基于模型建构的高中生物学教学研究

韦嫦春

［摘 要］文章以“种群密度及其调查方法”的教学为例，具体阐述通过对模拟物的恰当选择和应用，建构物理模型引导学生完成样方法模拟实验；利用数学模型分析标记重捕法模拟实验的步骤和原理，并对实验结果进行误差分析；利用概念模型建构知识体系，培养学生的模型建构能力。

［关键词］模型建构；教学设计；种群密度；调查方法

［中图分类号］    G633.91        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）08-0090-04

模型是人们为了某种特定目的而对认识的对象所做的一种简化的概括性的描述，有的模型借助具体的实物或其他形象化的手段表达，有的模型则通过抽象的形式来表达。模型的形式主要有物理模型、数学模型、概念模型。物理模型是以实物或图画的形式直观地表达认识对象的特征的模型［1］。数学模型是用来描述一个系统或它的性质的数学形式的模型［2］。概念模型是以图式、文字、符号等组成的流程图的形式描述、阐明生物生命活动的规律和机理的模型［3］。

模型建构是在科学研究方法和原则的基础上，人为建立目标对象模型的过程［4］。模拟实验是在人为控制研究对象的条件下进行观察，模仿实验的某些条件进行的实验，如教材中性状分离比的模拟实验、模拟减数分裂中染色体数目和主要行为的变化等实验。当教学条件无法直接进行真实实验时，可进行模拟实验。模拟实验可架起抽象和具象之间的桥梁，将复杂的事物或问题转化为简单的模型，通过模型建构直观系统地呈现生物学知识，培养学生的科学探究能力和创新思维。

本文以人教版生物学选择性必修2第 1 章第 1 节中“种群密度及其调查方法”这一内容的教学为例，具体阐述如何合理选择模拟物，建构物理模型和数学模型，引导学生开展“利用样方法和标记重捕法调查种群密度”模拟实验，并在模拟实验过程中发现问题，对实验结果进行误差分析，最后建构概念模型对本节课的内容进行总结归纳。

一、课前准备

根据逐个计数法、样方法和标记重捕法的适用范围，教师合理选择模拟物，引导学生进行模拟实验。逐个计数法模拟实验选择的模拟物为印有△和★两种图形的纸张（如图1所示，纸张代表农田，△代表农作物，★代表某种杂草）。样方法常采用正方形的样方，样方法模拟实验选择的模拟物为田字方格纸、白米粒、黑米粒（如图2所示，田字方格纸代表农田，白米粒代表农作物，黑米粒代表某种杂草）。标记重捕法模拟实验选用的模拟物为烧杯、白米粒、黑米粒（如图3所示，烧杯代表一片有边界的草原，白米粒代表未被标记的羊，黑米粒代表被标记的羊）。

二、教学流程

（一）创设具体情境，引出种群密度

教师设问：假设你发明了一种新型除草剂，为了检测除草剂的效果，在两块农田中做了对照实验。为了检测除草剂对某种杂草的防治效果，需要知道除草剂使用前后某种杂草的种群密度，你如何计算此种杂草的种群密度？

教师先给出物理模型（如图4），并告知学生：纸张代表长和宽均为2米的草地，△代表蒲公英，★代表某种杂草，然后让学生计算该草地中此种杂草的种群密度。学生根据初中所学的“密度”的概念，提出设想，教师引导学生总结种群密度的概念和计算方法。

设计意图：将生物学知识置于具体情境中，并用物理模型直观展示，引导学生将初中所学的“密度”的概念进行迁移应用，使学生能够利用已有的知识建构新知识。

（二）引入估算方法，选择最优模型

教师展示如图4所示的物理模型，供学生进行模拟实验，并告知学生：图4模拟的是个体较小、范围较大的农田，其中△代表某种农作物，★代表某种杂草。教师引导学生思考：要计算种群密度，首先要获得种群数量和农田面积，农田面积可以测量，如何得出农田中某种杂草的数量呢？

学生通过分析物理模型的特点，发现可以采用取样估算的方法。教师进一步引导学生说出估算种群数量的步骤、取样的原则、常用的取样方法、边线上个体的计数方法等，并提出问题：取样时是选择正方形的样方，还是三角形的样方或圆形的样方呢？学生带着问题，分三组进行样方法模拟实验（如图5）。实验结束后，教师引导学生總结归纳得出：正方形的样方容易获得，且面积计算较简单，边线个体计数更明确。

设计意图：通过直观模拟实验，引导学生采用不同形状的样方进行取样，体会在真实情境下选择正方形样方的优点。

（三）实施模拟实验，汇总分析数据

教师将全班学生进行分组，编号1～10组，给每个小组分发一张含11×16个小方格的田字方格纸，每个小组分发装有200粒白米粒和100粒黑米粒的袋子，引导学生将白米粒和黑米粒在田字方格纸上混合摊开（如图6），并模拟样方法快速调查种群密度。

其中，1～5组估算白米粒的数量（代表个体数量多的种群），6～10组估算黑米粒的数量（代表个体数量少的种群）。田字方格纸里的方格代表正方形的样方。学生根据调查对象数量的多少，自行选择样方大小，样方数量为5个。实验结束后，每个小组派代表将数据填写到黑板上的表格中（如表1），供全班学生分析和讨论。

教师公布白米粒和黑米粒的实际值，学生分析估算值与实际值偏差较大的可能原因——样方大小不合适、取样方法有误、压在边线上的个体计数错误等。教师引导学生归纳总结：取样的关键是做到随机取样，不能掺入主观因素。样方的大小可根据种群个体数的多少进行调整，当种群个体数较少时，样方面积可适当扩大；压在边线上的个体可以采用“计上不计下，计左不计右”的计数方式；等等。

设计意图：让学生利用样方法估算黑白两种米粒的数量，并通过自行决定样方大小和位置，使学生在模拟实验中体会随机取样的重要性，体会样方大小的确定应与种群数量的多少有关。

（四）总结适用范围，列举调查实例

教师设问：若在一片已知面积的大草原中，牧民放养了很多白羊，我们是否能用样方法调查这片草原上白羊的密度？教师引导学生归纳出样方法的适用范围：样方法适用于调查植物等活动能力弱的种群的密度，如某种植株及其植株上的蚜虫、昆虫卵、跳蝻等；对于活动能力强、活动范围大的动物，如草原上的羊、农田中的鼠等，通常使用标记重捕法来调查种群密度。

设计意图：创设新情境，引出标记重捕法；归纳样方法和标记重捕法的适用范围，列举调查实例。

（五）建构数学模型，提炼建构依据

教师展示标记重捕法模拟实验的四个步骤（如图7），并告知学生：烧杯代表一片有边界的草原，白米粒代表未被标记的羊，黑米粒代表被标记的羊。步骤一，在烧杯中放入白米粒，计其总数为N粒；步骤二，用勺子取出白米粒若干并计数，记为M粒；步骤三，用M粒黑米粒代替白米粒，放入烧杯中并搅拌均匀；步骤四，用勺子取出混合米粒若干并计数，勺子中黑、白米粒共n粒，其中黑米m粒。

教师提出问题：哪个步骤代表标记的过程？哪个步骤代表重捕过程？步骤三换入等量黑米粒后，为什么要搅拌均匀？你能否建构数学模型估算步骤一中白米粒的数量，建构该数学模型的依据是什么？

学生分小组讨论，回答问题：步骤三用等量黑米粒代替白米粒代表标记过程，步骤四代表重捕过程；步骤三换入等量黑米粒后搅拌均匀的目的是确保被标记个体与未被标记个体在重捕时被捕的概率相等；可以用m/n=M/N来估算步骤一中白米粒的数量，依据是勺子中黑米粒数量占米粒总数的比例等于烧杯中黑米粒数量占米粒总数的比例。通过对模拟实验的分析，教师引导学生归纳标记重捕法的步骤和原理。

设计意图：学生通过观察标记重捕法模拟实验示意图，以及讨论分析教师提出的问题，理解标记重捕法的步骤和原理，并且建构数学模型解决问题。

（六）利用数学模型，分析实验误差

教师介绍：在利用标记重捕法调查动物的种群密度时，若调查时操作不当，估算值会偏大或偏小。并出示巩固练习：下列哪些行为会使估算值偏大呢？A.标记方法对动物的身体产生伤害，在调查过程中被标记个体死亡。B.标志物过于醒目，被标记个体易于被天敌捕食。C.标记符号易于脱落，在调查期间消失。D.调查期间有较多未被标记个体死亡或迁出。E.被标记个体被捕获一次后，难以再次被捕获。

学生利用计算公式m/n=M/N，根据情境找出公式中的变化量，推测估算结果。教师总结归纳进行标记重捕法的注意事项。

设计意图：利用课堂巩固练习，引导学生联系实际分析实验误差，认识利用标记重捕法调查种群密度的注意事项。

（七）建构概念模型，完善知识体系

教师介绍逐个计数法、样方法和标记重捕法是调查种群密度或数量的常用方法，这些方法需要直接观察或捕捉个体，不适用于调查生活在隐蔽、复杂生活环境中的猛禽、猛兽等生物。科学家开发出一些调查种群数量或密度的新方法，如利用红外触发相机、不同动物粪便的不同特征、不同个体声音的差异等方法对种群数量进行检测。

教师给出本节课的关键词，学生根据课堂所学知识，利用箭头和文字表达概念之间的相互关系，建构出概念模型（如图8）。

设计意图：简单介绍科学研究中调查种群密度的新方法，拓展学生的视野，激发学生学习生物学的兴趣。在建构概念模型的环节中，教师提供“脚手架”，让学生亲自建构概念间的联系，有助于学生形成系统化、结构化的知识体系。

三、教学反思

本节课借助物理模型进行模拟实验，建构数学模型分析问题，利用概念模型建构科学概念，让学生在建构模型的过程中发展科学思维。根据逐个计数法、样方法和标记重捕法的特点，教师选择了田字方格纸、烧杯、白米粒、黑米粒作为模拟物，开展调查农田中某种杂草、草原上的羊的种群密度的模拟实验。学生在模拟实验过程中体验了实验操作步骤和方法，并明确了样方法和标记重捕法的概念、原理和注意事项。本节课利用模型建构的方法，最大限度地接近学生的“最近发展区”，使学生在已有的认知水平上自主建构知识和发展能力。

模型建构教学对培养学生思维能力、创新能力与实践能力具有重要意义［5］。模拟实验体现了“教学做合一”的教育理念。在模拟实验的准备环节和教学环节，体现了教师的主导地位和学生的主体地位。在模拟实验准备阶段，教师应根据原型的特点合理选择模拟物，预设学生可能出现的问题，并设计好应对方案；在模拟实验过程中，关键是让学生动手做、动脑想，教师要引导学生发现问题、分析问题、解决问题，从而提升学生的科学思维能力和科学探究能力。

［   参   考   文   献   ］

［1］  人民教育出版社，课程教材研究所，生物课程教材研究开发中心.普通高中教科书 生物学 必修1 分子与细胞［M］.北京：人民教育出版社，2019.

［2］  人民教育出版社，课程教材研究所，生物课程教材研究开发中心.普通高中教科书 生物学 选择性必修2 生物與环境［M］.北京：人民教育出版社，2015.

［3］  陈欣.概念模型在高中生物学重要概念教学中的应用［J］.中学生物教学，2014（10）：16-18.

［4］  王睿.浅析高中生物教材中模型与建构的应用［J］.科教文汇（中旬刊），2021（20）：165-167.

［5］  郝琦蕾，姚灿.基于核心素养的高中生物模型建构教学研究［J］.教学与管理，2019（12）：111-113.

（责任编辑 黄春香）