模型方法在生物学问题解决中的应用.doc

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1、 本 科 毕 业 设 计（论文）题 目：模型方法在生物学问题解决中的应用 学 院: 生命与环境科学学院 专业: 生物科学 班级: 姓 名: 学 号: 指导老师: 完成日期: 模型方法在生物学问题解决中的应用摘 要：随着新一轮的课程改革，生物学课程的性质、基本理论和设计思路都发生了根本性的变化，课程标准生物学课程目标的确定更加科学和规范，第一次将模型作为生物学课程的基础知识目标，和生物学基本事实、概念、原理、规律相并列。因此，模型和模型方法的教学研究是实现生物学课程目标的一个重要方面。模型方法是以研究模型来提示原型的形态、特征和本质的方法，是逻辑方法的一种特有的形式。模型方法作为一种重要的解决问

2、题的手段之一，在中学生物学教学与实践中有着广泛的运用，特别是在生物学问题解决中的运用更是举不胜举。本文通过在高中教学设计与教学实践，探索模型方法在生物学问题解决中的应用策略，分别从运用已有模型，解决生物问题，建构生物学模型，发展创造思维等方面进行教学实践，并对教学进行反思，就如何增强学生模型意识，应用模型方法解决生物学问题展开讨论，探索可行之道。关键词：模型方法；生物学问题；问题解决；反思The Application of Model Methods in Biological Problem SolvingAbstract: With the new round of Curriculum

3、 Reform, the character, essential theory and compiling way of Biological Curriculum have been changing fundamentally. The object of Biological Curriculum is designed more scientifically and canonically. The Standards of Curriculum take Model as a requesting knowledge for the first time, apposing wit

4、h Biological elementary facts, concepts, principles and rules. So the study of Model and Model Methods is an important way to carry out the object of Biological Curriculum. Model Methods are methods to study models, thus to show the configuration, characters and essence of antetype. As one of import

5、ant ways to solve biological problem, Model Methods have a wide application in biological teaching, especially in biological problem solving. Through the activity of teaching in Cangnan High School and designing a special reviewing class, the author tries to explore the applied tactics of Models Met

6、hods in biological teaching, with the hope to strengthen students consciousness of Model Methods and help them to master skills to solve problems.Keywords: Model Methods; biological problem; problem solving ; rethinking 前言当前，我国基础教育课程改革正在加速进行，2003年教育部出版的普通高中生物课程标准（实验）在知识方面目标提出了应使学生“获得生物学基本事实、概念、原理、规律

7、和模型等方面的基础知识”，“强调学习是一个主动建构知识、发展能力、形成正确情感态度与价值观的过程1”。同样，美国国家科学教育标准在“科学内容标准”中把科学主题的重点定为“所有学生需要了解、理解、和运用的科学事实、概念、原理、理论、和模型2。”在912年级的内容标准中，进一步把“运用逻辑和证据来构建和修改科学解释和科学模型”和“承认并分析其他解释和模型”作为科学探究所需要的基本能力。当前使用的高中生物教科书包括必修和选修共6个模块，其中与模型方法有关的活动建议有7个，如“模拟实验探究膜的透性”，“制作DNA分子双螺旋结构模型”等等1。模型方法作为中学生物教学论与学习论的一个基本方法已被广泛认可并

8、应用于教学中。近几年来，高考生物题中已逐渐渗透模型方法的思想，运用模型方法解决生物问题的例子也是举不胜举。笔者就在苍南中学（浙江省重点中学）为期两个多星期的教学实习以及一节高中生物会考复习课的教学实践，亲身体验模型方法在生物问题解决中的魅力，但当前模型方法在教学实践中的应用仍存在一些问题，笔者结合亲身教学体验进行反思，探索模型方法在生物学问题的具体解决对策。1 模型与模型方法1.1 模型模型（Model)一词源于拉丁文的Modulus，意思是尺度、样本、标准。牛津高阶英汉双解词典“model”一词有七种解释项。其中前五种解释项都对模型做了不同角度的诠释：（1）依照实物按比例制成的模型；（2）式

9、样、设计；（3）用于示范运作方法等的模型；（4）样本、范例；（5）模范、典型3。在教学方法论中则把模型界定为人们为了某种特定的研究目的而对认识对象所做的一种简化描述。原型则是与模型相应的被认识对象。就模型与原型的关系而言，可以把模型看作原型的质或观念上的类似物。因此可以把模型分为物质模型和观念模型两大类。模型方法是通过研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法。我国高中生物学教科书提供了丰富的模型资源例如：客观实物的相似模拟（实物模型）；真实世界的数学抽象（数学模型）等等。这里参照林国栋对模型的分类方法将生物学模型根据模型所代表和反映的方式分为物理模型和数学模型两大类4（见下图）： 物质模型

10、实物模型：如生物体结构模式标本 物理模型 模拟模型：如细胞结构模型思想模型 具象模型：如DNA分子双螺旋结构模型生物学模型 抽象模型：如光合作用、呼吸作用过程图解模型数学模型 确定性模型：如细胞分裂过程中的DNA含量变化线 随机性模型：如种群基因频率变化曲线模型 图1-1模型的分类 Fig.1-1 Classes of Model1.2 模型与原型的关系1.2.1 相似关系 这是建立模型的前提。相似关系的内涵因研究目的不同而不同在某些研究中，它要求模型不仅与原型是何相似的，而且时间、速度、频率、温度等都必须相似。即模型的各个变量与所对应的原型的各个变量都必须是相似的。这个要求显然非常严格，在实

11、际的研究中要建立与原型完全相似的模型是困难的。因而，在具体的研究中，只要模型能再现原型的本质，满足特定的研究目的即可。相似关系可以是外形结构的、内部物理机制的、功能行为的或者数量变化的相似5。1.2.2 简化关系 模型是关于原型的简化、抽象和纯化，要求模型一定要比原型简单5。一般说来，模型所对应的原型越复杂，模型也就越复杂。但是，当模型与原型一样复杂时，它便失去了价值。需要强调的是，模型只是为某种特定研究目的而建立的，只要求它能反映出研究指向的主要因素即可。对同一原型的不同研究目的而言，要一劳永逸地建立适用于各种要求的模型是不可能的。1.2.3 替代关系建模型的目的，在于通过对模型的研究来间接

12、地揭示原型的性质和规律，即可通过对模型的研究来代替对原型的研究5。但是这并非模型与原形完全一致，某些情况下，需要对模型所不能替代的部分做必要的解释。 1.2.4外推关系 我们可以从研究模型所获得的信息外推翻原型上去，从而间接地获得对原型的认识5。这种认识是间接的，但比直接研究原型来得更容易理解。1.2.5差异关系 模型虽然是原型的模拟、抽象和纯化，与原型存在一定的相似性，甚至替代原型解决问题，在一定范围里，解释生物学事实、原理和规律，但模型并不能真正代替原型，掌握一种模型并不能对一类生物学问题和事实完全适用，需要在不同条件下做适当修改。1.3 模型方法模型方法是以研究模型来提示原型的形态、特征

13、和本质的方法，是逻辑方法的一种特有的形式。模型舍去了原型的一些次要的细节、非本质的联系，以简化和理想化的形式去再现原型的各种复杂结构、功能和联系，是连接理论和应用的桥梁(模型和原型的关系如下图)：理论模型原型 抽象化 证明解释 具体化图1-2模型方法的过程Fig.1-2 The Course of Model Methods1.3.1 物质模型方法 用实物代替原物进行研究的方法称为物质模型方法。高中生物学教学中，有许多原物无法找到或没有必要找到，而采用人工制作的模型或模式标本作为模型。这些模型如细胞的结构模型、被子植物花的结构模型、T2噬菌体的模型等，以一定形态的分子模拟物对生物原型形象、简约

14、地表现出来，从而抓住原型的本质特征。1.3.2 想象模型方法 用想象的抽象物代替原型进行研究的方法叫做想象模型方法。这种方法是人们抽象出生物原型某些方面的本质属性而构思出来的，使对象简化以便于研究。这些想象模型并非凭空想象，是科学家基于科学事实和科学实验建立起来的。例如，物质出入细胞的模型、细胞分裂过程模型、光合作用过程模型、呼吸作用过程模型、激素分泌的调节模型、生物系统的结构与功能模型等。 1.3.3 数学模型方法 用符号、公式、图象等效学语言表现生物学现象、特征和状况的方法称为生物学数学模型方法。如：教材中的细胞分裂过程中DNA含量、染色体数量的变化曲线、酶的活性受温度酸碱度影响的曲线、同

15、一植物不同器官对生长素浓度的反应曲线、基因分离定律、自由组合定律的图表模型、种群基因频率、基因型频率等效学模型。2 模型方法的心理学基础2.1 问题解决相关理论问题解决一般是指个人通过应用并超越过去所学规则以产生一个新答案的过程。对于问题的理解不同，心理学家对问题解决的看法历来不同。解决问题的过程是集“思考、探索、建构、创造”于一体的综合过程，根据人类的认知规律，我们以把它分为三阶段八个环节6（如下表）： 表2-1问题解决八阶段 Table2-1 The Eight Steps of Problem Solving阶段环 节感性（1）感觉问题的存在（2）联系相关的概念、原理（3）感觉问题的疑难

16、 理性（4）提出可行的方法（5）尝试解释（6）分析、综合、归纳总结验证（7）解答问题并验证（8）提出新问题现代信息加工心理学认为问题解决是一种以目标定向的搜索问题空间的认知过程。问题解决的表征过程中就包括“建立操作模型”，当问题所给定的条件变化决定问题的解决方案时，使用模型比较合适。因此说在解决问题的方法中运用类比法和模型方法是必要，也是有效的。2.2 有意义学习相关理论教育心理学家奥苏伯尔的有意义学习理论指出，有意义学习过程的实质是新知识与学习者认知结构中已有的适当概念建立非人为的实质性的联系。为了让学生把新的学习内容的要素与已有认知结构中相关的部分联系起来，实现有意义的学习，奥苏伯尔提出可

17、以利用适当的具有高抽象性、普遍性和涵盖性的“先行组织者”，即一条定律、一个概念或一段概括性说明文字等以促进学习和防止干扰 它可以加强已有认知结构的清晰性、稳定性、和可辨别性，为新知识的学习提供观念上的固着点，从而达到促进知识的有意义学习与保持的目的7。而梅耶（R.E.Mayer）则提出用“具体形象的模型”作为“组织者”。这类组织者包括实物演示、物理模型、图片、图表等。梅耶等人研究表明，具体模型组织者似乎更有助于为新的学习提供必要的准备知识。这主要是因为具体模型直观形象，能通过类比方式促进学生理解和接受新知识。“组织者”的形式可以不同，但其运用的目的都是从外部影响学生的认知结构，使之易于同化新材

18、料。课堂教学的基本目的是将教材的知识结构有效地转化为学生的认知结构，要做到这一点，教师就必须根据学生的原有认知水平去设计教学方法和程序，正如奥苏伯尔所说：“假如让我把全部教育心理学仅仅归结为一条原理的话，那么，我将一言以蔽之日：影响学习的惟一最重要因素就是学习者已经知道了什么。要探明这一点，并应据此进行教学”。简言之，即“以其所知，喻其不知，使其知之”。2.3 心智技能模型的相关理论加里培林提出了心智动作按阶段形成的理论。心智技能是由一系列心智动作构成的。加里培林将心智动作的形成分成五个阶段：一是动作的定向阶段，就是在头脑中建立活动定向映象和方式。二是物质或物质化动作阶段，这个阶段也叫做“活动

19、以物质或物质化形式的阶段”。活动最初形式可以是物质的，也可以是物质化的。这两种活动形式的差别不在于操作，而在于动作的客体。在物质化活动中，动作课题不是对象本身，而是它的代替物，如模型、图解、图样、标本等。这些东西模拟出实物的某些性质和关系，使学生能够使用它们进行外部活动，把它们加以对比、测量、移动和改变等等。三是出声的外部语言动作阶段，四是不出声的外部语言阶段，五是内部语言活动阶段。我国著名教育心理学家冯忠良教授提出原型定向、原型操作、原型内化的心智技能形成三阶段（1992，1998）8。通过原型操作，学生不仅有了程序性知识，而且通过实际操作获得完成的动觉映象，为原型内化奠定基础。原型内化，即

20、心智活动的实践模式向头脑内部转化，由物质的、外显的、展开的形式变成观念的、内潜的、简缩的形式的过程。2.4 知识的迁移理论相关理论桑代克的相同元素说（identical element theory）从联结主义观点出发，指学习内容中元素间一对一的对应，即所谓的共同的刺激和反应的联结。后来，伍德沃斯（Woodworth）把相同元素说该为共同元素学（common components），也就是说在两种活动中有共同的成分发生迁移。迁移的知识不仅包括内容或实质上的相同（identity of substance）还包括程序上的相同(identity of procedure) 9。建构主义认为知识的迁

21、移离不开一定的情境，在情境中建立模型，把复杂抽象的事物简单化，形象化，学生在模型的建立中形成良好的知识结构，在相似情境下产生知识的迁移。3 什么是生物学问题3.1 问题的定义6梅耶（R.E.Mayer）曾经下过一个比较明确的定义：当问题解决者想让某种情境从一种状态变为另一种不同的状态，而且问题解决者不知道如何扫除两种状态之间的障碍时，就产生了问题。这一界定的一个重要含义就是，问题的存在与否是相对问题解决而言，例如：“8-7=？”对于一个已记住其答案的成年人而言不能构成问题，但对于集注答案的幼儿来说，则是个问题。他必须采取用一些方法来求出其答案。近些年来，大多数心理学家比较赞同美国学者纽厄儿和西

22、蒙给问题下的定义：问题是这样一种情景，个体想做某件事，但不能马上知道这件事所需采取的一系列行动。3.1.1 结构良好和结构不良的问题问题的类型有结构良好（well-structured problem）的和结构不良的问题(ill-structured problem)，这是根据问题状态的清晰程度即问题结构的完整性作出的划分。结构良好的问题是指问题给定状态、目标状态以及用于转换状态的方法均已清楚地规定的问题。也就是说问题中目标是清晰的，达到目标的潜在解决途径是已知或容易获取的，例如探究细胞减数分裂DNA变化规律。结构不良问题则是对问题给定状态、目标状态以及转换状态中的一项或几项缺乏明确的界定。例

23、如，如何克服水资源就是一个结构不良的问题。3.1.2 一般领域的问题和专门领域的问题这是按照解决问题所需的算子质量来进行的区分。一般领域问题指解决问题所需的特定领域专业知识较少，而专门领域问题则需要大量特定领域的知识。3.2 生物学问题根据以上理论，笔者认为中学生物学问题是指学生在生物学学习中遇到的问题，它需要学生运用一定的方法去解决。一般生物学问题属于结构良好的，解决此类问题需要特定领域知识的问题，比如细胞的增殖、染色体的结构、生态系统的物质与能量流动等问题就要先学习相应知识领域才能解决对应知识领域内的问题。根据分类标准的不同，生物学问题有多种分类方式。根据能不能运用模型方法解决，可以分为存

24、在模型的生物学问题、需要建立模型的生物学模型、不能建立模型的生物学问题。第一类型问题可以运用物质、想象、数学模型解决；第二类则需要建立变量之间关系，构建模型，比如遗传规律的扩展规律及应用的问题；第三类生物学问题则不能建立一定的模型，比如消化酶特性、生殖系统功能等等问题。3.3 生物学问题与生物学题目的关系生物学是一门与时俱进的课程，新的生物学问题不断涌现，那么生物学问题就是生物学题目么？笔者认为生物学问题就生物学题目是即互相区别又互相联系的概念。首先，生物学问题是个广义的概念，指在生物学领域内，某种情境从一种状态变为另一种不同的状态之间的障碍；而生物学题目可以理解为学生学习生物学知识，运用生物

25、学知识的测验方式之一。其次，解决生物学题目有利于学生提高问题解决能力。题目的解决学生思维能力、思维品质、思维习惯以及评价和解决问题的能力的充分体现，研究题目解决的策略不愧是探究提高学生问题解决能力的途径之一。4 模型方法在生物学问题解决中的应用安德森（J.R.Anderson）认为：“模型是关于范畴的最典型的样例的设想10。” 模型方法在生物学问题中应用相当普遍，增强模型意识，掌握模型方法，对教师教学和学生学习都有重大意义。模型方法在生物学问题的解决主要体现在生物题目中的解决，笔者结合在苍南中学教育实践中所上课的高中会考复习课细胞增殖、分化、癌变与衰老11以及近几年全国高考生物试题进行反思，浅

26、析如何运用模型方法解决生物问题。通过对理论的研究与实际的践行，笔者认为生物学问题中模型方法的渗透主要体现在以下两大方面：4.1 运用已有模型，解决生物问题通过前面的介绍可知模型方法有三类：物质模型方法、思想（想象）模型方法、数学模型方法。根据生物学问题的不同类型，运用相应的模型方法，对症下药，水到渠成。4.1.1 运用物质模型，增强模型意识，综合解决问题 物质模型，包括实物模型和模拟模型，例如细胞结构模型、消化循环结构模式标本等等。物质模型丰富，这是生物学与其他学科相区别的特征之一。并且，生物也是教学与实际联系最为紧密的学科之一。这两大特点决定生物教学中运用模型的广泛性与可行性。然而，并非所有

27、教师都能自觉内化生物学科这两大特点，在教学实践中恰当地展示生物模型，在解题中综合运用模型方法。以下就一道高二生物会考模拟题来讨论一下物质模型与其他模型思想综合解决问题的具体策略。例4-1 据右图回答下列问题：（1）依次写出C、E两个时期的名称_。（2）RNA和蛋白质合成时期为 _；DNA复制时期为 _；核仁、核仁、核膜新形成的时期为 图4-1细胞分裂周期 _。（3）细胞分裂后，可能出现的细胞周期以外的 Fig.4-1 The Cycle of Cell Multiplication3种生活状态是_。 这个题目实际是考察细胞及细胞器模型以及细胞周期模型的掌握情况。细胞增殖过程中细胞器的变化与形态

28、模型是教学的重点与难点，综合运用与细胞周期的知识结合是会考能力突破之一。根据细胞周期特点，细胞周期指连续分裂的细胞，从一次分裂完成开始，到下一次分裂完成时为止。对细胞周期概念的内涵必需明确三方面：只有连续分裂的细胞，它的生长和分裂才具有周期性；分清细胞周期的起点和终点，细胞周期从一次分裂结束后产生新细胞开始，到下一次分裂又产生子细胞时结束；理解细胞周期中的分裂间期和分裂期之间的关系，特别是各期在时间、数量等方面的关联性。而学生如能理解这个模型便可以不变应万变，综合其他知识综合解决一类的问题。高考试题中综合运用物质模型方法的例子举不胜举，比如2003年普通高等学校招生全国统一考试（新课程）第40

29、题考察胰液分泌调节，2002年上海卷36题考察脊髓反射模式图等等。4.1.2 建立思想模型，活化模型方法，理解生物事实 很多生物学事实都可以建构模型来表示，比如经典的DNA双螺旋结构模型。课程标准将制作沃森和克里克DNA双螺旋结构模型作为学生实验操作之一，表明了新课程标准重视学生思想模型的建构，重视引导学生探索科学事实的发现过程的趋向112。该实验是通过制作DNA分子双螺旋结构模型，能深入理解DNA双螺旋结构特点，从制作的过程中深化模型理念，强化学生的实验动手，动脑，动嘴（讨论和评价小组制作的成果模型），活化模型方法，从而更好得理解生物事实。4.1.3 抽象数学模型，升华模型功能，表征问题实质

30、 一般用符号、公式等数学语言来表现生物学现象、特征和状况的方法称为生物学数学模型方法。建立数学模型是科学研究的基本方法之一，生物学中的细胞分裂增殖DNA、染色体变化，孟德尔遗传规律，群体遗传平衡公式（哈迪一温伯格定律）等等都是数学模型，下面以细胞增殖中的DNA变化为例，讨论数学模型在解题中的运用。例4-2 细胞周期的各阶段，一个细胞中的染色体和DNA分子数量比不可能是下列中的（） 图4-2 DNA的数量变化 Fig.4-2 The Quantitative Change of DNA此题考查细胞周期各个阶段染色体和DNA数量关系，并且结合图矩考查的新形式。从细胞周期染色体和DNA变化情况看，染

31、色体与DNA之比只出现两种比例为1：1和1：2，当染色体不含染色单体时为1：1，含染色单体为1：2，不出现2：1的情况。有关细胞增殖和分裂的题目不管是高中会考还是高考都是重点和难点。其实这类问题实质就是对个过程特征的把握，对各时期DNA、染色体、染色单体变化规律的掌握。一味得识记数字变化将使学习变得机械而被动，只有抽象出问题的数学模型才是解决问题的根本。4.1.4 理解“黑箱模型”，提取潜在模型，探索模型功能 有些题目并没有完整的信息用以得出答案，但实际上却隐含着潜在的模型，这就需要充分挖掘题目，找出潜在模型。在控制论中，将内部信息缺乏的客体称为“黑箱”。黑箱方法是控制论的主要方法。黑箱就是指

32、那些不能打开箱盖，又不能从外部观察内部状态的系统。黑箱方法就是通过考察系统的输入与输出关系认识系统功能的研究方法。例4-3 2003年全国高考理综卷第27题，此题提供了一个留有一侧的一对脊神经根的脊髓横切面示意图，即一个模型，然后在这个模型上进行实验：（1）在第一对脊神经根的背根中央处剪断，电刺激背根向中段，蛙后肢发生运动反应；电刺激背根外周段，蛙后肢不发生反应。（2）在第二对脊神经根的腹根中央处剪断，电刺激腹根向中段，蛙后肢不发生反应；电刺激腹根外周段，蛙后肢发生运动反应。要求根据实验(1)判断背根的功能，根据实验(2)判断腹根的功能，并分别说明理由。有的教师和学生误以为此题考查的是关于脊神

33、经背根和腹根的功能的知识，因而认定此题超纲。其实，此题是一个能力立意题，实验属控制论中的“黑箱实验”。此题中脊髓模型就是一个黑箱，它是这个黑箱实验的研究对象。因此，题目没有提供有关脊髓和脊神经功能的信息，对此也不作要求，仅要求根据输入和输出信息判断脊神经背根和腹根的功能 。此题体现了模型作为直观化和简化的研究对象在探究中的价值。4.2 建构生物学模型，发展创造思维很多题目并非有现成的模型和公式，比如孟德尔遗传规律的扩展规律就不是课本中条条框框成文的数学模型，这就要求学生能学以致用，利用原有模型或者题目的信息建立新模型。所谓建模，就是要寻找变量之间的关系，建立模型，然后根据模型推导、计算、推测。

34、例4-4 2003年全国高考理综卷第26题就是一个典型例子。题目是小麦品种是纯合体，生产上用种子繁殖，现要选育矮杆（aa）、抗病（BB）的小麦新品种；马铃薯品种是杂合体（有一对基因杂合即可称为杂合体），生产上通常用块茎繁殖，现要选育黄肉（Yy）、抗病（Rr）的马铃薯新品种。请分别设计小麦品种间杂交育种程序，以及马铃薯品种间杂交育种程序，要求用遗传图解表示并加以简要说明（写出包括亲本在内的前三代即可）。遗传学中的“表现型”是一种实物模型，相当于生物体某性状的模式标本；而“基因型”的实质是“基因组成模型”，它用英文字母来表示生物体中与所研究问题有关的基因组成。因此，此题可运用模型方法解决。然而遗传

35、分离与组合规律并不能直接应用于此题，它需要学生根据原有，模型建立新的模型13。（过程如下表）：表4-1例4-4解题思路Table4-1 The Course of Solve Example 4-4程 序小 麦马铃薯(1)分析变量矮杆或高杆(aa或A_), 抗病或不抗病 (BB或Bb、bb)黄肉或非黄肉(Y_ 或yy) 抗病或不抗病(R_ 或rr)(2)构建亲本基因,组合模型小麦是纯合体，所以亲本为矮杆不抗病(aa bb), 高杆抗病 (AA BB)马铃薯是杂合体 ，所以亲本为：黄肉不抗病(Yyrr)非黄肉抗病(yyRr )(3)推导杂交过程第一代 AABBaabb F1 Aa Bb自交F2

36、A_B_ A_bb aaB_ aabb 高抗 高不抗 矮抗 高不抗yyRrYyrr YyRr YYRr Yyrr yyrr 黄抗 非黄抗 黄不抗 非黄不抗(4)做出预测F2中出现矮杆抗病(aaB_)品种需继续自交,选稳定遗传者F2中出现黄肉抗病(YyRr)品种，用块茎繁殖即可5 模型方法的教学意义有人用“笼天地于形内”、“观古今于须臾”来描述模型方法的奇功。米勒等人的实验把发生于数亿年前生命起源的悠长历程，仅以几天时间再现于小小的玻璃容器中供人们观察和研究，它从一个侧面显示了运用模型方法在科学技术研究中的独特作用。运用模型及其方法在生物学教学中具独特作用，特别是对学生的知识、能力、情感态度与价

37、值观的发展有重要意义。 5.1 从学生知识与认知水平上 模型是学生学习科学知识的重要手段，学生掌握了模型方法能更透彻地理解科学知识。模型方法将学生的认知水平逐步从具体向抽象过渡，抓住原型的本质特征，对原型进行抽象，把复杂的原型客体加以简化和纯化，以构建一个质的联系的模型。模型一方面提供了这种教学情境，同时，又使学生在这种从具体到抽象的认识过程中发生认知冲突，促进认知水平的发展。在生物学教学中，引导学生进行模型方法训练，充分发挥了学生的主观能动性，学生的主体意识得以加强，学习方式也发生了变化，由以前传统的单独接受学习，转变为接受学习为辅助、主动发现学习为主的学习方式，注重对问题的主动分析探究，主

38、动通过新旧知识的相互作用构建自己的知识结构。5.2 从学生能力上 模型的建立过程实际上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，设置已知与未知，运用科学规律，选择研究方法，检验模型是否与实际一致。建模就是构造模型，但模型的构造并不是一件容易的事，需要有足够强的构造能力，而学生构造能力的提高则是学生创造性地使用已知条件，创造性地应用知识。从这个层面看，构建模型的目的就不只是停留在模型本身的结构与性质的探索上，而是上升到科学能力发展的高度，这对学生探究能力的培养是很有好处的。通过模型方法的运用，学生的问题转换能力随之加强。恩格斯曾说过：“由一种形式转化为另一种形式不是无聊的游戏

39、而是数学的杠杆，如果没有它，就不能走很远。”由于建模就是一个转化的过程，在教学中注重转化，用好这根有力的杠杆，对培养学生思维品质的灵活性、创造性及开发智力、培养能力、提高解题速度是十分有益。通过模型方法的运用，学生的类比联想能力也随之加强。类比思维是一种逻辑推理的思维方式，它是根据两个事物之间在某些方面相似或相同，从而推出在其他方面也可能相似或相同。类比思维能在已知和未知事物之间迅速架起沟通的桥梁。联想和想象属于直觉思维，它们不依赖准确的逻辑思维，是一种无规则、无定向的思维，具有广阔的发散空间，是一种可贵的心理品质是创造的基础。培养学生的创新能力。在诸多的思维活动中，创新思维是最高层次的思维活

40、动，是开拓性、创造性人才所必须具备的能力。麻省理工大学创新中心提出的培养创造性思维能力，主要应培养学生灵活运用基本理论解决实际问题的能力。在教学中，给学生提供机会，通过观察、比较、领悟、突发灵感发现解决问题的途径，建立学生自己的、有独到见解的和与众不同的思考方法，如善于发现问题，沟通各类知识之间的内在联系等是培养学生创新思维的核心。5.3 从学生情感态度上 模型的建立不是一蹴而就的，需要学生有严谨、诚实的科学态度和坚韧不拔的意志。因此，模型的建立可培养学生的科学态度和精神。首先，学生方法意识得到了加强。随着科学的发展，社会的进步，学生学习科目增多，学习任务加重，要想取得好成绩，提高学习效率，科

41、学的学习方法就显得更加重要。在生物学教学中实施模型方法教学实践以后，绝大多数同学尝到了方法的好处，体会到“方法比知识更重要”，意识到方法的重要性，对问题解决倾向于找方法，而是仅靠记忆。 其次，教师“教”、学生“学”的观念发生变化。课堂教学活动应注重学生自主实践能力14，传统教学重结论，轻过程，重知识识记，轻方法掌握、能力培养；把形成结论的生动过程变成了单调刻板的死条文背诵，学生只掌握了一些缺乏“过程性、生成性、开放性”的现成结论。在模型方法教学实践活动中，我们深深体会到模型方法过程从某种意义上讲就是一种科学探究过程。教师是学生意义建构的指导者和促进者，不仅要传授知识，更重要的是教给学生方法和能

42、力。学生应该是学习的主人，是意义的建构者。6 模型方法在教学实践中存在的问题在两个多星期的教学时间过程中，在与指导老师和同学的交流中，笔者深刻体会到了模型方法作为一种科学认识手段对学生知识、能力、情感态度的发展具有重要意义。随着新课程改革，研究性学习正迫切要求教师在教学实践中使学生的模型意识得到强化，模型方法能力得以提高。但这种方法在运用中也遇到一些困难和疑问。6.1 树立模型意识 模型方法作为中学生物学习的方法之一，并不是雨后春笋，突然冒出来的东西，也不是单纯的泊来之词。模型方法作为一种基本的方法已经在中学生物教学中有着广泛的运用。比如各种实物模型、循环系统流程图等。正因为如此，很多教师就认

43、为给学生看一下实物模型便是运用模型方法了，介绍光合作用，循环系统过程便也是运用模型方法了。这其实是教师对模型方法的一种误解。模型方法必须是对原型的抽象和有效解释，它反应的必须是生物现象或者生物规律实质性的、必然性的、内在的联系。而且运用该方法能使学生改变以往死记硬背的陋习，它锻炼的是学生的演绎、发散、创造性思维。所以在模型方法实施的第一步，教师应在观念上树立模型意识，只有教师有了模型意识，自觉运用模型方法于生物问题中，学生才可能提高演绎、发散、创造性思维。6.2 运用模型方法由于传统教学模式的束缚及学校教学要求的限制，学生并不能自觉的运用模型方法解决问题，即使运用模型方法，也可能出现只是了解模

44、型的知识而忽视模型的方法，造成学生学到的知识肤浅，降低了教学要求。在运用模型的过程中更重要的是使学生掌握规律，举一反三，知道模型，更需重视掌握模型中的规律。 6.3 活化模型功能有些教师建立模型的目的不明确，立足于表面化和形式化，没有讲究实效。太强调模型和模型意识并不好，有时并非模型就能更好地反映生物事实。比如细胞结构模式图，其实细胞模式图只是对真实细胞的一个模拟，而真正显微镜下的细胞非完全如此和完整，比如根尖成熟区细胞就没有植物细胞模式图中的叶绿体，而液泡相对其他部位细胞的液泡来得大。如果太强调模型，就会使学生思维定势。因此，在教学与解题中不应将模型作为绝对真理去认识和运用，模型是原型的一种

45、抽象，但它是在一定的条件和范围内建立的，并不是原型的本身，在运用生物模型法解题时，注意运用的条件，有时还应作必要的修正15。 6.4 挖掘生物模型并不是所有的生物学知识学习时都需要建立生物模型，例“细胞中的元素”、“细胞的衰老和凋亡”、“细胞的癌变”等生物学知识。然而大多数生物现象、事实、过程、规律都是有套路的，都能建立适当的模型。挖掘生物模型，运用模型方法是生物学教学中的一个重要内容，是优化学生知识结构的重要方式之一。7 结论当前，我国政府正在实施“跨世纪素质教育工程”。该工程的核心内容之一就是改革课程体系、教学内容和教学方法，建立新的课程标准和评价体系，以推进全民的素质教育。在 这一背景下

46、，生物学课程改革也在加速进行。科学是探究的过程，生物学课程将体现自然科学的本质和特点，倡导学生在探究中学习生物学，而不是背诵生物学让学生在适当的探究 中了解、认识、掌握生物学原理和方法，形成创新意识和能力16 17。模型方法是学生认知水平逐步从具体到抽象，抓住问题实质，对原型进行抽象，把复杂的原型简化，把“看不见”的原型“明显化”，把生物世界复杂的过程用简单的阿拉伯数字和英文字母表示，建构本质必然联系的模型的过程，这种方法促进了学生的认知水平和创造性思维的发展，有易于学生建构知识，掌握知识,并运用模型方法解决问题。模型方法魅力在于它是学习科学知识的基本方法之一，生物课堂上的生物结构模式图，生命过程的模拟动画等等模型的运用使得学习成为形象生动，记忆深刻，理解完全的过程。模型的建立实质就一个科学探究过程，在这一过程中，学生自己确定对象，分析对象，舍去细枝末节和无用信息，抽取本质的信息和特征，运用科学方法创建模型并验证模型是否与原型相符，这对培养学生的探究能力不无裨益。模型方法的运用体现了新课程的基本理念，在学习模型中，学生的生物素养不断提高，而“提高每个高中学生的生物科学素养是课