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摘要:模型和模型方法在科学研究中发挥着重要作用,它在中学生物学课程中也具有重要的教育意义,理解模型和领悟模型方法已经成为高中生物学课程内容的一个组成部分。理解模型和领悟模型方法的重要方式就是进行模型建构活动。要较全面地理解模型方法的作用,既需要以进行一定数量的模型建构活动为基础,更需要在模型建构活动中实现行为与思维的统一。

 

关键词:高中 生物学 模型 

 

教育部2003年颁布的《普通高中生物课程标准(实验)》(以下简称为课程标准)中,明确将获得生物学模型的基本知识作为课程目标之一,并在内容标准或活动建议部分做了具体的规定。这是我国中学生物学课程发展历史上第一次如此重视“模型”。然而,由于以往对“模型”所提不多,相关理论探讨和实践案例不太丰富,有些教师在教学时感到迷茫。尽管高中课程改革的实验区越来越多,实施课程标准的教学探索也已有若干年,但类似问题却依然存在。本文探讨总结了高中生物学新课程中的模型和模型方法,以及如何在教学中进行模型建构的问题。

 

1.高中生物学课程中的模型和模型建构

 

模型是人们按照特定的科学研究目的,在一定的假设条件下,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。作为一种现代科学认识手段和思维方法,模型具有两方面的含义:一是抽象化,二是具体化。一方面,我们可以从原型出发,根据某一特定目的,抓住原型的本质特征,对原型进行抽象、简化和纯化,建构一个能反映原型本质联系的模型,并进而通过对模型的研究获取原型的信息,为形成理论建立基础。另一方面,高度抽象化的科学概念、假说和理论要正确体现其认识功能,又必须具体化为某个特定的模型,才能发挥理论指导实践的作用。所以,模型作为一种认识手段和思维方式,是科学认识过程中抽象化与具体化的辩证统一[1]。建立模型的过程,是一个思维与行为相统一的过程。通过对科学模型的研究来推知客体的某种性能和规律,借助模型来获取、拓展和深化对于客体的认识的方法,就是科学研究中常用的模型方法[2]

 

在现代生物学研究中经常使用模型方法,通过寻找变量之间的关系,构建模型,然后依据模型进行推导、计算,作出预测。DNA双螺旋结构的发现过程就是一个非常典型的例子。

 

模型方法在科学研究中具有重要作用,它在中学生物学课程中也有着重要的教育意义。美国《国家科学教育标准》指出,学生的探究活动最终应该构造一种解释或一个模型。我国课程标准也很重视模型的教育意义:在课程目标部分对模型有了明确的要求,在具体内容标准和活动建议部分也列出了“尝试建立真核细胞的模型”、“尝试建立数学模型”、“制作DNA分子双螺旋模型”等内容。高中生物学教材中,在用语言表述生命现象和生命活动规律的同时,也经常用模型来进行解释,模型已经成为高中生物学知识内容的一部分。例如,杂交过程图解事实上就是一个模型,它按遗传学规律把杂交过程简化,用以反映和解释杂交试验的过程和结果,并能通过演绎推理来预测某些杂交试验的结果[3]。人教版高中生物新教材《遗传与进化》中,用了图解式解释模型来阐述达尔文自然选择学说的要点。在某种意义上,理解模型和进行模型建构活动是学生理解生物学的一把钥匙。

 

高中生物学课程中的模型建构活动,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。值得注意的是,中学生物学课程中的模型建构与科学研究中的建立模型既有联系又不完全等同:前者以后者为基础,它们的思维过程在本质上应是一致的;但两者的目的不同,建构背景不同,建构过程也不完全相同。高中学生建构模型时,多数是在背景知识清晰的情况下进行的。例如,沃森和克里克建立DNA双螺旋结构模型的目的,是为了揭示当时并不清楚的DNA分子结构。他们的工作是建立当时其他科学家已经发现的事实的基础上的:DNA分子由含有4种碱基的脱氧核苷酸构成的长链,而且A的量总是等于T的量,G的量总是等于C的量;X射线衍射法推算出该分子呈螺旋状,而且否定了该分子是单链或4链的可能。根据这些事实,沃森和克里克采用模型方法,试探着揭示DNA分子的结构。他们在构建模型的过程中,还始终联系该分子的功能,能够自催化(自我复制)和异催化(能作为模板合成其他分子)。经过紧张而又充满创造性的工作,他们终于成功构建了完全符合已知科学事实的DNA分子结构模型。在揭示DNA分子结构的过程中,模型方法实际上起到了研究纲领的作用,并形象地表现出分子结构,以方便对各种假说进行验证。显然,建立DNA双螺旋结构模型的过程,既有对已知事实的归纳、抽象、简化、舍去非本质属性的过程,也有对头脑中所构想的模型形象化、具体化的过程。所以,DNA双螺旋结构模型是物理模型和概念模型的统一[4]。高中生物学课程中的“制作DNA双螺旋结构模型”的模型建构活动,主要是对已知DNA分子为双螺旋结构的概念进行具体化,所建立的模型是物理模型;其主要目的显然不是揭示DNA分子的结构,而是通过制作物理模型来再现难以直接观察到的DNA分子的结构,加深对DNA分子结构特点的认识和理解,并体验具体化的模型的作用。

 

可以看出,高中生物学课程中的模型建构活动,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,领悟模型方法,并获得或巩固有关生物学概念。

 

2.提升实际教学中模型建构活动的有效性

 

为了更好地发挥模型方法在高中生物课程中的教育价值,人教版高中生物学新教材所设计的模型建构活动在课标具体内容要求的基础上作了一定的拓展,但有关活动在教学实践中的实施情况却不尽理想。

 

2.1.落实一定数量的模型建构活动是基础最近课程教材研究所在部分高中实验区进行的一项调查显示:从未组织学生进行过模型建构活动的教师占调查总数的30%,仅组织过一次的占39%。回答未能进行模型建构活动的原因时,95%的教师认为是“不是非做不可”。可见,认为模型建构可有可无是实际教学时模型建构活动开展不够的根本原因。事实上,课程标准、教材都已经将模型提升为高中生物学课程的基本内容之一,高考考试大纲也将建立模型的方法列入能力考核的目标与要求。显然,模型和模型方法并不是可有可无。

 

模型的教育意义需要通过“建构”来实现:在模型建构活动中,往往需要进行观察或实验,需要进行归纳和演绎,需要运用已有知识进行假设、模拟、将复杂的事物进行简化、抽象出其本质属性,需要将头脑中抽象的概念具体化、形象化并身体力行;通过亲身参与这样的活动,学生在探索思考中,可以体会到模型建构的方法,获得成功的喜悦,才可能将模型方法内化为认知图式,获得认知水平上的提升。可以说,模型方法的精髓体现在建立模型的探索与发现之中,不亲身经历其中的困惑与发现,很难领悟模型方法的要素与关键。

 

那么,做几个模型建构活动合适呢?要回答这个问题,须分析教材中所设计的几个模型建构活动的特点(表1)。

 

1 人教版教材中设计的模型建构活动分析

 

活动名称

模型种类

思维要点

活动要点

尝试制作真核细胞的三维结构模型

 

物理模型

先将微观、肉眼难以直接观察的结构或过程简化,把握其主要特征,再将这些特征形象化、具体化

重现的结构准确,能体现有关结构的主要特点。所模拟的过程符合已知科学事实,所建立的模型实物既简单又准确科学是这类活动的关键

建立减数分裂中染色体变化的模型

制作DNA双螺旋结构模型

建立血糖调节的模型

物理模型、概念模型

先将难以直接观察到的过程形象化,再在此基础上抽象出该过程的关键特点

模拟过程简明扼要,分析、抽象出调节过程的规律,即获得概念模型的过程是本活动的关键

建立种群增长的数学模型

数学模型

根据具体情景,抽象出数学规律,并用公式或图表的形式表达

从具体案例推演出建构数学模型的基本规律是关键

 

教材安排的上述5个模型建构活动分属3类,各有特色和意义,其中尝试制作真核细胞的三维结构模型、建立减数分裂中染色体变化的模型、建立种群增长的数学模型是课标具体内容标准的要求,属于必须做的活动。所以,实际教学中至少应该做3个模型建构活动才能达到课标的基本要求。在此基础上,再补充做1个建立概念模型的活动,才能让学生比较全面地了解模型方法及其在科学研究中的作用,体验建立模型时抽象化或具体化的思维过程,并尝试建构不同类型的模型,

 

除了以上归类为“模型建构”的5个活动外,必修1教材中安排的“课外制作”利用废旧物品制作生物膜流动镶嵌模型,必修3教材中安排的“技能训练”构建人体细胞与外界环境的物质交换模型和“思考与讨论”尝试画出生态系统的结构模型等活动,为学生提供了更丰富的模型建构活动的方案。

 

2.2.在模型建构中实现行为与思维的统一是关键在教学实践中进行模型建构活动时,有两种值得反思的现象:一是拘泥于无足轻重的细节像与不像上,背离了模型方法简化、抽象出本质的要旨;二是弱化活动中必要的思维过程,以形成一个具体化的模型为唯一的目的追求。

 

例如,在必修3中安排的“建立血糖调节的模型”,目前所看到的教学设计和教学案例,大多数都把主要的精力放在模拟活动上,有些教学活动还在如何让学生扮演胰腺、肝脏更为形象上下了不少工夫(如让学生贴上胰腺、肝脏的图片),模拟吃饭和运动后的反应过程也不厌其烦,活动中通过旁白对其中所涉及的背景知识作了大量补充(如维持正常血糖含量如何重要,还有哪些激素对维持血糖平衡有重要作用等)。事实上,这个模型建构活动,模拟过程的关键是:一要体现“激素”卡片作为信息起作用这一本质,二要体现反馈和拮抗作用。模拟活动后的讨论,以及通过讨论绘制图解式模型应该是本活动的重中之重。也就是说,模拟活动旨在通过形象化展示肉眼看不见的过程,但这不是根本目的,在形象化的基础上再高度抽象出这个调节过程的本质才是关键。缺少形象化之后抽象出调节过程的本质这一思维过程,往往使这个活动幼稚化为小学生玩的游戏。

 

显然,模型建构不仅要做,而且要在做中有概念的形成和理解,更要在做中体验、思维和创造。也就是说,要建构,更要在建构中实现行为与思维的统一。 

 

参考文献

 

[1]邢红军.1997.论科学教育中的模型方法教育.教育研究,1997年第7期:5356.

 

[2]周瑞平,易光明.2000.模型方法——现代科学研究的重要手段.武汉交通科技大学学报(社会科学版)133):2527.

 

[3]余自强.2004.生物学教育中的模型和模型方法. 生物学教学,294):89.

 

[4][]岩崎允胤,宫原将平.于书亭等译.1984.科学认识论.哈尔滨:黑龙江人民出版社:347348.

    
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