试论模型方法在提高生物科学素质中的功能
来源：互联网 作者：佚名 更新时间：2005-11-27 07:49:21
模型方法就是把研究对象(原型)的一些次要的细节、非本质的联系舍去,从而以简化和理想化的形式去再现原型的各种复杂结构、功能和联系的一种科学方法。作为一种现代科学认识手段和思维方法,模型具有两方面的含义,即抽象化和具体化。
然而,如何在生物学教育中进行模型方法教育,却始终困扰着许多生物学教育工作者。
事实上,模型及其方法在生物学教育中的独特作用,是其它因素无法代替的。本文略谈模型方法在提高中学生生物科学素质中的功能。
1. 促进学生认知水平的发展
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,并对抽象的假设或命题进行逻辑转换,以构建一个能反映原型本质联系的模型。这一过程当然离不开从具体到抽象的过渡训练,而这种既能联系具体,又能联系抽象的性质,正是模型所特有的。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,从而促进认知水平的发展。拿“生态系统”(Ｅ·Ｓ)一节教学来说,按“观察池塘Ｅ·Ｓ等→分析各成分营养功能及地位,构建处于平衡状态的Ｅ·Ｓ模型→正、反例说”的程序展开教学。其中处于平衡状态的Ｅ·Ｓ模型构建是理论与现实的中介,起到桥梁作用。在学生对各种复杂的具体Ｅ·Ｓ(含录像等)仔细观察后,首先必须简化,找出各种Ｅ·Ｓ中共同的成分组成,再根据营养功能初步勾画各成分的相互关系并初建模型,然后依据Ｅ·Ｓ存在的必要条件核检自拟模型中的不足,通过讨论和争鸣使模型进一步完善化,最后提出各种假设,分析并预测各种可能出现的破坏因素造成的后果。在预测中,就有学生根据前期对森林砍伐的情况,预测到“世纪末的灾难”———洪魔。模型在教育活动中大大促进了学生认知水平的发展。
2. 使学生更好地掌握科学知识
模型方法的特点及其重要性,决定了模型在促进学习生物学知识过程中的重要作用。
(1)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。拿细胞膜结构的教学来说,先探索细胞膜纯净物提取的方法设计(取材:人成熟红细胞;溶血原理:渗透作用;提取:离心;测量:红细胞膜表面积和空气—水界面上的磷脂分子的分布),再以磷脂分子亲水、疏水两重性和膜两侧的水溶性介质为铺垫,让学生根据“相似相溶”原理展开细胞膜(骨架)结构模型的设计和讨论,最后结合课本中的结构模型全面理解细胞膜的结构。这一过程紧密围绕结构模型的构建将材料的获取、推理假说、建构模型融为一体,不仅掌握了细胞膜的结构,而且把取材的科学性、血影(ｇｈｏｓｔ)获得依据的渗透原理、磷脂分子层数目的巧妙推理、“相似相溶”原理等相关知识有机结合在一起。如果在此基础上再以ＣＡＩ软件动态显示单个磷脂分子到完整膜结构的形成的全过程,并要求学生解说,则教学效果将更好。
(2)模型方法作为思维方法和行为方式,蕴涵着很高的认知价值,学生一旦将模型方法内化为自己的认知图式,就能获得认知水平的跃进。如在遗传规律的教学中,以一对等位基因的遗传为基础,让学生理解含一对等位基因的杂合体产生的配子种类、子代基因型及表现型的种类和比例,然后借助遗传图解和概率计算,推理出两对位于非同源染色体上的非等位基因的遗传结果,最后抽象出含ｎ对非等位基因(位于非同源染色体上)的杂合体的遗传行为和结果,得出(3∶1)ｎ、(1∶2∶1)ｎ、2ｎ、3ｎ等结论,构建起基因的自由组合规律的图表模型,并通过亲子代相关基因型与表现型的互推及概率计算等的训练,加深对模型的理解和应用。模型方法强调学生的综合知识,强调学生由生物学事实、图解到一般规律乃至实际应用的联想和发展等思维能力对认知的作用,模型的抽象化构建、模型方法的内化和模型对新的原型的解释等全过程无处不体现模型方法对认知水平的发展和推动作用。
(3)模型方法教育有助于培养学生的创造性思维能力。创造性教育是素质教育的灵魂所在。目前在理性知识的传授中,学生学习的主要内容普遍是给予,缺少学生在内化前的自我发现过程。教学中的“模型方法”教育太少!拿习题教学来说,几乎每道习题都是从生命现象中抽象而来,已经把研究对象(原型)的一些次要细节、非本质的联系舍去。这些本应由学生去体验的去伪存真的工作被越俎代疱了,习题教学中的工作就只需按图索骥,这就必然使学生缺少了部分的、但又是必不可少的认识过程,其结果是割裂了主、客体的联系,使学生的思维能力出现了缺陷。利用模型方法培养创造性思维能力的作用是不可低估的。在上述细胞膜双层磷脂分子层结构模型构建过程中,还有部分学生提出了“水包油”“油包水”等磷脂分子聚集模型,就是最好的说明。然而,在模型方法教育中,寄希望于把模型方法的要素概括出来,形成系统的方法学知识向学生讲授则又是不切实际的。因为模型方法的精髓乃是体现在探索与发现之中,不亲身经历这些探索,很难发现其中的要素与关键之所在。如在Ｅ·Ｓ(生态系统)的功能的教学中,学生对能量金字塔的理解只是囿于课本的理性阐述,而且在实际运用中学生所碰到的不仅仅是能量金字塔,还有生物量金字塔和数量金字塔等生态金字塔。这些生态金字塔是千变万化的,给学生的理解造成了阻碍。如果能用模型方法展开教学,则效果斐然。
教师借助电教手段展示陆地Ｅ·Ｓ和湖泊Ｅ·Ｓ两组生物体干重的系列数据,让学生先根据营养级(本身就是一种模型)筛选、统计数据,并绘出生物量金字塔模型。当学生比较两种Ｅ·Ｓ的生物量金字塔时,产生了困惑,陆地Ｅ·Ｓ的生物量金字塔典型,而湖泊Ｅ·Ｓ的则呈现倒金字塔。利用模型构建中产生的冲突组织学生讨论倒金字塔模型中“倒”的原因所在,最后得出结论:微型藻类世代期短,繁殖速度快,只能积累少量有机物,且浮游动物对它们的取食强度大,加之浮游植物个体小,含纤维素少,因此可整个被下一营养级的浮游动物所吞食消化,并迅速转化为下一营养级的生物量,因此生产者的表观生物量很小,形成了倒金字塔。以同样的方法再让学生构建Ｅ·Ｓ的数量金字塔,也对其中“倒”的现象进行分析,学生找出了其出差错的关键:忽视了生物的重量因素(例如,一头大象和一只昆虫难以类比)。在此基础上再让学生构建能量金字塔,并让其分析能量金字塔为何绝不会出现倒金字塔的原因,有的学生甚至拿出热力学第二定律作佐证。在课堂小结时,让学生对照构建的模型讨论得出:能量金字塔不仅可表明流经每一营养级的总数量值,而且更重要的是可以表明各种生物在Ｅ·Ｓ能量转化中所起的实际作用。如果不运用模型方法展开教学,则其关键和奥妙之处是不能外显的,创造性思维能力难以得到培养和提高。
总之,对学生进行模型方法教育,就是要让学生置身于探索生物学现象、发现生命规律的活动中,在建立模型的过程中学会观察和统计的方法、实验的方法、归纳与演绎的方法、假设的方法、近似的方法等。这样,学生就会主动地去思考、探索,顺着科学的思路和方法去感知、去思索,在不知不觉中,就领略到生物学知识的真谛。
3 .培养学生的研究能力
模型的建立要根据研究的任务、目的抽象出被研究对象的本质特征,舍去许多次要的细节和非本质的属性,把要研究的现象、问题从纷繁复杂的交错关系中明确、清晰地显示出来,使问题得以简化和明确化,并制订出解决问题的程序,从而充分地发挥思维的能动作用,达到认识原型的目的。以“成熟植物细胞发生渗透作用”的教学来说,先从化学渗透装置及渗透现象的分析入手,通过要素分析明确渗透作用发生的条件,再分析成熟植物细胞的结构,通过“简化”(实际也是一种模型化)细胞结构并类比,进而推理出“成熟植物细胞相当于一个渗透系统”。而这一渗透系统在不同浓度的溶液中将发生怎样的变化呢?先让学生构建成熟植物细胞质壁分离和复原的模型,提出可能发生的变化。至于假说是否正确,还需要实验证明,再让学生设计并实施验证推理的实验,全面地考虑取材、试剂的选择、方法与步骤、可能出现的结果及原因分析等。最后跳出课本,运用模型去解决农作物施肥等实际问题,使理论又回到实践中去。这种以模型方法为主旋律的设计不仅符合学生认识规律,而且寓科学研究于学习的全程。
从上述可见,模型的建立过程就是一个科学研究过程。在这一研究过程中,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。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的发展的高度,这对学生研究能力的培养是很有好处的。我国长期的应试教育使学生擅长于考试而不善于研究。我们在教学中,可以把原始的生物学问题提交给学生,有时可以同时给出一些提示或通过一系列问题引导学生去思考整个解决问题的途径,而不宜把整体问题支解得过碎或直接给予答案。
4. 能培养学生的科学精神
科学精神与科学知识、科学方法一样,均属科学素质的基本要素,模型教育对于学生科学精神的培养尤为重要。
(1)有利于培养学生的科学态度和科学作风。模型建立的实质就是要从原型背后揭示出所包含的科学规律。然而,这些规律往往隐蔽在生命现象的背后,并被纷繁复杂的、非本质的、无关的因素所掩盖。这样, 模型的建立过程就必然是一个艰苦的探索、发现过程。它来不得半点虚假,需要严谨、诚实的科学态度。模型的得来也绝非一蹴而就,常需要学生苦其心志,劳其筋骨的认识过程,需要有坚韧不拔的意志。因此,模型的建立既培养了学生的科学态度,又培养了学生的科学作风。
(2)激发并产生良好的学习动机。模型教育不仅可使学生体验到理论的作用,而且会使他们产生跃跃欲试的兴趣,并使他们对探究活动成功后的喜悦感、自豪感产生稳定的需要,形成稳定的学习兴趣,进而转化为良好的学习动机。
(3)能促进辩证唯物主义思想教育。借助模型进行研究时,应充分认识到模型的局限性和生命活动规律的复杂性,通过不断积累新资料、解释和重新解释实验结果以及争鸣和讨论的问题,模型总会得到修补校正。在这一过程中,要充分考虑模型建立过程中产生出来的新经验和新思想对模型建立的启示。只有如此,才能在模型的修正或扩充时纠正原有模型之不足。
总之,模型及其方法本身就是一种科学方法。生物学模型方法包括用动物模型替代人体(筛选药物并研究其作用机制)、用物理模型模拟动物功能(仿生学的研究)、用化学模型研究遥远事件(Ｓ.Ｍｉｌｌｅｒ研究生命起源)、用抽象模型研究宏观或微观生物学问题(计算机模型研究种群遗传学)等。多年的实践证明:在生物教学中运用模型方法,借助实践和现代教育技术展示原型、去粗取精、构建模型、证明原理,能有效提高学生的生物科学素质,并能带动、整合其他生物科学方法教育的实施。
[出处] 中学生物教学
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