摘要:本文探究模型构建在初中生物学教学中的应用,介绍物理模型、概念模型和数学模型三种常用的模型,并分析在教学中应用模型的意义,结合案例探讨教师如何在教学中根据不同的教学内容采用不同的模型构建方式,以有效提高课堂教学效率和教师教学水平。
关键词:物理模型,概念模型,数学模型,初中生物
义务教育生物学课程注重探究和实践,以丰富的生物学知识为载体,通过多种教学活动展现人们认识自然现象和规律的思维方式及探究过程,反映自然科学的本质。在初中生物教学活动中,模型构建是一种可以贯穿基础知识和高阶思维的教学方法,具有较强的可塑性和操作性。
一、模型构建的类型
模型构建是以一定的科学研究目的为依据,在一定的假设条件下,以模型研究来解释原型形态、本质特征的方法。常见的生物模型有概念模型、数学模型和物理模型三种。
1.概念模型
概念模型是指用文字、符号、图示等将有一定关联的名词或过程连接起来,体现生命活动规律、机理、层次等的一种模型。概念模型是使用最广泛的一种模型。常见的概念模型的形式有概念图、流程图、过程图、关系图等。教材中的主体内容在课程标准中也是以“概念”“次位概念”等形式呈现的。如图1用包含与被包含的关系表示生态系统与种群和群落的关系,图2用概念和次位概念的形式表示细胞结构之间的关系。
2.数学模型
数学模型是指用公式、曲线等形式表示生物学规律的一种方法,是将数学工具引入生物教学的一种方法。相较于概念模型,数学模型的难度稍大,构建数学模型或者分析数学模型都可以较好地训练学生的科学思维,也是一种表达初中生物高阶思维的模式。不同的内容对应不同的数学模型,有的可以用公式法,如规律性较强的遗传类题目;有的可以用曲线法,如生态系统中种群的数量变化;有的既可以用公式表示,也可以用曲线辅助。教师在教学中可以根据内容灵活运用。数学模型一般需要依据一定的实验数据,这些数据是通过实验或者调查的方法得到的,教师将它们记录在表格里,然后将表格中的数据转化成坐标图,如通过曲线图表示草原上狼和兔子的数量关系(见图3),学生可以从复杂的数据中找出某些规律。
3.物理模型
物理模型是根据具体实物的情况,用相似的原理将微观、抽象的生物学结构呈现出来的一种模式,可以将原结构或系统放大,也可以将原结构或系统缩小。不管是放大还是缩小,其状态变化和原事物须保持基本相同,不同之处在于去掉了不必要的细枝末节。物理模型可以是定性的,也可以是定量的。与概念模型和数学模型相比,物理模型可以让学生比较直观地认识生物学事物,更能激发学生对生物的学习兴趣。初中生物教学涉及的物理模型较多,如细胞结构模式图(见图4)、DNA双螺旋模型、眼球成像模型等。
二、模型构建的作用
生物模型形象直观、可视化程度较高,可以最大限度地将微观的生物事件不失真地放大,以便学生寻找事物之间的关系。教师通过呈现模型及让学生构建模型,可以让学生对生物学知识的掌握由表及里、由简单到复杂、由抽象到具体,让学生的生物学知识实现一定程度的升华。
1.实现“做中学”
在生物教学中引入模型构建,可以让学生在学习生物知识的基础上将知识内化于心,做到真正掌握生物学知识与规律。久而久之,学生还会用生物学规律解释现实中的生物学问题。以人的膝跳反射为例。课堂上用手或工具敲膝盖是部分生物教师经常采用的方法,但是膝跳反射的现象出现后,该怎么去解释?人体的部分结构对学生来说比较抽象,教师可以通过呈现人体的结构图让学生自己绘制出反射弧,明白膝跳反射活动发生时的结构基础。如果教师只是单纯介绍几个概念,部分学生会对这部分知识一知半解。而将模型构建引入教学中,学生能够在深入了解知识与概念的基础上,将知识与日常生活情境相联系。在日常生活中,某人如果膝跳反射消失,学生可以就课堂学过的知识进行解释,这就是“学以致用”。
2.实现“情境化”
情境化教学是目前提倡的教学方式,考试评价中也强调“无情境不试题”。在教学中引导学生进行模型构建,可以提升学生将理论转化为实际应用的能力,同时也可以拉近理论与现实的距离,让学生感知一个生物学事物的真实存在,从而激发学生探究的兴趣。教师在课堂上直接以物理模型进行讲解,最直接的效果就是“易懂多样”。“易懂”是指物理模型比较直观,学生相信这个结构的存在;“多样”是指不同的学生做出的模型不同,教师可以根据他们做出的模型进行知识的修正或者拓展,如此一来,教师在扩展知识的广度和深度的同时,还能减少学生的学习负担。
3.实现“自主学”
初中生物课时少,资源也不太充足。在这种情况下,教师的引导就很重要。教师可以用模型构建引导学生进行有效自主学习。模型构建能够充分突出学生在课堂中的主体地位,开发学生的思维,提高其对知识的探索欲望。同时,通过模型的构建还能促使学生在脑海中对生物知识形成一种映射,使其逐渐形成一种独立思考的思维,有效提高其分析问题和解决问题的能力。
三、模型构建举例
1.构建概念模型—以生物的进化为例
概念模型的构建通常与教学同步,课堂内容结束后,概念也随之形成。
以生物的进化这部分内容为例。该内容虽有趣,但有些难懂,想把漫长的生物进化历程用一节课的时间教给学生,教师必须在教学策略上下功夫。单纯地按照课本介绍达尔文的自然选择学说,很难把内容讲透彻,学生也无法领悟自然选择学说的核心内容。如果采用概念模型建构的方法则会起到比较好的效果。
教师先把学生每10人分成一个小组,每组代表一个海岛。教师事先给出海岛上一种昆虫的繁殖规律,学生通过计算可以预测出该昆虫的繁殖情况。然后每组学生获得一定数量的长翅昆虫和残翅昆虫,有的组别模拟大风的环境,有的组别模拟无风的环境。学生在这种环境下进行模拟,得出不同的环境下生长的残翅昆虫和长翅昆虫的数量是不同的。随后,教师引导学生进行假设:如果时间足够长,结果会如何?接着对模拟情况进行讲解:大风或者无风表示环境条件,长翅和残翅表示不同的变异,进一步得出自然选择学说概念模型(见图5)。在此基础上进行达尔文自然选择学说的讲解,学生会更容易理解其知识与核心内容。
2.构建数学模型—以性状的遗传为例性状的遗传这一部分内容较为抽象。上课时,教师举例表示,性状可以从亲代传给子代,并且又与亲代的性状有所不同。但是无论举再多的例子,学生都难以明白其原因。此外,有些教师习惯自己在黑板上写出字母,按部就班地对产生配子、配子结合等步骤进行讲解。虽然学生能听懂,但是无法在脑海中形成深刻印象,久而久之,知识容易被遗忘,教学的效果也就大打折扣。此时,教师可以改变教学方式,先引出基因的概念,用同样大小但是颜色不同的球表示控制不同性状的基因,让学生模拟这些基因会有几种组合方式。学生将不同的球进行组合,会回答出三种组合形式(见表1)。教师再可以根据学生掌握知识的情况进行适当的拓展,如教师提问:“这三种组合方式的比例如何?”学生就可明白自然界为什么某种性状的显性个体会多于隐性个体。
设计好表格后,学生进行演算并将内容填入其中。整个过程由学生自己完成,自主得出相应结论。与教师直接给出结果相比,这种方法充分发挥了学生的主观能动性。
3.构建物理模型—以血型为例
物理模型通常是在一节课结束后,为更好地对课本内容进行深化升华,教师将课本中涉及的生物细胞或者结构用模型表示出来。人类的血型这部分内容是生物学的难点,学生在学习过程中较难理解。教师可以采用构建物理模型的方法给学生以直观的印象:用红色彩泥做成红细胞形状,用蓝色和黄色两种颜色的彩泥制作成凝集素和凝集原,用不同形状的彩泥代表不同类型的凝集原和凝集素。如蓝色椎体代表A型凝集原,黄色星体代表A凝集素(抗B);黄色球体代表B型凝集原,蓝色星体代表B凝集素(抗A)。
学生观察模型,进行细胞分类,了解到红细胞的分类由其表面的凝集原决定。O型血表面没有凝集原,故“O”其实是“零”的意思。在此知识基础上,学生可以进一步探究血液凝集的原理:A型血的血液中具有的抗B凝集素,而其中的红细胞表面是A型凝集原,故不会发生凝固。但是B型血的血液中含有抗A凝集素,如果A型血和B型血混合,则会出现同种凝集原和凝集素结合的情况,即发生凝血。通过红细胞表面不同的凝集原及相应血液中的凝集素种类,学生可以得出这样的结论:同种血型不会凝集的原因是凝集原和凝集素不“配对”,而不同血型的血液相遇时会发生红细胞凝集现象,其原因是红细胞表面的凝集原与相应血液中的凝集素发生结合。最后升华到输血原则:输血时一定要输同型血,否则会出现凝集现象。教师将物理模型引入课堂时,可以直接将物理模型作为教具,这就相当于给课堂教学提供了载体,学生直观地观察“载体”即可获取知识。
四、结语
在初中生物课堂上采取模型构建的方式进行教学,可以有效提高课堂效率并提升学生学习生物的兴趣。一方面,可以真正做到以学生为主体,促进学生思维能力的培养,进一步引导他们解决生活中的生物问题。另一方面,从生物学学科素养的角度,概念模型有利于学生生命观念的形成;数学模型有利于培养学生理性思维及科学探究的核心素养;物理模型可以在一定程度上培养学生理性思维、科学探究及社会责任的核心素养。当然,任何一种模型构建的过程都必须建立在一定的科学事实基础上,故模型构建所渗透的核心素养并不是单一的。将模型构建引入课堂,还可以提升教师的教学能力。相比于传统教学,含有模型构建的课堂需要教师在课后付出足够的时间去准备材料,思考课堂教学结构,对课堂教学要有一定的驾驭能力。只有教师在教学过程中结合教学内容不断思考,生物课堂教学才能更加丰富多彩。
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