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假說演繹法在高中生物模型建構(gòu)的應(yīng)用論文
摘要：“假說-演繹法”在高中生物模型建構(gòu)中占據(jù)重要地位，以建構(gòu)“種群數(shù)量增長曲線的數(shù)學(xué)模型”為例，運(yùn)用“假說-演繹法”進(jìn)行模型建構(gòu)的教學(xué)實(shí)踐和研究，將“假說-演繹法”與模型建構(gòu)的方法有機(jī)結(jié)合，使模型建構(gòu)更加有章可循，有法可依。同時(shí)，還有助于學(xué)生在科學(xué)探究中主動生成知識，有助于訓(xùn)練學(xué)生的邏輯推理能力。
關(guān)鍵詞：“假說-演繹法”;生物模型建構(gòu);應(yīng)用方法
《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))》的“課程設(shè)計(jì)思路”對“遺傳與進(jìn)化”模塊的教學(xué)價(jià)值做了闡述，特別指出了這個(gè)模塊對學(xué)生理解“假說演繹”“建立模型”等科學(xué)方法具有重要作用。這里提到的科學(xué)方法，如“假說演繹”“模型建構(gòu)”等對提高每個(gè)高中生的生物科學(xué)素養(yǎng)至關(guān)重要。“假說-演繹法”主要應(yīng)用于必修2“遺傳與進(jìn)化”模塊中的“孟德爾的分離定律和自由組合定律”“基因與染色體的關(guān)系”等，在其他方面的應(yīng)用卻很少甚至沒有。我通過教學(xué)研究與實(shí)踐嘗試，將“假說-演繹法”應(yīng)用于模型建構(gòu)中，取得了良好的教學(xué)效果。
一、“假說-演繹法”在高中生物模型建構(gòu)中的應(yīng)用
1.認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)為，人類的知識和經(jīng)驗(yàn)不僅包括概念體系，還包括外觀。前者有概念、原理、規(guī)律和理論；后者的構(gòu)圖包含想法和印象。因此，對于學(xué)生而言，模型提供的概念和印象，一方面有助于學(xué)生對系統(tǒng)知識的獲取，另一方面也有助于學(xué)生知識的構(gòu)建�！凹僬f-演繹法”在高中生物模型建構(gòu)中的應(yīng)用，對于學(xué)生建模思維和建模能力的培養(yǎng)與提升具有重要意義，是現(xiàn)代科學(xué)研究中形成和構(gòu)造科學(xué)理論的一種重要思維方法�！凹僬f-演繹法”運(yùn)用于模型建構(gòu)中，不僅能培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，還有助于提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。我曾將“假說-演繹法”分別運(yùn)用于“生物膜的流動鑲嵌模型”構(gòu)建物理模型、“種群的數(shù)量變化”構(gòu)建種群增長的數(shù)學(xué)模型、“光合作用的發(fā)現(xiàn)歷程”構(gòu)建概念模型：光合作用的反應(yīng)式等，均取得了很好的教學(xué)效果，得到了同行的贊同。下面我以必修三第四章第二節(jié)“種群的數(shù)量變化”一節(jié)教學(xué)內(nèi)容為例，具體談?wù)劇凹僬f-演繹法”在生物模型建構(gòu)中的應(yīng)用。
創(chuàng)設(shè)合理情境，提出相應(yīng)問題一個(gè)好的情境不僅能使學(xué)生身臨其境，同時(shí)也能使學(xué)生提出的問題更具有針對性。比如，教師可以為學(xué)生播放“大腸桿菌的分裂繁殖”視頻，使學(xué)生真實(shí)體驗(yàn)到細(xì)菌由一個(gè)變二個(gè)、由二個(gè)變四個(gè)、由四個(gè)到八個(gè)，依次類推。然后教師補(bǔ)充“大腸桿菌每20分鐘分裂一次”，這時(shí)，學(xué)生自然就會提出“120小時(shí)后共有多少個(gè)大腸桿菌？”
2.分析問題，做出合理的假說師生要對提出的問題進(jìn)行分析，例如，視頻中的“大腸桿菌”為什么可以不受限制地分裂下去，產(chǎn)生許多個(gè)相同的后代？教師通過分析后提出“在無限的資源和空間環(huán)境中，大腸桿菌種群的增長不受種群密度增加的影響”這一假說。
3.根據(jù)假說，進(jìn)行演繹推理“在資源和空間無限的環(huán)境中，大腸桿菌種群的增長在不受種群密度增加的影響”的條件下，1個(gè)大腸桿菌分裂720分鐘后，可以產(chǎn)生多少個(gè)大腸桿菌？學(xué)生嘗試用數(shù)學(xué)方程式、表格、曲線圖等形式表示，起始數(shù)量為1，繁殖代數(shù)為n，第2代是第1代的2倍，第n代后大腸桿菌的數(shù)量為N=2n。由此推導(dǎo)出“若某種群的起始數(shù)量為N0，時(shí)間為t，假設(shè)該種群數(shù)量每年以一定的倍數(shù)增長，第二年是第一年的λ倍。則t年后該種群的數(shù)量Nt=N0λt。學(xué)生根據(jù)數(shù)學(xué)方程式繪制出相應(yīng)的曲線圖，如圖1所示。該曲線和英文字母“J”相似，故叫“J”形增長曲線。但該公式及所繪制的曲線圖在自然條件下或有限的資源空間下是否依舊適用呢？是否適用于其他種群呢？故需要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
4.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證假說的正確性
�。�1）實(shí)驗(yàn)材料選擇任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)，材料的選擇都非常重要。孟德爾之所以能夠成功，關(guān)鍵是正確選擇了豌豆做實(shí)驗(yàn)材料，摩爾根也是如此。本實(shí)驗(yàn)需要選擇一種繁殖速度快、便于統(tǒng)計(jì)、生活中經(jīng)濟(jì)實(shí)惠又容易獲得的生物，故教材選擇了酵母菌作為實(shí)驗(yàn)材料。
（2）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)將酵母菌放在10mL酵母菌培養(yǎng)液中培養(yǎng)，每天上午10點(diǎn)左右使用血細(xì)胞計(jì)數(shù)板對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，連續(xù)培養(yǎng)5天，然后教師將實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示給學(xué)生（見表1）。學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行描點(diǎn)作圖，繪制出相關(guān)的曲線圖（如圖2所示），并與之前繪制的Nt=N0λt的曲線圖（圖1）作比較。
�。�3）分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較圖1和圖2的曲線可知：在10mL酵母菌培養(yǎng)液中培養(yǎng)酵母菌，由于資源空間有限，因此種群數(shù)量增加到一定程度后穩(wěn)定在某一范圍內(nèi)。圖2所示曲線并不像“J”，而像“S”，故該曲線稱為“S”形增長曲線。
�。�4）修正實(shí)驗(yàn)假說，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論綜上可知：①在食物、空間充足，氣候適宜，沒有敵害等理想條件下，種群的數(shù)量呈“J”形增長。②在有限的資源空間中，種群的數(shù)量不可能無限增長，而是呈“S”形增長。
（5）進(jìn)一步探究，不斷修正在有限的資源空間中，酵母菌的數(shù)量從第4天以后會一直維持在1300個(gè)/mm3左右嗎？新問題的出現(xiàn)，需要學(xué)生進(jìn)行進(jìn)一步探究。該問題可以留給學(xué)生課后完成。
二、“假說-演繹法”在高中生物模型建構(gòu)中應(yīng)用的反思
1.“假說-演繹法”在高中生物教學(xué)中的作用首先，“假說-演繹法”有利于提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。在高中生物課堂教學(xué)過程中，教師要精心挖掘教材中的生物模型素材，對學(xué)生將要學(xué)習(xí)的理論知識進(jìn)行假設(shè)，然后引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行演繹推理，再通過實(shí)驗(yàn)的方式加以驗(yàn)證，讓學(xué)生親身經(jīng)歷一次“真實(shí)”的實(shí)驗(yàn)研究過程，以此培養(yǎng)學(xué)生思考問題和解決問題的能力。其次，“假說-演繹法”有助于學(xué)生在科學(xué)探究中主動生成知識。教師運(yùn)用“假設(shè)-演繹法”的基本過程組織教學(xué)，能使知識有更清晰的主線。學(xué)生遵循這一主線，改變和優(yōu)化了死記硬背的學(xué)習(xí)方法，較好地掌握了事物的本質(zhì)，知識體系的構(gòu)建基本形成，學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和興趣也被充分激發(fā)，大大提高了課堂效率。再次，“假說-演繹法”有助于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理能力。假說的提出，要求學(xué)生思維靈活且具有創(chuàng)造性，而演繹推理的運(yùn)用，彰顯的是嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的學(xué)習(xí)態(tài)度，這有助于訓(xùn)練學(xué)生的邏輯思維。最后，“假說-演繹法”使模型建構(gòu)更加系統(tǒng)化。高中生物模型主要有物理模型、數(shù)學(xué)模型和概念模型三種，其建構(gòu)方法各不相同。嘗試運(yùn)用“假說-演繹法”進(jìn)行模型建構(gòu)的教學(xué)實(shí)踐和研究，將“假說-演繹法”與模型建構(gòu)的方法有機(jī)結(jié)合，使模型建構(gòu)更加有章可循，有法可依。
2.“假說-演繹法”使用時(shí)應(yīng)注意的問題
�。�1）教師應(yīng)適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)“假說-演繹法”不能使用灌輸和疊加等方法，相反，它要求教師和學(xué)生有意識地達(dá)成一致。當(dāng)教師使用“假說-演繹法”來建立模型時(shí)，應(yīng)切實(shí)重視學(xué)生能力的發(fā)展，而不應(yīng)直接告訴學(xué)生自己的想法，否則會削弱學(xué)生自主學(xué)習(xí)的動力。教師的指導(dǎo)是非常重要的，教師要引導(dǎo)學(xué)生用“假說-演繹法”來分析教科書，以解決遇到的實(shí)際問題。
�。�2）給學(xué)生更多思考的時(shí)間和空間生物課堂教學(xué)高效的保證之一是學(xué)生積極的思考。對構(gòu)建生物模型，教師需要做的是既要分析、推理、歸納、演繹，又要精心設(shè)計(jì)好激發(fā)學(xué)生想象的思維活動，還要在提出問題后或者學(xué)生提出問題后，給學(xué)生思考和討論的時(shí)間和空間，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入的研究、分析、討論，這對生物模型的構(gòu)建十分重要。
三、結(jié)語
綜上所述，在高中生物模型建構(gòu)中，科學(xué)地應(yīng)用“假說-演繹法”對于培養(yǎng)學(xué)生生物建模思維水平，提升學(xué)生生物建模能力有重要的作用和深遠(yuǎn)的意義�！凹僬f-演繹法”在模型建構(gòu)中的運(yùn)用，可以促進(jìn)學(xué)生更深入地探究學(xué)習(xí)，豐富和增強(qiáng)學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。因此，針對“假說-演繹法”在高中生物模型建構(gòu)中的應(yīng)用，教師應(yīng)在教學(xué)情境中提出問題，讓學(xué)生對提出的問題進(jìn)行深入分析研究，并在此基礎(chǔ)上做出科學(xué)合理的假說，根據(jù)合理的假說，用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證假說是否正確。教師要引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用好“假說-演繹法”，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入思考、討論，從而切實(shí)提高高中生物的教學(xué)效率和質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)：
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