通过模型建构打造生物高效课堂
2022-06-08
人教版高中生物必修1教材对模型的定义是：“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”。《美国国家科学教育标准》中的表述是：“模型是与真实物体、单一事件或一类事物对应的而且具有解释力的试探性体系或结构”。关于模型的形式或种类，不同论著中的说法有所不同，人教版教材中将模型分成物理模型、概念模型、数学模型三种形式。
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1 建构物理模型，使知识形象化、直观化、给力生物高效课堂
1.1 物理模型的概念及作用
物理模型是指以实物或图片形式直观地表达认识对象特征的模型，既包括静态的结构模型，如人工制作或绘制的DNA分子双螺旋结构模型、真核细胞的三维结构模型、细胞膜的流动镶嵌模型等；又包括动态的过程模型，如教材中学生动手构建的减数分裂中染色体变化的模型、血糖调节的模型等。教师引导学生建构物理模型可以使研究对象形象化、直观化，使相关知识便于学生理解，在有限的教学时间完成更多的教学内容，给力高效课堂。
1.2 物理模型给力生物高效课堂的实例
如人教版《遗传与进化》模块中的“DNA分子的结构”一节，重在引导学生模仿科学家建立DNA结构的模型。在教学中，教师先引导学生复习DNA分子的组成单位――脱氧核糖核苷酸及其结构组成；然后分发制作碱基、磷酸和脱氧核糖的材料如纸板、泡沫塑料，用订书钉、大头针代替氢键的连接物，DNA分子骨架的连接物用粗细适当的铁丝代替；由学生分组建构4种脱氧核糖核苷酸的模型，随后建构脱氧核苷酸长链模型。在此过程中，教师提示脱氧核苷酸之间靠3′-5′磷酸二酯键连接，并纠正学生的错误。之后教师引导学生阅读教材中P47～48的阅读材料，让学生知道当时沃森和克里克据DNA衍射图谱推算出DNA分子应呈双螺旋结构，让学生继续建构模型。最后再引导学生从材料中得到“DNA中碱基A与T配对，G与C配对”的信息，让学生修改完成模型。建构DNA模型的过程既让学生高效率的学习DNA分子的双螺旋结构特点，又培养了学生的创新思维能力及合作探究能力。
在生物课堂上用到更多的是模拟实物的图片物理模型，比如人教版必修一《分子与细胞》模块中“探究酵母菌细胞呼吸的方式”一节中的图片模型（图1），此模型的建构要注意两个问题：① 设计了两组实验，一组探究有氧呼吸，一组探究无氧呼吸；② 该实验模型的设计遵循了单一变量原则、等量原则、对照原则。此模型可帮助学生在较短时间达成以下目标，实现生物教学的高效课堂：① 判断酵母菌的呼吸方式类型；② 判断酵母菌的有氧呼吸和无氧呼吸是否都产生二氧化碳；③ 计算酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸产生二氧化碳量的多少；④ 判断酵母菌的有氧呼吸和无氧呼吸是否都产生酒精。
2 建构概念模型，展现知识间内在关系，助力生物高效课堂
2.1 概念模型的概念及作用
概念模型是美国康乃尔大学学者诺瓦克和戈尔提出的，也叫概念图法，是以文字表述来抽象概括出事物本质特征的模型。一般方法是将一系列相关概念置于方框或圆圈中，再以各种连线将相关的概念连接，是一种由概念节点和连线组成的结构化表征，其中的连线则表示各种概念间的内存逻辑关系。如蛋白质结构层次的表述、蛋白质多样性和生物多样性的关系的文字描述、物质跨膜运输方式的模型、现代生物进化理论的概念图、中心法则概念图、内环境稳态概念图、种群基本特征概念图、生态系统结构模型等。概念模型可以使学生深入理解基础知识，辨析知识点之间的联系与区别，使知识结构化，同时有利于培养学生的归纳、概括和语言表述能力。
2.2 概念模型助力生物高效课堂的实例
比如人教版《遗传与进化》模块中的“现代生物进化理论”一节，涉及的新概念较多且比较难懂，与生活实际联系不多，学生学习起来晦涩难懂，教师的讲解也比较枯燥。借助于概念模型的构建（图2），学生会明确现代生物进化理论核心内容的相互关系。该模型内容简单，各观点间的相关关系明了，易于学生掌握。通过对生物学核心概念的探究和学习，能有效提高学生对生物学知识的认知能力、理解能力及创新运用能力，切实提高生物教学效率，助力生物高效课堂。
再比如人教版《分子与细胞》模块中“生命活动的主要承担者――蛋白质”一节，关于蛋白质结构层次的讲解中新的概念名词较多，如果单纯用文字描述讲解，学生一定感觉非常的凌乱且搞不懂各层次之间的关系。如果教师用概念图的形式（图3）呈现蛋白质结构层次，可以非常清晰地将各概念的关系展现在学生面前，对学生的学习起到事半功倍的效果。
3 建构数学模型，揭示问题本质、打造生物高效课堂
3.1 数学模型的概念及作用
数学模型是指用来描述一个系统或它的性质的数学形式，是联系实际问题与数学的桥梁，具有解释、判断、预测的功能。数学模型建构的一般步骤为：观察研究对象，提出问题→提出合理的假设→根据实验数据，用适当的数学形式对事物的性质进行表达→通过进一步的实验或观察等对模型进行检验或修正。比如种群增长规律的数学模型、基因频率与基因型频率计算的数学模型、蛋白质相关计算，遗传病发病率计算的数学模型，DNA分子复制中有关计算等。教师引导学生建构数学模型，有利于学生透过现象解释本质的洞察能力。
3.2 数学模型打造生物高效课堂的实例
比如人教版《遗传与进化》模块中DNA分子复制中的有关计算。若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，经过n次复制需要消耗该脱氧核苷酸数为m×（2n-1）个，第n次复制需要消耗该脱氧核苷酸数为m×2n-1个。
【例1】 一个DNA分子中有1 000个碱基对，其中腺嘌呤占碱基总数的20%，如果连续复制两次，需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸的总数是（ ）
A. 600 B. 1 200 C. 1 800 D. 2 400
再比如人教版《遗传与进化》模块中遗传病发病率计算的数学模型。该模型的建构过程：假设某对夫妇的子代中患甲病的概率是m，患乙病的概率是n。则他们的子代中只患甲病的概率是m×（1-n），只患乙病的概率是n×（1-m），只患一种病的概率是m×（1-n）+n×（1-m）=m+n-2mn，两病兼发的概率是mn，完全正常的概率是（1-m）（1-n），患病概率是1-（1-m）（1-n）。
【例2】 有一对表现型正常的表兄妹婚配，生了一个既有白化病（基因a）又有色盲（基因b）的小孩。这位表兄妹再生一个小孩患两种病的概率是（ ）
A. 1/16 B. 1/8 C. 1/32 D. 1/64
分析：此题的概率计算可以用乘法原则来解决。由表现型正常生出既有白化病又有色盲的小孩，可以推测父母的基因型分别为AaXBY、AaXBXb，他们再生一个小孩患两种病的概率是1/4×1/4=1/16。
通过建构数学模型可以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。在建构过程中使学生能从现象中揭示出本质和规律，可以培养学生的分析、推理与综合的能力，便于学生迅速地理解新知识，提高学习效率，打造高效课堂。
建立模型的过程是一个科学探究的过程，可以让学生置身于探索生物学现象、发现生命规律的活动中，在建立模型中，学会观察和统计的方法、实验的方法、归纳与演绎的方法、假设的方法等。教师在生物课堂中不断进行模型建构思想的渗透，加强师生间的互动，充分发挥学生的主观能动性，在新授课、复习课、习题课中都可以灵活使用，能起到事半功倍的效果。
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1 建构物理模型，使知识形象化、直观化、给力生物高效课堂
1.1 物理模型的概念及作用
物理模型是指以实物或图片形式直观地表达认识对象特征的模型，既包括静态的结构模型，如人工制作或绘制的DNA分子双螺旋结构模型、真核细胞的三维结构模型、细胞膜的流动镶嵌模型等；又包括动态的过程模型，如教材中学生动手构建的减数分裂中染色体变化的模型、血糖调节的模型等。教师引导学生建构物理模型可以使研究对象形象化、直观化，使相关知识便于学生理解，在有限的教学时间完成更多的教学内容，给力高效课堂。
1.2 物理模型给力生物高效课堂的实例
如人教版《遗传与进化》模块中的“DNA分子的结构”一节，重在引导学生模仿科学家建立DNA结构的模型。在教学中，教师先引导学生复习DNA分子的组成单位――脱氧核糖核苷酸及其结构组成；然后分发制作碱基、磷酸和脱氧核糖的材料如纸板、泡沫塑料，用订书钉、大头针代替氢键的连接物，DNA分子骨架的连接物用粗细适当的铁丝代替；由学生分组建构4种脱氧核糖核苷酸的模型，随后建构脱氧核苷酸长链模型。在此过程中，教师提示脱氧核苷酸之间靠3′-5′磷酸二酯键连接，并纠正学生的错误。之后教师引导学生阅读教材中P47～48的阅读材料，让学生知道当时沃森和克里克据DNA衍射图谱推算出DNA分子应呈双螺旋结构，让学生继续建构模型。最后再引导学生从材料中得到“DNA中碱基A与T配对，G与C配对”的信息，让学生修改完成模型。建构DNA模型的过程既让学生高效率的学习DNA分子的双螺旋结构特点，又培养了学生的创新思维能力及合作探究能力。
在生物课堂上用到更多的是模拟实物的图片物理模型，比如人教版必修一《分子与细胞》模块中“探究酵母菌细胞呼吸的方式”一节中的图片模型（图1），此模型的建构要注意两个问题：① 设计了两组实验，一组探究有氧呼吸，一组探究无氧呼吸；② 该实验模型的设计遵循了单一变量原则、等量原则、对照原则。此模型可帮助学生在较短时间达成以下目标，实现生物教学的高效课堂：① 判断酵母菌的呼吸方式类型；② 判断酵母菌的有氧呼吸和无氧呼吸是否都产生二氧化碳；③ 计算酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸产生二氧化碳量的多少；④ 判断酵母菌的有氧呼吸和无氧呼吸是否都产生酒精。
2 建构概念模型，展现知识间内在关系，助力生物高效课堂
2.1 概念模型的概念及作用
概念模型是美国康乃尔大学学者诺瓦克和戈尔提出的，也叫概念图法，是以文字表述来抽象概括出事物本质特征的模型。一般方法是将一系列相关概念置于方框或圆圈中，再以各种连线将相关的概念连接，是一种由概念节点和连线组成的结构化表征，其中的连线则表示各种概念间的内存逻辑关系。如蛋白质结构层次的表述、蛋白质多样性和生物多样性的关系的文字描述、物质跨膜运输方式的模型、现代生物进化理论的概念图、中心法则概念图、内环境稳态概念图、种群基本特征概念图、生态系统结构模型等。概念模型可以使学生深入理解基础知识，辨析知识点之间的联系与区别，使知识结构化，同时有利于培养学生的归纳、概括和语言表述能力。
2.2 概念模型助力生物高效课堂的实例
比如人教版《遗传与进化》模块中的“现代生物进化理论”一节，涉及的新概念较多且比较难懂，与生活实际联系不多，学生学习起来晦涩难懂，教师的讲解也比较枯燥。借助于概念模型的构建（图2），学生会明确现代生物进化理论核心内容的相互关系。该模型内容简单，各观点间的相关关系明了，易于学生掌握。通过对生物学核心概念的探究和学习，能有效提高学生对生物学知识的认知能力、理解能力及创新运用能力，切实提高生物教学效率，助力生物高效课堂。
再比如人教版《分子与细胞》模块中“生命活动的主要承担者――蛋白质”一节，关于蛋白质结构层次的讲解中新的概念名词较多，如果单纯用文字描述讲解，学生一定感觉非常的凌乱且搞不懂各层次之间的关系。如果教师用概念图的形式（图3）呈现蛋白质结构层次，可以非常清晰地将各概念的关系展现在学生面前，对学生的学习起到事半功倍的效果。
3 建构数学模型，揭示问题本质、打造生物高效课堂
3.1 数学模型的概念及作用
数学模型是指用来描述一个系统或它的性质的数学形式，是联系实际问题与数学的桥梁，具有解释、判断、预测的功能。数学模型建构的一般步骤为：观察研究对象，提出问题→提出合理的假设→根据实验数据，用适当的数学形式对事物的性质进行表达→通过进一步的实验或观察等对模型进行检验或修正。比如种群增长规律的数学模型、基因频率与基因型频率计算的数学模型、蛋白质相关计算，遗传病发病率计算的数学模型，DNA分子复制中有关计算等。教师引导学生建构数学模型，有利于学生透过现象解释本质的洞察能力。
3.2 数学模型打造生物高效课堂的实例
比如人教版《遗传与进化》模块中DNA分子复制中的有关计算。若一亲代DNA分子含有某种脱氧核苷酸m个，经过n次复制需要消耗该脱氧核苷酸数为m×（2n-1）个，第n次复制需要消耗该脱氧核苷酸数为m×2n-1个。
【例1】 一个DNA分子中有1 000个碱基对，其中腺嘌呤占碱基总数的20%，如果连续复制两次，需要游离的胞嘧啶脱氧核苷酸的总数是（ ）
A. 600 B. 1 200 C. 1 800 D. 2 400
再比如人教版《遗传与进化》模块中遗传病发病率计算的数学模型。该模型的建构过程：假设某对夫妇的子代中患甲病的概率是m，患乙病的概率是n。则他们的子代中只患甲病的概率是m×（1-n），只患乙病的概率是n×（1-m），只患一种病的概率是m×（1-n）+n×（1-m）=m+n-2mn，两病兼发的概率是mn，完全正常的概率是（1-m）（1-n），患病概率是1-（1-m）（1-n）。
【例2】 有一对表现型正常的表兄妹婚配，生了一个既有白化病（基因a）又有色盲（基因b）的小孩。这位表兄妹再生一个小孩患两种病的概率是（ ）
A. 1/16 B. 1/8 C. 1/32 D. 1/64
分析：此题的概率计算可以用乘法原则来解决。由表现型正常生出既有白化病又有色盲的小孩，可以推测父母的基因型分别为AaXBY、AaXBXb，他们再生一个小孩患两种病的概率是1/4×1/4=1/16。
通过建构数学模型可以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。在建构过程中使学生能从现象中揭示出本质和规律，可以培养学生的分析、推理与综合的能力，便于学生迅速地理解新知识，提高学习效率，打造高效课堂。
建立模型的过程是一个科学探究的过程，可以让学生置身于探索生物学现象、发现生命规律的活动中，在建立模型中，学会观察和统计的方法、实验的方法、归纳与演绎的方法、假设的方法等。教师在生物课堂中不断进行模型建构思想的渗透，加强师生间的互动，充分发挥学生的主观能动性，在新授课、复习课、习题课中都可以灵活使用，能起到事半功倍的效果。