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在現(xiàn)代生命科學(xué)研究中，模型和模型方法起著越來(lái)越突出的作用。學(xué)會(huì)建立合理的模型并運(yùn)用相關(guān)的模型方法進(jìn)行科學(xué)研究，已成為現(xiàn)代高中學(xué)生必備的科學(xué)素養(yǎng)。為了適應(yīng)不斷發(fā)展的現(xiàn)代科學(xué)教育的要求，我國(guó)在《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》課程設(shè)計(jì)思路中明確提出：幫助學(xué)生“領(lǐng)悟假說(shuō)演繹、建立模型等科學(xué)方法及其在科學(xué)研究中的應(yīng)用”、“領(lǐng)悟系統(tǒng)分析、建立數(shù)學(xué)模型等科學(xué)方法及其在科學(xué)研究中的應(yīng)用”。

1 模型和模型方法的基本含義

1．1 模型

所謂“模型”，是指人們?yōu)榱四撤N特定目的，借助于具體的實(shí)物或其他形象化的手段或抽象的形式，對(duì)認(rèn)識(shí)對(duì)象所作的一種簡(jiǎn)化的概括性的描述。是對(duì)所要研究事物原型的結(jié)構(gòu)形態(tài)或運(yùn)動(dòng)形態(tài)的一種模擬，是事物原型的某個(gè)表征和體現(xiàn)，同時(shí)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，但能描述原型的本質(zhì)特征。在原型的基礎(chǔ)上建立模型的過(guò)程是一個(gè)從具體到抽象、從實(shí)踐上升到理論認(rèn)識(shí)的飛躍。

模型的形式很多，主要包括物理模型、概念模型、數(shù)學(xué)模型、方法模型等。模型在生物學(xué)中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。例如，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型就是一種物理模型，它形象而概括地反映了所有DNA分子結(jié)構(gòu)的共同特征。又如，通過(guò)標(biāo)志重捕對(duì)某一地區(qū)內(nèi)某種動(dòng)物種群密度進(jìn)行調(diào)查的方法，這是一種典型的方法模型。再如，運(yùn)用細(xì)菌生長(zhǎng)曲線(xiàn)圖表或某一方程式表示少數(shù)細(xì)菌在恒定容積的培養(yǎng)液中數(shù)量變化過(guò)程，則是典型的數(shù)學(xué)模型。

1．2 模型方法

模型方法是指通過(guò)在基本原型的基礎(chǔ)上建立相關(guān)的模型，并運(yùn)用相應(yīng)的模型分析解釋生物學(xué)現(xiàn)象、揭示生物本質(zhì)規(guī)律特征，研究某種動(dòng)態(tài)生命系統(tǒng)中各種因子之間相互關(guān)系等。這是一個(gè)從實(shí)踐上升到理論認(rèn)識(shí)再?gòu)睦碚撜J(rèn)識(shí)回到實(shí)踐的過(guò)程。例如，減數(shù)分裂過(guò)程中染色體的行為變化是一個(gè)比較抽象的內(nèi)容。由于染色體的聯(lián)會(huì)、分離及染色單體分離的過(guò)程等，都發(fā)生于細(xì)胞這一微觀(guān)世界，必需借顯微鏡才能看到，因而給學(xué)生的理解和掌握帶來(lái)了很大的困難。才通過(guò)建立減數(shù)分裂過(guò)程中染色體的變化的模型模型，能夠很好地幫助學(xué)生對(duì)減數(shù)分裂分過(guò)程中染色體的各種復(fù)雜變化產(chǎn)生更為直觀(guān)的感性認(rèn)識(shí)，這便是一種模型方法。模型方法的運(yùn)用不僅可以幫助學(xué)生更加準(zhǔn)確理解、掌握相關(guān)的生物學(xué)基本原理，而且能夠幫助學(xué)生有效地構(gòu)建完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)、掌握相關(guān)的生物學(xué)研究方法、全面提高學(xué)生的綜合科學(xué)素養(yǎng)。

2 新課標(biāo)教材（人教版）有關(guān)模型和模型方法的基本內(nèi)容和要求

新課程標(biāo)準(zhǔn)教材（必修）上有關(guān)模型建構(gòu)的內(nèi)容，分別出現(xiàn)于思考與討論、技能訓(xùn)練、模型建構(gòu)、課外制作等幾個(gè)欄目中：

所屬模塊

教材中位置

主要內(nèi)容

相關(guān)欄目

《分子與細(xì)胞》

第四章第2節(jié)

利用廢舊物品制作生物膜模型

課外制作

第三章第3節(jié)

嘗試制作真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型

模型建構(gòu)

《遺傳與變異》

第二章第1節(jié)

建立減數(shù)分裂過(guò)程中染色體的變化的模型

模型建構(gòu)

第三章第2節(jié)

制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型

模型建構(gòu)

《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》

第一章第1節(jié)

構(gòu)建人體細(xì)胞與外界環(huán)境的物質(zhì)交換模型

技能訓(xùn)練

第二章第2節(jié)

建立血糖調(diào)節(jié)的模型

模型建構(gòu)

第四章第2節(jié)

構(gòu)建種群增長(zhǎng)模型的方法――數(shù)學(xué)模型

科學(xué)方法

第五章第1節(jié)

參照下圖所示一般系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式圖，嘗試畫(huà)出生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型

構(gòu)建模型

第六章第1節(jié)

分析人口增長(zhǎng)和開(kāi)墾土地之間的關(guān)系模型，對(duì)模型進(jìn)行補(bǔ)充和完善

正文插圖

從內(nèi)容篇幅來(lái)看，教材中與模型及模型方法直接有關(guān)的內(nèi)容不是很多。但是，作為現(xiàn)代生命科學(xué)研究不可缺少的重要手段，模型和模型方法很早就已經(jīng)滲透到生命科學(xué)研究的各個(gè)環(huán)節(jié)。例如，《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》模塊中第五章第4節(jié)安排的制作活動(dòng)：“設(shè)計(jì)并制作生態(tài)缸，觀(guān)察其穩(wěn)定性”，盡管其中沒(méi)有直接提及模型或模型方法，但這一活動(dòng)其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)建構(gòu)模型的探究活動(dòng)。再例如，《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》模塊第五章第1節(jié)要求“參照下圖所示一般系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式圖，嘗試畫(huà)出生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型”的內(nèi)容，雖然在教材中也沒(méi)有明確說(shuō)明是模型建構(gòu)，但其實(shí)質(zhì)也是幫助學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用模型和模型方法分析并解決具體問(wèn)題的一次探究活動(dòng)。

3 模型、模型方法與學(xué)生能力的培養(yǎng)

構(gòu)建模型給我們提供了一種認(rèn)識(shí)和研究生命現(xiàn)象的思路、角度和方法。模型方法作為一種特定的思維方法和行為方式，一旦被學(xué)生所掌握和運(yùn)用用，不僅有利于學(xué)生形成系統(tǒng)的科學(xué)認(rèn)知觀(guān)，全面提高學(xué)生的綜合科學(xué)素養(yǎng)，而且，通過(guò)親身體驗(yàn)科學(xué)探索與發(fā)現(xiàn)的活動(dòng)，學(xué)生更加愿意主動(dòng)地去思考、探索，最終在不知不覺(jué)中,就領(lǐng)略到生物學(xué)知識(shí)的真諦。

3．1 動(dòng)手制作形象的物理模型以培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和形象思維能力

各種物理模型都具有一定的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，它是人們?cè)谒季S中通過(guò)對(duì)生物原型的簡(jiǎn)化和純化而構(gòu)思出來(lái)的。但是構(gòu)建模型的過(guò)程本質(zhì)上也是一個(gè)艱苦的探索、發(fā)現(xiàn)的過(guò)程，它需要嚴(yán)謹(jǐn)、誠(chéng)實(shí)的科學(xué)態(tài)度。因而，通過(guò)學(xué)生自己動(dòng)手制作形象的物理模型，不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的形象思維能力和動(dòng)手能力，而且有利于學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹��?shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。

例如，《遺傳與變異》模塊第三章第2節(jié)中的“制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”。學(xué)生在自選材料并嘗試制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的活動(dòng)中，首先要求他們將復(fù)雜的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)這一原型客體加以簡(jiǎn)化和純化，再逐步從抽象過(guò)渡到具體，最終構(gòu)建一個(gè)能反映DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)本質(zhì)特征的模型。由于模型的構(gòu)建能使DNA分子更加直觀(guān)化，所以通過(guò)這一活動(dòng)，不僅能夠培養(yǎng)和提高學(xué)生的動(dòng)手能力，同時(shí)也有利于培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的形象思維能力。此外，在學(xué)生體驗(yàn)到對(duì)探究活動(dòng)成功后的喜悅感、自豪感的同時(shí)，還有利于激了發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而產(chǎn)生良好的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

3．2 構(gòu)建抽象的概念模型培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問(wèn)題的抽象思維能力

以抽象思維方法構(gòu)建的模型，是人們抽象出生物原型某方面的本質(zhì)屬性而構(gòu)思出來(lái)的，例如“建立血糖調(diào)節(jié)的模型”。血糖平衡的調(diào)節(jié)是一個(gè)重要但比較抽象的教學(xué)內(nèi)容。如果僅僅由教師以講述的方式告訴學(xué)生們有關(guān)內(nèi)容，學(xué)生是很難真正理解的。因此，在學(xué)習(xí)了血糖平衡調(diào)節(jié)的原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)“建立血糖調(diào)節(jié)的模型”活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合已有的知識(shí)儲(chǔ)備和生活經(jīng)驗(yàn)主動(dòng)地思考、討論、建構(gòu)模型，并嘗試探索運(yùn)用所建構(gòu)的模型理論解釋生活中的具體問(wèn)題。這樣不僅可以幫助學(xué)生更好地理解人體內(nèi)是如何對(duì)血糖含量進(jìn)行調(diào)節(jié)的，并在此基礎(chǔ)上理解體內(nèi)激素如何對(duì)生命活動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)；同時(shí)，也力圖引導(dǎo)學(xué)生初步了解建構(gòu)模型，尤其是概念模型的基本方法和意義；而且培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)設(shè)探究情境，認(rèn)真觀(guān)察、分析、判斷的思維能力以及設(shè)計(jì)和完成實(shí)驗(yàn)的能力。

3．3 構(gòu)建數(shù)學(xué)模型培養(yǎng)學(xué)生對(duì)生物學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律的綜合性分析探究能力

在科學(xué)研究中，數(shù)學(xué)模型是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題和探索新規(guī)律的有效途徑之一。數(shù)學(xué)模型在生物學(xué)中也越來(lái)越表現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力，它通過(guò)建立可以表述生命系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r等的數(shù)學(xué)系統(tǒng)，對(duì)生命現(xiàn)象進(jìn)行量化，以數(shù)量關(guān)系描述生命現(xiàn)象，再運(yùn)用邏輯推理、求解和運(yùn)算等達(dá)到對(duì)生命現(xiàn)象進(jìn)行研究的目的。引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，有利于培養(yǎng)學(xué)生透過(guò)現(xiàn)象揭示本質(zhì)的洞察能力；同時(shí)，通過(guò)科學(xué)與數(shù)學(xué)的整合，有利于培養(yǎng)學(xué)生簡(jiǎn)約、嚴(yán)密的思維品質(zhì)，提高其綜合性分析探究的能力。

例如，在《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》模塊第四章第2節(jié)“構(gòu)建種群增長(zhǎng)模型的方法――數(shù)學(xué)模型”部分，《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)這一內(nèi)容的相關(guān)要求是“嘗試建立數(shù)學(xué)模型解釋種群的數(shù)量變動(dòng)”。該條內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的含義有兩層：第一，“嘗試建立數(shù)學(xué)模型”屬模仿性技能目標(biāo)，旨在通過(guò)原形示范（細(xì)菌的數(shù)量增長(zhǎng)）和具體指導(dǎo)，學(xué)生能完成建立數(shù)學(xué)模型；其二，“解釋種群的數(shù)量變動(dòng)”屬理解水平的知識(shí)目標(biāo)，旨在把握數(shù)學(xué)模型（抽象）與種群的數(shù)量變動(dòng)（具體）之間的內(nèi)在邏輯聯(lián)系。教材中結(jié)合“問(wèn)題探討”的素材，介紹了建立數(shù)學(xué)模型的一般步驟。第一步，觀(guān)察研究對(duì)象是為了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，探索規(guī)律，“細(xì)菌每20 min分裂一次”便是通過(guò)大量觀(guān)察和實(shí)驗(yàn)得出的規(guī)律。這是建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)，在這一基礎(chǔ)上運(yùn)用數(shù)學(xué)方法將生物學(xué)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問(wèn)題。生命現(xiàn)象往往不是以數(shù)學(xué)化的形式出現(xiàn)，這就需要善于從具體現(xiàn)象中抓住其數(shù)學(xué)本質(zhì)。第二步，合理提出假設(shè)是數(shù)學(xué)模型成立的前提條件，假設(shè)不同，所建立的數(shù)學(xué)模型也不相同。第三步，運(yùn)用數(shù)學(xué)語(yǔ)言進(jìn)行表達(dá)，即數(shù)學(xué)模型的表達(dá)形式。第四步是對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)和修正。在理想狀態(tài)下細(xì)菌種群數(shù)量增長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型是比較簡(jiǎn)單的，而生物學(xué)中大量現(xiàn)象與規(guī)律是極為復(fù)雜的，存在著許多不確定因素和例外的現(xiàn)象，需要通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)或觀(guān)察，對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)和修正。以上建立具體數(shù)學(xué)模型的過(guò)程，就是一個(gè)從具體的生物現(xiàn)象與規(guī)律建立抽象的數(shù)學(xué)模型，又用抽象的數(shù)學(xué)模型來(lái)解釋具體的生物學(xué)現(xiàn)象與規(guī)律的過(guò)程。在這一過(guò)程中學(xué)生學(xué)會(huì)了從現(xiàn)象中揭示出本質(zhì)和規(guī)律，同時(shí)學(xué)會(huì)運(yùn)用恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型表達(dá)某些生物學(xué)規(guī)律的創(chuàng)造性思維方法。

4 結(jié)束語(yǔ)

作為現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)識(shí)手段和思維方法，模型同時(shí)兼有具體化和抽象化的含義。在模型思維中，從特定的原型出發(fā)，根據(jù)某一特定目的，抓住原型的本質(zhì)特征，建構(gòu)一個(gè)能反映原型本質(zhì)聯(lián)系的模型，并進(jìn)而通過(guò)模型解釋生命現(xiàn)象、揭示生命規(guī)律。在新課程改革中突出模型和模型方法，不僅能夠讓學(xué)生于探索科學(xué)現(xiàn)象的樂(lè)趣中發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律，培養(yǎng)和提高學(xué)生觀(guān)察、實(shí)驗(yàn)、分析和解決問(wèn)題的能力，形成正確的對(duì)待科學(xué)問(wèn)題的觀(guān)點(diǎn)和態(tài)度。同時(shí)還能幫助學(xué)生在領(lǐng)略科學(xué)知識(shí)的真諦的同時(shí)，更深入地掌握運(yùn)用和探究生物學(xué)知識(shí)所必需的思維方法和探究能力。