高中生物模型及模型方法与学生能力的培养

在现代生命科学研究中，模型和模型方法起着越来越突出的作用。学会建立合理的模型并运用相关的模型方法进行科学研究，已成为现代高中学生必备的科学素养。为了适应不断发展的现代科学教育的要求，我国在《普通高中生物课程标准（实验）》课程设计思路中明确提出：帮助学生“领悟假说演绎、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、建立数学模型等科学方法及其在科学研究中的应用”。

1 模型和模型方法的基本含义

1．1 模型

所谓“模型”，是指人们为了某种特定目的，借助于具体的实物或其他形象化的手段或抽象的形式，对认识对象所作的一种简化的概括性的描述。是对所要研究事物原型的结构形态或运动形态的一种模拟，是事物原型的某个表征和体现，同时又是事物原型的抽象和概括。模型一般不再包括原型的全部特征，但能描述原型的本质特征。在原型的基础上建立模型的过程是一个从具体到抽象、从实践上升到理论认识的飞跃。

模型的形式很多，主要包括物理模型、概念模型、数学模型、方法模型等。模型在生物学中的应用相当广泛。例如，DNA双螺旋结构模型就是一种物理模型，它形象而概括地反映了所有DNA分子结构的共同特征。又如，通过标志重捕对某一地区内某种动物种群密度进行调查的方法，这是一种典型的方法模型。再如，运用细菌生长曲线图表或某一方程式表示少数细菌在恒定容积的培养液中数量变化过程，则是典型的数学模型。

1．2 模型方法

模型方法是指通过在基本原型的基础上建立相关的模型，并运用相应的模型分析解释生物学现象、揭示生物本质规律特征，研究某种动态生命系统中各种因子之间相互关系等。这是一个从实践上升到理论认识再从理论认识回到实践的过程。例如，减数分裂过程中染色体的行为变化是一个比较抽象的内容。由于染色体的联会、分离及染色单体分离的过程等，都发生于细胞这一微观世界，必需借显微镜才能看到，因而给学生的理解和掌握带来了很大的困难。才通过建立减数分裂过程中染色体的变化的模型模型，能够很好地帮助学生对减数分裂分过程中染色体的各种复杂变化产生更为直观的感性认识，这便是一种模型方法。模型方法的运用不仅可以帮助学生更加准确理解、掌握相关的生物学基本原理，而且能够帮助学生有效地构建完整的知识结构、掌握相关的生物学研究方法、全面提高学生的综合科学素养。

2 新课标教材（人教版）有关模型和模型方法的基本内容和要求

新课程标准教材（必修）上有关模型建构的内容，分别出现于思考与讨论、技能训练、模型建构、课外制作等几个栏目中：

  所属模块
 教材中位置
 主要内容
 相关栏目
 
《分子与细胞》
 第四章第2节
 利用废旧物品制作生物膜模型
 课外制作
 
第三章第3节
 尝试制作真核细胞的三维结构模型
 模型建构
 
《遗传与变异》
 第二章第1节
 建立减数分裂过程中染色体的变化的模型
 模型建构
 
第三章第2节
 制作DNA双螺旋结构模型
 模型建构
 
《稳态与环境》
 第一章第1节
 构建人体细胞与外界环境的物质交换模型
 技能训练
 
第二章第2节
 建立血糖调节的模型
 模型建构
 
第四章第2节
 构建种群增长模型的方法——数学模型
 科学方法
 
第五章第1节
 参照下图所示一般系统的结构模式图，尝试画出生态系统的结构模型
 构建模型
 
第六章第1节
 分析人口增长和开垦土地之间的关系模型，对模型进行补充和完善
 正文插图
 

从内容篇幅来看，教材中与模型及模型方法直接有关的内容不是很多。但是，作为现代生命科学研究不可缺少的重要手段，模型和模型方法很早就已经渗透到生命科学研究的各个环节。例如，《稳态与环境》模块中第五章第4节安排的制作活动：“设计并制作生态缸，观察其稳定性”，尽管其中没有直接提及模型或模型方法，但这一活动其实质就是一个建构模型的探究活动。再例如，《稳态与环境》模块第五章第1节要求“参照下图所示一般系统的结构模式图，尝试画出生态系统的结构模型”的内容，虽然在教材中也没有明确说明是模型建构，但其实质也是帮助学生学会运用模型和模型方法分析并解决具体问题的一次探究活动。

3 模型、模型方法与学生能力的培养

构建模型给我们提供了一种认识和研究生命现象的思路、角度和方法。模型方法作为一种特定的思维方法和行为方式，一旦被学生所掌握和运用用，不仅有利于学生形成系统的科学认知观，全面提高学生的综合科学素养，而且，通过亲身体验科学探索与发现的活动，学生更加愿意主动地去思考、探索，最终在不知不觉中,就领略到生物学知识的真谛。

3．1 动手制作形象的物理模型以培养学生动手能力和形象思维能力

各种物理模型都具有一定的形态结构特征，它是人们在思维中通过对生物原型的简化和纯化而构思出来的。但是构建模型的过程本质上也是一个艰苦的探索、发现的过程，它需要严谨、诚实的科学态度。因而，通过学生自己动手制作形象的物理模型，不仅能够培养学生的形象思维能力和动手能力，而且有利于学生养成严谨的、实事求是的科学态度。

例如，《遗传与变异》模块第三章第2节中的“制作DNA双螺旋结构模型”。学生在自选材料并尝试制作DNA双螺旋结构模型的活动中，首先要求他们将复杂的DNA双螺旋结构这一原型客体加以简化和纯化，再逐步从抽象过渡到具体，最终构建一个能反映DNA双螺旋结构本质特征的模型。由于模型的构建能使DNA分子更加直观化，所以通过这一活动，不仅能够培养和提高学生的动手能力，同时也有利于培养和发展学生的形象思维能力。此外，在学生体验到对探究活动成功后的喜悦感、自豪感的同时，还有利于激了发起学生的学习兴趣，进而产生良好的学习动机。

3．2 构建抽象的概念模型培养学生分析和解决问题的抽象思维能力

以抽象思维方法构建的模型，是人们抽象出生物原型某方面的本质属性而构思出来的，例如“建立血糖调节的模型”。血糖平衡的调节是一个重要但比较抽象的教学内容。如果仅仅由教师以讲述的方式告诉学生们有关内容，学生是很难真正理解的。因此，在学习了血糖平衡调节的原理的基础上，通过“建立血糖调节的模型”活动，引导学生结合已有的知识储备和生活经验主动地思考、讨论、建构模型，并尝试探索运用所建构的模型理论解释生活中的具体问题。这样不仅可以帮助学生更好地理解人体内是如何对血糖含量进行调节的，并在此基础上理解体内激素如何对生命活动进行调节；同时，也力图引导学生初步了解建构模型，尤其是概念模型的基本方法和意义；而且培养了学生创设探究情境，认真观察、分析、判断的思维能力以及设计和完成实验的能力。

3．3 构建数学模型培养学生对生物学现象和规律的综合性分析探究能力

在科学研究中，数学模型是发现问题、解决问题和探索新规律的有效途径之一。数学模型在生物学中也越来越表现出强大的生命力，它通过建立可以表述生命系统发展状况等的数学系统，对生命现象进行量化，以数量关系描述生命现象，再运用逻辑推理、求解和运算等达到对生命现象进行研究的目的。引导学生建构数学模型，有利于培养学生透过现象揭示本质的洞察能力；同时，通过科学与数学的整合，有利于培养学生简约、严密的思维品质，提高其综合性分析探究的能力。

例如，在《稳态与环境》模块第四章第2节“构建种群增长模型的方法——数学模型”部分，《普通高中生物课程标准》对这一内容的相关要求是“尝试建立数学模型解释种群的数量变动”。该条内容标准的含义有两层：第一，“尝试建立数学模型”属模仿性技能目标，旨在通过原形示范（细菌的数量增长）和具体指导，学生能完成建立数学模型；其二，“解释种群的数量变动”属理解水平的知识目标，旨在把握数学模型（抽象）与种群的数量变动（具体）之间的内在逻辑联系。教材中结合“问题探讨”的素材，介绍了建立数学模型的一般步骤。第一步，观察研究对象是为了发现问题，探索规律，“细菌每20 min分裂一次”便是通过大量观察和实验得出的规律。这是建立数学模型的基础，在这一基础上运用数学方法将生物学问题转化为数学问题。生命现象往往不是以数学化的形式出现，这就需要善于从具体现象中抓住其数学本质。第二步，合理提出假设是数学模型成立的前提条件，假设不同，所建立的数学模型也不相同。第三步，运用数学语言进行表达，即数学模型的表达形式。第四步是对模型进行检验和修正。在理想状态下细菌种群数量增长的数学模型是比较简单的，而生物学中大量现象与规律是极为复杂的，存在着许多不确定因素和例外的现象，需要通过大量实验或观察，对模型进行检验和修正。以上建立具体数学模型的过程，就是一个从具体的生物现象与规律建立抽象的数学模型，又用抽象的数学模型来解释具体的生物学现象与规律的过程。在这一过程中学生学会了从现象中揭示出本质和规律，同时学会运用恰当的数学模型表达某些生物学规律的创造性思维方法。

4 结束语

作为现代科学认识手段和思维方法，模型同时兼有具体化和抽象化的含义。在模型思维中，从特定的原型出发，根据某一特定目的，抓住原型的本质特征，建构一个能反映原型本质联系的模型，并进而通过模型解释生命现象、揭示生命规律。在新课程改革中突出模型和模型方法，不仅能够让学生于探索科学现象的乐趣中发现科学规律，培养和提高学生观察、实验、分析和解决问题的能力，形成正确的对待科学问题的观点和态度。同时还能帮助学生在领略科学知识的真谛的同时，更深入地掌握运用和探究生物学知识所必需的思维方法和探究能力。