生物学建模教学研究进展及启示

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子和反应机制上加以整合和修改，发挥新功能，而不是什么事情都从头做起。这倒不是因为生物“知道”这样做的好处，而是“万事皆重来”的生物相对于“整合已有资源”的生物来说，其竞争力明显处于劣势。最初的还原型三羧酸循环是在无氧条件下出现的，可能整合了二氧化碳中碳原子还原、氨基酸合成、血红素合成和脂肪酸合成的路线，成为一个有11个成员的循环。异养生物的出现使得生物可以利用其他生物的材料构建自己的身体并获得能量，自己动手从头合成有机物不再必要，分解代谢成为异养生物首先要进行的活动。而大气中氧气的出现又使彻底氧化食物分子中的氢和碳并将其变成水和二氧化碳成为可能。这时三羧酸循环的作用就发生了改变，从还原碳原子变为氧化碳原子，循环的运转方向也就发生了逆转，成为氧化型循环。由于不再需要乙酰辅酶A还原为丙酮酸这条路线，丙酮酸氧化为乙酰辅酶A的步骤就从循环中分离出来，使循环的成员减到9个。虽然现在人体内的三羧酸循环进行方向与原核生物相反，但是循环的基本结构却是在几十亿年前就确定了。人类生命所依赖的，仍然是原核生物当初的创造和贡献。

主要参考文献

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（E－mail：qinszhu@https://www.sodocs.net/doc/ac17583453.html,）

目前世界范围内的科学教育改革鼓励学生融入到真实的科学实践中，在掌握知识的同时了解知识形成的过程。而构建模型是科学研究工作的核心内容之一，在教学中进行模型构建可以帮助学生模拟科学家的思维，像科学家那样了解知识的产生和运作［1］。学生在学习科学的过程中构建和发展自己的模型，从而深入理解知识。

物理学科最早开展了建模教学（modeling in-struction）的研究。美国亚利桑那州立大学的物理学家斯特尼（D.Hestenes）及其团队从1980年开始致力于建模教学的研究，目前建模教学已应用于高中和大学物理学的课堂教学中，成为美国物理学教育改革中较成功的教学模式之一［2］。对于生物学科领域而言，在ERIC（education resources information center）数据库中以“modeling in biolo-gy”作为关键词进行搜索，从1973-2013年共计30篇文献；以“modeling instruction”和“biology”作为关键词进行搜索，共计4篇文献；以“modeling teaching”和“biology”作为关键词进行搜索，共计12篇文献。生物学建模教学的研究从世界范围来看，在理论和应用层面上有进一步研究的空间。不同研究者对建模教学的研究切入点有所不同，本

生物学建模教学研究进展及启示

赵萍萍刘恩山

（北京师范大学生命科学学院北京100875）

摘要建模教学可以使学生融入到真实的科学实践中，学生在掌握知识的同时了解知识形成的过程，是目前中、小学科学教育改革的一个重要方向。对于生物学科而言，建模教学的研究在理论和应用层面有待进一步深入。综述了目前生物学建模教学研究的现状和趋势，以期为中、小学生物学建模教学的研究和课堂教学实践提供参考。

关键词生物学建模教学模型功能计算机建模建模理论

中国图书分类号：G633.91文献标识码：A

研究从学科建模教学的视角，注重在真实的情境中进行模型的构建，强调在建模过程中的步骤及在这些过程中的思考。将建模教学界定为：凡是涉及模型构建、评价、修正过程的教学均称为建模教学。本文综述了目前生物学建模教学研究的主要趋势和成果，以期为中、小学生物学建模教学的开展及进一步研究提供参考性建议。

1生物学建模教学研究现状

关于生物学科领域的建模教学研究，不同研究者的研究理论和倾向性虽有所不同，但都是在学科建模教学的研究视角下开展的。目前主要有以下几个具有代表性的研究团队从不同侧重点展开生物学科建模教学研究：①加利福尼亚大学的斯沃博达（J.Svoboda）和帕斯（C.Passmore），主要从科学哲学的角度，基于模型的不同功能，为了使建模更加情境化和实用化而开展的建模教学研究；②密歇根大学的杰克逊（S.Jackson）、斯特拉特福德（S.J.Stratford）、克拉伊契克（J.Krajcik）、罗威（E.Soloway），以及美国生态系统研究所的霍根（K.Hogan）、托马斯（D.Thomas）等研究者主要从系统论的角度，进行基于计算机软件构建动态系统模型的建模教学研究，具体研究内容主要涉及生态学和遗传学等；③佛罗里达国际大学的伯尔威（E.Brewe）和曼泰（S.Manthey）主要侧重于在物理学建模理论的基础上进行改进，将物理学建模教学的研究理论和成果调整运用到生物学建模教学研究中。在生物学建模教学研究领域，还有一些研究者针对具体某个知识内容，例如DNA复制、血液循环等开展模型构建制作和设计方面的探讨，这些研究具有很强的实际教学操作性，本文主要关注的是在大的研究视角下开展的促进建模教学理论发展和建模教学框架构建的生物学建模教学研究，因此不再针对某个知识内容的模型构建研究展开综述。以下主要介绍不同研究角度下的生物学建模教学的研究成果。

1.1基于模型的不同功能进行建模的生物学建模教学研究斯沃博达（J.Svoboda）和帕斯（C. Passmore）认为目前关于建模的许多研究较多地关注模型的功能和建模的目的，对模型功能之间差异的分析却很少，易使建模走向程序化和一般化，缺乏针对性和实用价值。他们认为研究者应该了解模型在科学实践中的不同作用，弄清楚将建模引入课堂的目的。科学家往往依据其研究目的，构建模型表征世界的一些方面，有时针对同一个事物，科学家会依据不同的研究目的而构建不同的模型［3］。例如，学者莱文斯（R.Levins）指出对于同一片海域，渔业科学家会构建一个模型，精确地预测某些鱼类的种群数量波动，而生态学家不需要构建这样具有精确预测力的模型，他们主要关注的是整个海域的平衡与稳态。在生物科学中，模型用途的多样性是显而易见的［4］。在生命科学领域及其他科学领域，模型是基于不同的功能和用途被构建的。因此基于情境、研究目的和模型的功能进行模型构建非常重要。

斯沃博达和帕斯的研究主要是从科学哲学的角度，认同学者欧邓巴赫（J.Odenbaugh）提出的建模在生物学研究中的5种作用，以及在生物学课堂上构建模型常使用到的5种教学策略［5］。首先，模型具有简化的作用，可以用简单的模型理解复杂的现象。构建简单模型便于从复杂的系统中抽提重要的要素进行构建，在模型出现问题时，易于找出关键点进行修正。第2，面对一个新的现象，科学家会尝试探查该现象是如何发生的，此时模型就发挥探究的作用。模型构建的主要过程是：科学家利用先前的知识，通过比较分析，形成初始的模型，之后经过实验，最后构建出最具有解释力的模型。第3，通过模型构建形成新的概念或观点。第4，用模型解释现象。第5，用模型预测现象。需要特别指出的有2点：①他们认为用于解释现象和用于预测现象的模型，其评价标准和构建过程是不同的。用于解释现象的模型需要有足够的组成成分，以及成分间的因果关系，还有形成一些可以观察到的结果或现象；而用于预测现象的模型，着重关注模型从初始条件开始的预测性。②针对一个复杂的现象，模型的5种作用可以联合使用。例如：首先通过模型的简化得到最主要的模型构成要素，之后构建要素之间的相互关系，探究现象发生的原因；基于此探究模型的构建可以引发研究者新的思考，形成新的观点；基于新的观点，进一步修改模型，最终解释现象或预测现象。基于以上提到的模型构建的5个作用，斯沃博达和帕斯开展了“将数学与生物学结合的合作学习，

CLIMB”（collaborative learning at the interface of mathematics and biology）项目，进行大学生物学建模教学的实证研究，研究表明关注模型功能的构建模型活动可以加深学生对知识及构建模型的理解。

斯沃博达和帕斯等研究者的研究提示在进行模型构建和建模教学时，应从模型的功能角度出发，仔细分析一个事物，用模型表征它的哪些方面，通过构建模型达到怎样的建模和教学目的。尽管研究者采用大学生物学建模教学课堂活动作为实证研究的实例，但模型的简化等不同功能同样可以迁移到中、小学的课堂教学中。基于模型的不同功能进行建模，有可能成为中、小学生物学建模教学研究的一个生长点和切入点。

1.2基于计算机软件环境进行动态系统模型构建的生物学建模教学研究一些研究者致力于用现代科学技术构建模型的研究。对于生物学科而言，不论是一个细胞内部的新陈代谢，人体的平衡和稳态，还是一个生态系统物质和能量的输入和输出，乃至整个地球生物圈的稳态与变化，许多知识内容都应系统地进行思考。美籍奥地利生物学家贝塔朗菲（Bertalanffy）作为一般系统论和理论生物学的创始人，在20世纪30年代首次提到一般系统论（general systems theory）。他认为现代技术和社会十分复杂，需要在一切知识领域中运用整体或系统概念处理复杂性问题，倡导使用系统、整体和计算机建模方法研究问题，并将生物作为开放系统进行研究。系统论的基本研究方法，就是把所研究和处理的对象，当作一个系统，分析系统的结构和功能。系统由组分或分系统组成，每个组分或分系统在系统中发挥一定的作用，并且组分或分系统之间相互作用。系统有开放系统和闭合系统，而生物系统是开放系统，并且有物质、能量、信息的输入和输出。在一般系统理论提出后，系统理论学派的主要代表人物杰伊.福莱斯特（J. W.Forrester）于1956年提出了动态系统理论。该理论认为开放性系统是一个自我组织系统，系统通过组分或分系统的相互作用经历生命循环，并且系统在平衡和紊乱之间进行转换。对于生物学科而言，不是零碎地记忆生物学事实，而是系统地考虑了解不同层次系统的运作，系统思想对于生物学研究和生物学学习非常重要，这也是生物学科鲜明的学科特色之一。

基于这样的学科认识，为了研究复杂开放的系统，一般采用建立模型的方法。然而对于生态学等相关知识内容来说，由于系统的动态性，只用静止的图画等进行表征，不能很好地反映系统的动态特性。福莱斯特（J.W.Forrester）于1968年提出构建动态系统模型可以加深人们对复杂系统理解的观点，而计算机因其快速运算功能和具有绘图等多重表征的功能，非常适合用于动态系统模型的构建［6］。斯特拉特福德（S.J.Stratford）认为基于计算机的动态系统建模是指基于计算机软件环境构建和修改模型。一些研究开始通过计算机软件进行生物学建模教学的研究。比较适合中、小学生物学建模且使用较多的软件主要有以下3种：①Model-It；②IQON（interacting quantities omitting numbers）；③STELLA（structural thinking experimen-tal learning laboratory with animation）［6，7］。Model-It 主要支持学生进行半定量的动态模型构建，这些模型产生的情境与日常生活密切相关［7，8］。例如在探讨某居住地附近一条小河水质的变化情况时，可以创设影响水质的几个可能性因素，定义因素的属性或变量，连接因素属性之间及因素属性与水质之间的相互关系，形成初步的系统模型，然后运行和检验该模型。随着模型中因素属性的变化，检验此模型是否与预想的模型运行一致，如果不一致则可以修改模型。整个模型的运作呈现的是因素属性之间的相互关系，而不涉及数学方程式的产生，例如“当小河中磷酸盐含量增加时，水质会逐渐下降”这类描述，属于半定量模型的范畴。Model-It软件对学生的认知水平要求不高，也适合小学生和初中生的模型构建学习。软件IQON 与Model-It相似，是一个半定量的模型构建软件，只是它在定量上要求更高，与Model-It的不同点在于，因素之间的相互关系可以用“强的正相关”或“弱的负相关”等进行定义，因此可以用于构建存在多个反馈和因果关系的复杂系统［7，9］。例如可以用此软件构建动物种群波动的模型。IQON 半定量软件比较适合高中学生进行模型构建。STELLA属于定量软件，比较适合高年级的高中生及大学生进行模型的构建［7，10，11］。该软件要求学生构建数学关系式描述和解释系统的运作。例如可

以构建种群数量波动和某个生态系统的物质和能量的输入和输出。斯特拉特福德提出使用计算机软件进行模型构建时，一般包括5个步骤：①分析引发某些现象的因素；②思考这些因素之间的相互关系；③表示这些因素和因素之间的相互关系；

④检验此模型是否合理，并调整模型的不合理之处；⑤用此模型解释现象发生的原因。教师可以借鉴这几个步骤进行基于计算机软件的建模教学。此外，由于动态系统建模的挑战性，在实际教学中，可以先让学生进行定性的或半定量的模型构建，再逐渐过渡到定量的模型构建［12］。

1.3基于已有建模理论开展的生物学建模教学研究已有的建模理论（modeling theory）是物理学建模教学研究的理论基础，建模理论主要关注科学课程包括的内容及教师、学生如何有效达到课程目标。建模理论可以分为2个方面：科学中的建模理论（modeling theory of science）和教学中的建模理论（modeling theory of instruction）［13，14］。研究者伯尔威（E.Brewe）和曼泰（S.Manthey）主要在该建模理论的基础上对其进行修正，将其运用到大学生物学建模教学中。研究者保留了教学中的建模理论的主要内容：学生应该参与到模型构建、模型效化、模型调度、模型修改等建模活动中，教学内容以单元的形式呈现，每单元聚焦在几个模型的构建上，且教学应遵循一定的建模循环。研究者主要针对科学中的建模理论进行了修改。

科学中的建模理论认为模型构建、模型效化、模型调度、模型修正等是科学研究的中心工作之一，且科学理论包括一系列模型或一组模型，以及一系列规则（rules）和理论陈述（theoretical state-ments）,模型处在由中间向外（middle-out struc-ture）发展的科学理论结构中，即：规则和理论在最上位，模型居中，概念在模型下位。在此，概念更倾向于术语。模型位于理论和概念之间的结构，使模型在科学认识中发挥重要作用。规则和理论、模型、概念之间的关系犹如物质、原子和基本粒子之间的关系，每个基本粒子在物质结构中是非常重要的，然而只有当粒子与粒子在原子中相互作用时，粒子的重要性才被意识到，正是原子给予连续的画面使人们了解物质。对于模型本身而言，建模理论认为其也是有层级的。位于中间层级的模型是基本模型（basic model），基本模型比较简单，有利于人们学习基本的概念和规则。位于基本模型下位的是辅助模型（subsidiary model），这些模型是基本模型的特化，是在特定情境下学习者更为熟悉的模型，可以作为学习者学习基本模型的铺路石。位于基本模型上位的是突现模型（e-mergent model），这些模型由一个基本模型与另一个或更多个基本模型组成。物理学建模教学围绕少量的模型进行教学设计，以从辅助模型的构建到基本模型再到突现模型的形式呈现，通过这种层次递进的方式让学生构建自己的模型，深入了解某一知识内容。生物学科和物理学科的学科特色不尽相同，对于某些知识内容而言，物理学科的知识结构可以用模型之间的相互作用关系来呈现，而生物学科的知识内容更多涉及到细微的机制和原理。鉴于此，研究者将物理建模理论中的“辅助模型-基本模型-突现模型”框架进行了调整，使其符合生物学科的特色。调整后的框架是“具体模型（specific model）-基本模型-理论结构（关系、机制、事物等）”，在此框架中，最下位的具体模型是指针对某一具体事物的模型，例如天花病毒结构模型。在几个具体模型的基础上，通过归纳总结得到基本模型，例如病毒结构模型。基本模型仍然位于框架的中心位置，基本模型可以用于解释相关的关系或机制等，例如病毒是如何通过改变结构侵入人体的。例如，在生物学科中，单核细胞增生李斯特氏菌侵染细胞是一个具体模型，通过类似几个模型，归纳总结得出细菌侵染细胞的基本模型，该基本模型具有描述性和解释性，可以将其推广应用到其他大量类似的现象中。伯尔威和曼泰主张在大学生物学建模教学中，基于具体模型-基本模型-理论结构（关系、机制、事物等）的框架结构，围绕几个模型设计单元教学内容。除了科学中的建模理论、教学中的建模理论外，伯尔威等人还提出了建模教学管理。他们认为可以将某个概念、观点或问题引入一个小组，针对这些概念、观点或问题形成该小组的解释，之后该小组向全班展示，进入全班讨论阶段。小组合作、全班讨论的形式有助于建模教学的开展［14］。

目前，该项研究主要在大学生物学建模课堂中开展，而针对中、小学生的认知水平和知识结

构，以及我国中、小学生物学教学的实际情况和需求而言，此项建模理论是否适用，有待研究。

2生物学建模教学研究对中、小学建模教学的启示

从上述研究综述可以看到，研究者基于不同的角度开展了生物学建模教学及理论的研究，已有的成果可以为中、小学建模教学的开展及进一步研究提供一定参考。

2.1依据生物学科特色探索中、小学生物学建模教学理论前文分别提到了基于科学哲学理论角度关注模型功能的研究、基于系统论角度依托计算机软件环境的建模研究，以及基于已有建模理论开展的建模研究，这些不同的理论视角为生物学建模教学研究提供了参考。然而，直接使用还是有所删除和保留并融会贯通，或是进行新的创造，这是研究者需要深入且慎重思考的问题。开展中、小学生物学建模教学是为了在基础教育层面，解决实际的构建模型问题，真正帮助学生深入理解知识。在研究的过程中，可能需要思考以下与理论着眼点密切相关的问题：针对哪些学生或教师群体进行研究、需要在哪些内容上进行建模教学、建模的水平应达到什么程度、建模的目的和模型的功能是什么、如何有效地组织学生开展建模等。

2.2针对不同学段的学生分别进行生物学建模教学研究由于幼儿园儿童、小学生、初中生、高中生的认知水平各不相同，在进行建模教学研究时，无论是在教学内容、教学组织形式，还是教学工具使用上，都需要进行区分研究。例如，对于低年级的小学生来说，不要求他们从系统层面认识生物学问题，因此，基于计算机软件的系统模型构建教学对于这些学生群体是不必要和不适宜的。即使对于适合进行系统模型建模教学的学生群体而言，使用何种计算机软件，也需要区分和选择。例如对于高年级的小学生和初中生而言，Model-It软件是符合其认知水平的，如果使用STELLA 这种难度较高的定量软件进行教学，则会超出绝大部分学生的认知能力范畴，非但不能促进学生建模能力的发展和加深对知识的理解，反而会加重学生的学业负担。

2.3关注计算机软件在中、小学生物学建模教学中的应用生物学教育研究者和一线教师可以思考针对某个学段的某个知识内容，进行基于计算机软件的建模教学研究。例如，在初中生物学课程标准中，“生物与环境”作为一个重要的主题，涉及到生态系统及生态系统自我调节能力等相关的知识内容。研究者可以考虑使用Model-It软件进行动态生态系统的构建和教学。目前该软件还未在国内进行推广和应用，因此，关于此软件的建模教学研究可能成为一个新的研究点。对于软件IQON和STELLA等而言同样如此，研究者可以考虑将其推广到高中生物学的建模教学中。

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（E-mail:liues@https://www.sodocs.net/doc/ac17583453.html,）