力及表达交流能力等进行评价。 教师在生物探究性实验中实施表现性评价，可以促进 学生学习方式的转变和实验能力的提高，可以考查学 生实验知识与技能的掌握程度，以及实践、问题解决、 交流合作和批判性思考等多种复杂能力的发展状况。 １探究性实验活动的一般程序 一的学习、生活和工作。“某种植物净化环境的作用探 究”、“区域性生态情况调查”、“其他星球的生命存在” 等课题，可以使学生树立“可持续发展”的科学思想。 “克隆技术的成就和影响”、“生物信息探究”、“２０世 纪生物科学伟大成就调查”等课题，不但有利于学生 科学素质的发展，而且有助于树立“科教兴国”的思 想。而高中教材涉及的“探究植物细胞的吸水与失 水”、“探究影响酶活性的环境条件”、“探究酵母菌细 般来讲，生物探究性实验都要遵循以下步骤或 流程（图１）。 发现问题、提｝ＩＩ问题、明确问题 Ｊ 提 猜想和假没、明确假设、并对实验结果加以预测 Ｊ 明确实验条件，确定实验方案，规划实验步骤 Ｊ 按照实验方案进行实验．及时处理实验中ＪｌＩ现的问题 胞呼吸方式”、“探究环境因素对光合作用的影响”、 “探究细胞的大小与物质运输的关系”、“探究废旧电 池浸出液对大豆种子萌发的影响”、“探究植物生长调 节剂对插条生根的影响”、“探究不同类型洗涤剂对生 物的影响实验”等课题，可以加深学生对教材知识点 的理解。总之，生物学是研究生命现象和生命活动规 律的科学，因此，有关生命现象和活动规律的学生未 知的内容，应是探究性学习的内容。生物学与人类生 存和发展、与社会生产和个人生活、与其他自然科学 和社会科学的发展，都有密切的关系，因此，学生对这 Ｉ 处理实验数据．归纳实验结论 ｌ 对实验予以评估．书写实验报告 图１ 生物探究性实验的一般程序 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，据统计进人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。
