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研究成果
运用信息技术进行生物学模型方法教学
发布时间:2014-11-13 00:00:00  发布人:周晓强
运用信息技术进行生物学模型方法教学
周晓强(江苏省苏州实验中学    215011)
摘 要  从理论上对模型方法的概念、生物学模型方法的分类进行归纳,强调了生物模型方法和信息技术的整合在生物学教学过程中的重要作用。实践上,应用信息技术制作生物模型,并有针对性地设计培养学生生物学模型方法的教学方案,具体落实在教学实践活动过程中,取得了比较好的效果。为信息技术和生物学模型方法教学的整合提供了依据和案例。
关键词  信息技术;生物模型;模型方法;生物学教学
生物学研究对象是极其复杂的,对于每一个研究对象来说,它涉及的因素是相当多的。因此,为研究生物问题的方便和易于探究生物问题本质而从复杂的生物现象和过程中抽象出研究对象的简化描述或模拟称生物模型。它不仅具有高度的抽象性,还具有广泛的代表性。正如钱学森先生所说:“模型就是通过我们对问题的现象的分析,利用我研究得来的机理,吸收一切主要因素,略去次要因素所创造出来的一幅图画,是形象化了的自然现象。”
1  生物模型分类
所谓“模型”指模拟原型(所要研究的系统的结构形态或运动形态)的形式,它不再包括原型的全部特征,但能描述原型的本质特征,一般可分为物理模型和数学模型两大类。
1.1  物理模型
物理模型又包括物质模型和思想模型两类。
1.1.1  物质模型
高中生物课程中涉及的物质模型包括模式标本和模拟模型。有些对象不可能或不易看到它的实物,如珍稀鸟类、鱼类等,通过模式标本,可以间接地看到它们。
有些生物体太小,不能迅速看清它们的结构,如植物根尖结构、叶片结构等,模拟模型则把它们放大很多倍,而且能把其中要研究的各部位明确地表示出来。有的因实物的空间层次复杂,通过模拟模型可以把它的不同结构组合起来,形成立体结构,还可以从整体中了解局部。如人体的构造和机能模型,在一个人体模型内把各器官系统按自然位置组合到里边,用不同深浅的颜色把各系统区分开。这样不仅可以观察到各器官系统的形态结构和功能,还可以动手进行装卸,对学习起到很大的帮助作用。
1.1.2  思想模型
思想模型是物质模型在思维中的引申,它包括两类:一类是以形象化方法构建的模型,如DNA双螺旋结构模型。生物膜液态镶嵌模型,它是对生物原型进行简化和纯化,进而构思出来的模型,具有一定的形态结构特征,能简略描述研究成果,使研究对象更直观,便于理解。
另一类是以抽象方法构建的模型,如呼吸作用图解、光合作用图解、有丝分裂和减数分裂过程、兴奋在细胞间的传递、蛋白质合成过程的图解、杂交过程图解等。它是在一定条件下对具体运动过程进行抽象而形成的理想化过程。
1.2  数学模型
借助数学思想、数学工具和数学方法,构造函数曲线图,或用概率论和统计方法描述和研究随机现象,称为数学模型。它可以反映生物之间、生物与环境之间或某一生理过程中某种物质量的变化,具有解释判断和预测等功能,如理想环境中的种群增长模型,种群在有限环境中的增长模型。利用“种群数量增长的模型”,可以判断、预测“外来物种人侵对本地物种的影响”。一个新的物种进人新的环境中,由于空间和食物资源的充裕,可以把它认为是一个理想的环境,外来物种在一定时间内呈“J”型增长曲线,占据了本地物种生存所用的空间和食物,对本地物种会带来毁灭性的灾难。
又如对基因的分离和随机结合问题的理解,本来是一个数学上的概率问题,通过完成“性状分离比的模拟实验”,基因分离规律这一遗传学定律更容易被接受,理解起来也更直观。
2         信息技术与生物学模型方法结合的必要性
2.1  信息技术使生物数学模型教学直观化、形象化、快速化
数学模型是联系实际问题与数学的桥梁,具有解释、判断、预测等重要功能。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。在我们生物课本中,有大量的数学模型,如生物必修一《分子与细胞》第六章第一节“细胞的增殖”关于在有丝分裂过程中DNA、染色体数量的变化的曲线图;生物必修三《稳态与环境》第四章第二节“种群数量的变化”,用数学模型表示种群数量增长的曲线等等。很多相关数学模型的得出是一个复杂繁琐且抽象的过程,上课时费时学生又不易理解,而多媒体的介入,可以把这些复杂抽象的推导过程快速化、直观化、形象化,便于学生自己探究得出结论。从而使学生对相应的知识产生深刻的认识,大大提高了教学的效率。
2.2  信息技术使生物物理模型的制作过程规范化、高效化,评析清晰化
以实物或图画形式直观地表达认识对象的特征,这就是物理模型。生物膜的结构的实物模型和模型示意图就是典型的物理模型,他形象而概括地反映了所有生物膜的共同特征。借助信息技术中的实物投影仪不仅可以把已经制作好的实物投影放大,供全班学生观赏评价,也可以用实物扫描仪对实物模型进行全方面的扫瞄,再通过软件制作显示出模型的立体图。使学生可以看到这个模型不同角度的特征,对模型有全方面的深刻认识。
2.3  信息技术使理想模型教学化虚为实、化静为动
理想模型是人们为了便于研究而建立的对原型事物高度抽象化的思想客体或思想事物,它是对研究对象的简化,突出反映了显示原型的主要特征和联系。但如果上课我们仅仅依靠课本上的模式图、示意图等一些理想模型,就显得枯燥、抽象,导致学生缺乏兴趣,影响教学效果。信息技术可以使生物的结构和一系列的生理过程化抽象为直观,化虚为实、化静为动。这样就大大提高学生的学习热情,这样很容易达到教学目标。
3  生物学模型方法教学的具体实施
在进行模型教学时,要引导学生认识:为什么要建立模型,怎样建立模型,模型运用的条件是什么,怎样检验和完善模型。简言之,既要教模型的知识,又要教模型的方法。下面以“植物对水分的吸收和利用”一课为例谈谈模型方法的教学环节。
植物细胞渗透作用的原理是这一课的重点和难点,根据教材的安排,先进行渗透作用的实验演示,了解渗透作用条件及原理,然后引出成熟的植物细胞具备这两个条件,是一个渗透系统。从知识内在逻辑体系上看是顺理成章的,但从学生程序性知识的获得过程上看,根据植物细胞吸水、失水现象想到设计渗透作用装置来探究,就显得生硬和牵强。所以我根据模型方法的形成特点,对教学程序进行了调整。
3.1  观察对象的外部表现,提出疑问和研究课题
信息展示:两株长势粗似的青菜,分别放人盛有等量的清水和浓盐水中,然后显示在盐水中的菜叶慢慢萎蔫。通过观察,让学生自己根据观察到的现象提出间题:在盐水中青菜为什么会萎蔫?并作出假设:在盐水中的青菜是因为失水萎蔫。在假设基础上提出新的问题:是什么部位失水?为什么失水?从而确定研究课题:植物细胞是如何吸水和失水的,也就是建立“植物细胞渗透作用”的模型。通过从个体失水现象到细胞失水分析,是对研究对象的一种简化,这是模型方法的基本思想的体现。
3.2  设计模型实脸找出实验现象的主要特征及产生这些现象的条件
通过信息模拟的细胞结构模型的分析:原生质层可以看作半透膜,水分子可以自由通过而无机盐离子选择通过,如将植物细胞放人浓盐水中,水分子从细胞向外扩散的就会多,也就是会失水,从而会表现出原生质层与细胞壁分离的现象。在分析基础上,学生开始设计验证植物细胞渗透吸水失水的实验,并根据设计的实验进行操作规程,观察现象、分析实验原因。实验中除提供必需的器材外,还准备了多种溶液:有浓盐水、不同浓度的蔗糖溶液、酒精、硝酸钾溶液等,虽然这些药品不一定都要用到,但有利于抽象和概括的模型思想和形成。
3.3  分析实验事实,建立相应模型
由于实验过程只是对思维的一种判断或验证,对于形成渗透模型,仍然借助于信息的质壁分离及复原的微观过程模型的演示,建立起“半透膜两侧存在浓度差,可以发生渗透作用”的模型。由于细胞的质壁分离过程中,受细胞复杂的结构的影响,建立起的模型需通过检验。于是设计了渗透作用演示实验,来验证半透膜两侧存在浓度差是否发生渗透作用,同时提出变式问题:长颈漏斗口如不用半透膜,用全透或不透的膜,结果如何?膜两侧溶液调换,结果又如何?等等。
3.4  运用所建模型解释现象这是用模型解释原型的过程。
生产、生活中有许多例子:植物的烧苗、萎蔫现象,凉拌黄瓜,合理施肥、灌溉,甚至动物细胞渗透压的维持、内环境的稳态等,学生都可以运用渗透模型来解释这些现象。可以使学生体验到理论知识的作用,使他们对探究活动成功后的喜悦感、自豪感产生稳定的需要,有助于形成稳定的学习兴趣。
3.5  修正和完善模型
植物细胞都是通过渗透作用吸水和失水的吗?通过干种子吸水的信息模拟,证明有的细胞通过吸胀作用吸收水分的。这样对原先的模型进行补充或扩充,使学生认识到模型的建立是一个不断发展和完善的过程。
4  生物模型的教育价值
4.1  有利于培养学生的思维品质
模型是学生学习科学知识的重要手段,掌握了模型方法不仅能更透彻地理解科学知识,还能将学生的认知水平逐步从具体向抽象过渡,从感性思维上升到理性思维,有利于培养学生的思维品质。
如在遗传规律的教学中,以一对相对性状的遗传实验为基础,首先让学生从F2及测交后代不同表现型具体的数量中抽象出3:1和1:1的比例关系,从而理解含一对等位基因的杂合子产生的配子种类、子代基因型及表现型的种类及比例,然后借助遗传图解和概率的计算,推理出2对位于非同源染色体上的非等位基因的遗传结果,最后揭示出含n对非等位基因(位于非同源染色体上)的杂合子的遗传行为和结果,得出2n、3n、(3:l)n、(1:2:1)n等结论。
模拟实验说明了生物学实验除了可以用生物材料来做,也可以用非生物材料来做,可以因陋就简、就地取材进行科学实验s这对于学生发散思维的培养,将大有裨益。
4.2  有利促进学生自主学习
模拟实验和构建模型具有寓生物学知识的学习和探究于游戏之中的性质,这样的实验,既体现了生物学知识的科学性,又符合学生的认知发展规律,能够激发学生的学习兴趣,使学生学习的积极性和主动性得以提高。
4.3  有利于发展学生的探究能力
模型的建立过程就是一个科学探究的过程。在这一探究过程中,需要学生自己确定对象,设置已知和未知,运用科学规律,选择研究方法,检验模型是否与实际一致。这对学生探究能力的培养是很有好处的。但生物建模对教师和学生都有一个逐步学习和适应的过程。建模活动也要经历一个由简单到复杂、由低级到高级的复杂活动。教师在设计教学活动时,应充分挖掘和利用教材中可运用模型方法教学的内容,同时考虑学生的实际能力和水平,有利于更多的学生参与。
生物模型方法是生物教学的一个重要内容,是进行科学方法教育必需贯彻落实的重要组成部分。运用信息技术进行模型方法教学,可以更加充分、有效地发挥模型方法功能,提高学生生物学素养。
 参考文献
(1)余自强,生物学教学中的模型和模型方法。生物学教学,2004,29 (4 )。
(2)赵锡鑫、张国柱,中学生物学教学法。北京:高等教育出版社,1982。
(3)杨佩娟,生物数学模型的建构与教育价值。生物学教

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