文档介绍：生物教学中的建模及其应用
生物教学中的建模及其应用
【摘要】模型是一种直观而方便的教学器具,在生物学教学中不可或缺。如何有效运用这一资源,开展模型教学,以增进学生对学科内容的理解,进一步培养他们建模、运模的能力,在生物学习中具有重要的价值。本文就生物教学中的建模作了论述。
【关键词】生物教学,建模,价值
高中生物学教科书提供了丰富的模型资源,如客观实物的相似模型,真实世界的数学抽象模型,思想观点的文字理论模型,以及客观现实的形象显示模型等等。其中最常见的是物质模型和思维模型。
物质模型包括天然模型和人工模型。天然模型如在研究人体的时候,特别是人的生理现象时,出于对人身健康、安全和伦理道德方面的考虑,不便直接对人体进行实验操作。因此,常常用其他与人相似的哺乳类动物来代替,如狗、猫、鼠等作为人体模型进行研究,从而获得人体生理学的有关知识。如利用线虫进行细胞凋亡的研究,利用海兔进行学忆的研究;利用果蝇进行发育调控的研究等,这里线虫、海兔和果蝇即是一些天然模型。人工模型即人为制造的科学模型。在科学认识活动中,为了更好地研究微观世界和宏观世界,采用制造人工的实物模型进行模拟研究。类似人体的器官、血液循环等复杂的对象都已经有了实物模型。高中生物学中的细胞模型、细胞器模型、生物大分子模型、生物膜模型、动(植)物有丝分裂模型和减数分裂中染色体的变化模型等均属于人工模型。
思维模型包括理想模型、数学模型和理论模型。理想模型是人们为了便于研究而建立的对原型高度抽象化的思想客体或思想事物,它是对研究对象的简化和纯化,突出反映了显示原型的主要特征和联系。它的建立得益于逻辑方法和非逻辑方法的综合运用,是创造思维的结果。
科学研究离不开科学抽象,简化了的理想模型作为科学抽象的结果,渗透在生物学科中。如大肠杆菌的结构模式图,各类细胞器、细胞结构的模式图,各类分子(氨基酸、多肽、核苷酸、核酸等)的模式图,生物膜系统图解、酶降低化学反应活化能的图解,自由扩散、协助扩散和主动运输示意图,光合作用、有氧呼吸过程图解,有丝分裂模式图解,显性和隐性基因的字母化,哺乳动物(精子)卵细胞的形成图解,DNA复制、转录和翻译的示意图,噬菌体侵染大肠杆菌的实验图解等等。
数学模型是能够表现和描述真实世界某些现象、特征和状况的数学系统。数学模型能定量地描述生物物质运动的过程,一个复杂的生物学问题借助数学模型能转变成一个数学问题,通过数学模型的逻辑推理、求解和运算,就能够获得客观事物的有关结论,达到对生命现象进行研究的目的。比如描述生物种群增长的费尔许斯特—珀尔方程,就能够比较正确地表示种群增长的规律;通过描述捕食与被捕食两个种群相克关系的洛特卡—沃尔泰拉方程,从理论上说明,农药的滥用,在毒杀害虫的同时也杀死了害虫的天敌,从而常常导致害虫更加猖獗地发生等。
还有一类更一般的方程类型,称为反应扩散方程的数学模型在生物学中也广为应用,它与生理学、生态学、群体遗传学、医学中的流行病学和药理学等研究有比较密切的关系。20世纪60年代,普里戈任提出著名的耗散结构理论,以新的观点解释生命的现象和生物进化原理,其数学基础亦与反应扩散方程有关。
生命现象常常以大量、重复的形式出现,又受到多种外界环境和内在因素的随机干扰。因此概率论和统计学是研究生物学经常使用的方法。生物统计学是生