摘要 本文通过对教学中物理模型、数学模型、概念模型的含义、特点及其建构方法、教育教学价值进行分析，探索提高生物科学素养的有效教学途径。
关键词 生物学教学 模型建构 应用
模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所作的一种简化的概括性的描述，是科学研究中对复杂事物的一种简单的描述方法，这种描述可以是定性的，也可以是定量的。有的借助于具体事物形象化的手段，有的则通过抽象的形式来表述[1]。通过模型，抓住事实的最主要的特征和功能，以简化的形式去再现原型的各种复杂结构和功能，它是连接理论和应用的桥梁，可以帮助人们认识客观世界中最本质的东西，以便预测和指导实践。生物学研究中通常建构的模型包括物理模型、数学模型和概念模型等。
1 物理模型
物理模型以实物或图画形式直观地表达认识对象的特征。其最显著的特点是形象直观。在教学过程中通过模型建构与展示，不仅有利于加深学生对所学知识的记忆、理解，而且也能引导学生进行发散思维，提高学生的探究能力，学会科学研究的基本方法。通过物理模型教学还能够提高学生学习的兴趣，培养科学精神与价值观。
建构物理模型的前提是以客观事实为依据，删繁就简，去伪存真。在建构物理模型前需要通过观察、统计、实验、查阅研究史料等方法掌握模型对象的特征，寻找合适的模型展示方式，选择恰当的模型建构材料。在建构过程中，遵循先大后小、先简后繁的原则，由表及里、先框架后细节进行逐步建构。初步建构完模型后，还需要进一步审查模型的科学性和美观性，并在此基础上进行进一步修改完善，从而力求客观真实反映认识对象的特征。
在《高中生物课程标准》中将尝试建立真核细胞的模型作为学习细胞结构的具体内容标准，在遗传的分子基础部分建议开展制作DNA分子双螺旋结构模型的活动[2]。在教学过程中，教师在介绍建构物理模型方法和过程的基础上，应该着重引导学生创新思维，自己动手，科学而有创造性的建构物理模型，在学生建构好模型后，还应注意开展交流，在突出基础知识的同时，表扬学生的活动成果。笔者在教学过程中尝试以小组合作的方式，要求学生在课后制作真核细胞模型。各组学生对教材提供的案例进行分析，找出其优点与不足，然后提出自己的创新思路，在得到教师的肯定后，进行分工，有的负责查阅资料，有的负责收集材料，还有的负责联系制作场地。在制作的过程中，又不断发现新问题，如细胞器的大小比例、相对数量是否科学？如何固定细胞器？模型如何保存较长时间等等。通过研读专业资料、相互讨论，大家完成的作品五花八门，有的用海绵作为基质，将塑料、木条、纸板、布、铁丝等生活中的废弃物进行加工，制作出了极富想象力的模型，还有的用柚子、葡萄、香蕉、苹果等常见水果为主要材料做出了“水果型真核细胞模型”，学生学在其中，乐在其中。最后在班级中开展模型展示与评比，各组汇报的学生不仅向大家阐述了其小组制作的模型的科学性、美观性、创造性，而且对其他同学提出的疑问进行了现场答辩，许多同学还进一步谈到制作过程中组内同学深切的体会与感受，实现了学习的合作与共享。学生亲身体验模拟制作“细胞”的立体结构模型有助于在现有的实验条件下让细胞变“微观”为“宏观”，能更好地构建他们完整的知识体系[3]。通过建构模型达到的教学效果绝不是传统的教师讲授法所能实现的。
建构物理模型是实现有效教学的方法之一，物理模型有静态物理模型，还有动态物理模型，在教学过程中不能仅局限于课程标准中提到的内容，教师还需要深入研究教学内容，创造性开展这一活动，笔者在教学中还引导学生制作了蛋白质结构模型、细胞膜结构模型、物质跨膜运输模型、有丝分裂模型、生态系统模型等，收到了较好的教学效果。
2 数学模型
数学模型是指为了某种目的，用字母、数字及其它数学符号建立起来的等式或不等式以及图表、曲线、框图等描述客观事物的特征及其内在联系的数学结构表达式。如“J”型、“S”型种群数量变化曲线、符合孟德尔遗传规律的子代性状分离比等。数学模型建构的基础是数学方法，基于其学科交叉的特征，对于学生来说具有一定的难度。教师在教学过程中引导学生建构数学模型，有利于培养学生透过现象揭示本质的洞察力。同时，通过科学与数学的整合，有利于培养学生简约、严密的逻辑思维品质，可使一些重、疑、难点化繁为简，既深化对知识的理解，又培养学生的数学思维能力。
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[4]。数学模型的构建过程不仅需要学生掌握其步骤，还需要学生能够领悟归纳出其规律。在学习孟德尔发现的遗传基本规律时，可引导学生思考：如果同时考虑n对等位基因，那么F1自交后，F2表现型比例是多少呢？学生思考后认为，如果这n对等位基因的分离和组合是互不干扰的，那么每一对等位基因的分离是遵循分离定律的，而决定不同性状的基因则自由组合，遵循自由组合定律，所以F2表现型比例是（3：1）n，最后教师展示遗传实验数据，引导学生进行数据分析，对构建的模型进行检验与确认。教材中涉及到构建数学模型的内容还有很多，如有丝分裂和减数分裂过程中染色体、染色单体以及DNA数量的变化规律，呼吸过程中随氧气的浓度增加ATP、CO2的变化曲线，光合作用中随光照强度、温度、CO2等条件的变化光合作用强度的变化曲线，脱氧核苷酸序列与遗传信息的多样性，碱基与氨基酸对应关系，调查人群中的遗传病，用数学方法讨论基因频率的变化，探究自然选择对种群基因频率的影响，种间关系等等。
建立具体数学模型的过程，就是一个从具体的生物现象与规律建立抽象的数学模型，又用抽象的数学模型来解释具体的生物学现象与规律的过程。通过系列数学模型的建构，学生掌握建构方法，学会了从现象中揭示出本质和规律，可以将所学知识迁移，提高分析问题、解决问题的能力。
3 概念模型
概念模型是用来定义、解释及形容变量间关系的模型，是对真实世界中问题域内的事物的描述，它可以用不同形式呈现，如叙述、描述、分类、视觉化等。概念模型是以抽象思维方法构建的模型，是人们抽象出生物原型某方面的本质属性而构思出来的，它包括中心概念、内涵和外延。例如生物学中的相关概念、由相互联系的不同概念而形成的概念图、流程图等都属于概念模型的类型。通过建构概念模型一方面可以使学生理解相关概念；另一方面有利于培养学生的归纳、概括、语言表述等能力。
血糖平衡的调节是一个重要但比较抽象的教学内容，如果仅仅由教师讲述，学生局限在识记水平上，很难真正理解。笔者尝试通过建立血糖调节概念模型，解决教学难点。首先引导学生预习血糖平衡调节的基本原理，思考三个问题：①血糖平衡调节过程中涉及哪些概念？请将它们写在小纸片上。②这些概念之间有怎样的联系？请用小纸片摆出来。③血糖平衡是如何实现的？画出图解式模型。学生经过思考讨论，在小纸片上写下了血糖、胰岛素、胰高血糖素、胰岛A细胞、胰岛B细胞、胰岛等概念，然后将这些概念进行排列，画出了模型图见图1。
图1 血糖调节概念模型
有的同学认为还可以在此基础上添加肝脏和肌肉等器官组织、肝糖原、肌糖原、糖尿病、下丘脑等概念，并通过这种模型解释糖尿病及其诱因。通过概念模型的建构，不仅帮助学生更好地理解人体内是如何对血糖含量进行调节的，并在此基础上理解体内激素如何对生命活动进行调节，而且培养了学生结合已有的知识储备和生活经验主动地思考、讨论、建构模型，并能够运用所建构的模型解释生活中的具体问题。
学生在学习的过程中涉及到的生物学相关概念、技术流程等是非常多的，通过建构概念模型是理解基础知识、辨析知识点之间的联系与区别、在复杂的情境中综合运用并进行分析、判断、推理和评价的有效途径。特别是概念模型中的概念图研究在国内外已非常普遍并形成共识：概念图能有助于理解与进行有意义的学习[5]。建构概念模型不仅适用于新课教学，在复习过程及学生创新实验中通过建构概念模型往往会起到事半功倍的效果。
4 模型建构的注意点
模型建构是科学研究中的一般方法，模型是模型建构的结果。模型虽然表达了客观事物的特征，但模型与客观事物还存在一定的区别。在教学中教师应着重于模型的建构而不是拘泥于模型，“授人以鱼不如授人以渔”，应引导学生掌握建构模型的方法。高中学生对于模型建构有一定的畏难情绪，在教学中还应创设情境，鼓励学生“临渊羡鱼，不如退而结网”，大胆尝试与探索，只有这样，学生的科学素养才能真正提高。
主要参考文献：
[1]夏娉娉. 2006. 模型方法在生物高考复习中的应用. 新高考(理科版). 第7期，94
[2]中华人民共和国教育部. 2003. 普通高中生物课程标准（实验）. 北京:人民教育出版社， 12，17
[3]樊向利. 2007. 试论模型在高中生物教学中的作用. 中学生物学. 第7期，14
[4] 朱正威，赵占良. 2007. 高中生物必修3-稳态与环境. 北京:人民教育出版社，65
[5]苏丽丽. 2008. 基于概念图的教学评价. 教学月刊（中学版）. 第8期下，25
发表于2010年第2期《生物学教学》
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