生物建模在高中生物教学中的运用

【摘要】生物建模是以实际问题为载体，将生物建模、生物知识和计算机应用有机结合，让学生顺着科学的思路和方法建立起生物学知识和外部世界的联系，这种联系对于培养学生从生物学科的角度发现问题、提出问题、分析问题和运用生物学知识解决实际问题的能力具有重要的作用。基于此，文章探讨了生物建模对推动生物应用和人才培养的重要性以及在课堂教学中的运用策略，即利用现代科技，为学生建构三维立体化物理模型；渗透数学思维，为学生建构数学模型；借助实践活动，为学生建构概念模型。

【关键词】生物教学；生物建模；重要性；运用策略

【中图分类号】G633.91【文献标志码】A【文章编号】1004—0463（2024）18—0061—04

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下称“新课标”）将“科学思维”列为生物学学科核心素养的重要内容，明确指出“学生应该在学习过程中逐步发展科学思维，如能够基于生物学事实和证据运用演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法，探讨、阐述生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题”[1]。而在实际教学中，教师发现高中生物知识内容多、难度大，需要花费大量的精力和时间，导致教师在平时的课堂教学中不得不只注重对知识的讲解，忽视了对学生提出问题的能力训练。以往通过刷题的办法还能应对高考，如今随着新高考模式的实施，考试题目灵活多变，需要学生具备更高的思维能力、创造力以及准确的生物学术语和逻辑思维能力，教师在教学中就不能再按部就班地讲授传授系统的知识，很有必要把生物学习和丰富多彩、生动活泼的现实生活联系起来，打开学生的视野，拓宽学生的知识领域。建模活动就是在实际问题和生物学知识之间打开一个通道，为学生提供了一种有效的学习方式，使学生能身临其境地介入生物知识的发现或创造过程，取得书本上无法代替的宝贵经验和切身感受，提高学生解决实际问题的能力。生物建模是生物走向应用的必经之路，也是启迪生物学心灵的必胜之途。

一、生物建模的概念

生物建模和生物学的应用有关系，生物学要走向应用，真正显示出它在各个领域应用中的关键作用以及强大的生命力，必须要在实际问题和生物学之间架设一座桥梁。首先要将实际问题转化为相应的生物学问题，然后对生物学问题进行分析或计算，最后将所求得的结果或解答回归实际，看能不能有效地回答原先的实际问题。这个全过程，其中的第一步就称为生物建模，即为所考查的实际问题构建生物模型。这里涉及两个既有区别又有联系的名词和概念，一个是生物模型，另一个是生物建模，强调的是构建生物模型的过程和方法。

二、生物建模对发展生物学科和推动生物应用的重要性

引领未来五大科技之首的是生物科技，第一代生物技术是基础发酵，比如大家熟知的酿酒、馒头、醋、酱油等都是菌群发酵。第二代生物技术叫定向发酵，是在自然界中找到一种单一菌群，通过细菌工厂获得我们需要的物质，比如味精原来都是从海产品里提取，人们找到谷氨酸棒杆菌后，通过发酵得到的谷氨酸钠就是味精的主要成分，它利用了微生物的力量。第三代生物技术叫合成生物，比如诺贝尔奖得主屠呦呦院士发现的青蒿素原材料。由此可见，生物科技能够改变人类的未来。生物学是人类文明的重要组成部分，生物学教育对提高全民素质，对培养拔尖创新人才有着举足轻重的作用。从整个生物学的研究来说，生物建模能给雄伟的生物技术大厦奠基搭架，为整个后续的生物研究工作开辟道路，已经成为发展现代生物技术的重要突破口和核心内容。从高中生物课堂教学开始，教师就要重视对学生建模意识的培养，提高学生生物建模的自觉性。教师要敢于突破传统课堂教学中的种种障碍，以一种全新的视角来看待高中生物课堂教学，在教学中不断改变教学策略，既关注已知，也关注未知，为学生提供实用、有生活价值的学习。

三、生物建模对人才培养的重要性

在模型认知与建模能力方面，要求考生能围绕实际问题查阅资料，收集、整理和加工信息，从学科角度发现问题、提出问题、分析问题，从而建立模型来解答，有时还需验证结果并且改进模型，最终解决问题。学生要真正走进生物课堂，学好生物，并且热爱生物学科，教师的教学就不能和其他学科以及整个外部世界隔离起来，只在生物学内部的概念、方法和理论当中绕圈子，不利于学生了解生物概念、方法和理论的来龙去脉，更不利于学生自觉地解决各种各样的现实问题，长此以往也不利于提高学生的核心素养。直到近年来强调了生物建模在高中生物课堂教学中的重要性，这方面的情况才发生了很大的变化。在教学过程中，教师能把生物学习和丰富多彩、生动活泼的现实生活联系起来，学生通过围绕实际问题查阅资料，收集、整理和加工信息，经过独立思考、反复钻研并相互切磋形成相应的生物问题，进而分析问题的特点，寻求解决问题的方法且得到有关结论。这种学习方式使学生的抽象思维、简化思维、批判性思维等高阶思维能力得到了发展，集知识、能力和素质的培养必将有力地促进创新型优秀人才的培养。

四、生物建模在高中生物课堂教学中的运用策略

2.渗透数学思维，为学生建构数学模型。数学模型是用来描述系统或它的性质的数学形式。建立数学模型一般包括以下四个步骤：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，即建立数学模型——通过进一步实验或观察等，对模型进行检验或修正。数学模型可以以曲线图、解析式和柱形图的形式呈现，各有优劣。教学中通过引导学生建构数学模型，能有效培养学生解决实际问题的能力。

3.借助实践活动，为学生建构概念模型。概念模型是以文字表述来抽象概括出事物本质特征的模型。在高中生物教学中，概念、抽象名词以及这些概念之间的联系特别多，面对庞杂零散的概念和名词，学生感到非常困惑，好像一点规律都没有，学生拼命去记一大堆概念。死记硬背的学习方法不可取，不仅记忆时间短，效率低，而且不能建立各概念之间的联系。教学中借助生物实践活动，构建概念模型，有助于学生将抽象、零散的知识点之间建立逻辑关系，有效提升学生的学习效率，更好地理解和应用生物学知识。

例如，学习选择性必修1“植物生长素”内容时，为了让学生从本质上理解生长素的生理作用、两重性以及在生产生活中的应用，教师设置了三个问题：①放在窗台上久不移动的盆栽花为什么会贴着玻璃生长？②农业生产上是保留还是解除顶端优势？如何解除顶端优势？③如何避免植物的向光性？课堂上，让学生展开讨论，刚开始学生对顶端优势似懂非懂，答案五花八门，教师没有过多地去评价，而是将全班同学带到学校小花园，通过观察花园中月季花的生长状况去直观感受植物的顶端优势和向光性，比教师讲授学生听的效果好很多，然后引导学生用控制单一自变量的原则对生长状况相似的月季花进行修剪，摘除一部分月季花的顶芽，另一部分保留顶芽，并将摘除顶芽月季花分成两组，一部分不做处理，另一部分在切口处涂含有生长素的羊毛脂。学生每天大课间去小花园观察月季花的生长状况，两周后教师统一带学生观察三组月季花的生长情况，发现保留顶芽和摘除顶芽但在切口处涂含有生长素的羊毛脂的月季花的侧枝比摘除顶芽的月季花侧枝要少。实践活动结束后，要求学生以思维导图的形式自主构建生长素的产生、分布、运输、生理作用、作用的两重性以及在生产中的应用几个方面的概念模型。在构建概念模型的过程中，教师应该积极引导学生主动参与，可以通过小组讨论、合作探究等方式，也可以让学生自主设计概念层次结构和搭建逻辑关系。这种教学方式，不仅能够提高学生的学习兴趣和参与度，还能够帮助学生更加清晰地理解顶端优势产生的原因是顶芽产生的生长素向侧芽运输，使侧芽生长素浓度过高，抑制了侧芽的生长，并将所学过的生物知识更好地应用于实际问题的解决，有效提升了学生的实践操作能力、实验设计能力和科学思维能力。

生物建模是联系实际问题和生物学之间的桥梁，已经成为发展现代生物技术的重要突破口和核心内容。高中生的好奇心强、想象力丰富，思维活跃，对生物建模很有利，作为高中生物教师，课堂教学中合理运用生物建模，将探究实践、知识生成和科学思维的训练有机结合起来，能打开学生视野，拓宽学生知识领域，发展学生生物学核心素养，促进学生的全面发展。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]石虹梅.模型构建在生物学教学难点突破中的应用[J].生物学通报，2014（03）：35-37.

[3]薛进.模型建构方法在生物教学中应用例析[J].佳木斯教育学院学报，2012（11）：262-263.

编辑：张昀