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假说演绎法在高中生物模型建构的应用论文
摘要：“假说-演绎法”在高中生物模型建构中占据重要地位，以建构“种群数量增长曲线的数学模型”为例，运用“假说-演绎法”进行模型建构的教学实践和研究，将“假说-演绎法”与模型建构的方法有机结合，使模型建构更加有章可循，有法可依。同时，还有助于学生在科学探究中主动生成知识，有助于训练学生的逻辑推理能力。
关键词：“假说-演绎法”;生物模型建构;应用方法
《普通高中生物课程标准(实验)》的“课程设计思路”对“遗传与进化”模块的教学价值做了阐述，特别指出了这个模块对学生理解“假说演绎”“建立模型”等科学方法具有重要作用。这里提到的科学方法，如“假说演绎”“模型建构”等对提高每个高中生的生物科学素养至关重要。“假说-演绎法”主要应用于必修2“遗传与进化”模块中的“孟德尔的分离定律和自由组合定律”“基因与染色体的关系”等，在其他方面的应用却很少甚至没有。我通过教学研究与实践尝试，将“假说-演绎法”应用于模型建构中，取得了良好的教学效果。
一、“假说-演绎法”在高中生物模型建构中的应用
1.认知心理学认为，人类的知识和经验不仅包括概念体系，还包括外观。前者有概念、原理、规律和理论；后者的构图包含想法和印象。因此，对于学生而言，模型提供的概念和印象，一方面有助于学生对系统知识的获取，另一方面也有助于学生知识的构建。“假说-演绎法”在高中生物模型建构中的应用，对于学生建模思维和建模能力的培养与提升具有重要意义，是现代科学研究中形成和构造科学理论的一种重要思维方法。“假说-演绎法”运用于模型建构中，不仅能培养学生的探究能力，还有助于提高学生的生物科学素养。我曾将“假说-演绎法”分别运用于“生物膜的流动镶嵌模型”构建物理模型、“种群的数量变化”构建种群增长的数学模型、“光合作用的发现历程”构建概念模型：光合作用的反应式等，均取得了很好的教学效果，得到了同行的赞同。下面我以必修三第四章第二节“种群的数量变化”一节教学内容为例，具体谈谈“假说-演绎法”在生物模型建构中的应用。
创设合理情境，提出相应问题一个好的情境不仅能使学生身临其境，同时也能使学生提出的问题更具有针对性。比如，教师可以为学生播放“大肠杆菌的分裂繁殖”视频，使学生真实体验到细菌由一个变二个、由二个变四个、由四个到八个，依次类推。然后教师补充“大肠杆菌每20分钟分裂一次”，这时，学生自然就会提出“120小时后共有多少个大肠杆菌？”
2.分析问题，做出合理的假说师生要对提出的问题进行分析，例如，视频中的“大肠杆菌”为什么可以不受限制地分裂下去，产生许多个相同的后代？教师通过分析后提出“在无限的资源和空间环境中，大肠杆菌种群的增长不受种群密度增加的影响”这一假说。
3.根据假说，进行演绎推理“在资源和空间无限的环境中，大肠杆菌种群的增长在不受种群密度增加的影响”的条件下，1个大肠杆菌分裂720分钟后，可以产生多少个大肠杆菌？学生尝试用数学方程式、表格、曲线图等形式表示，起始数量为1，繁殖代数为n，第2代是第1代的2倍，第n代后大肠杆菌的数量为N=2n。由此推导出“若某种群的起始数量为N0，时间为t，假设该种群数量每年以一定的倍数增长，第二年是第一年的λ倍。则t年后该种群的数量Nt=N0λt。学生根据数学方程式绘制出相应的曲线图，如图1所示。该曲线和英文字母“J”相似，故叫“J”形增长曲线。但该公式及所绘制的曲线图在自然条件下或有限的资源空间下是否依旧适用呢？是否适用于其他种群呢？故需要设计实验进行验证。
4.设计实验并进行实验，验证假说的正确性
（1）实验材料选择任何一个实验，材料的选择都非常重要。孟德尔之所以能够成功，关键是正确选择了豌豆做实验材料，摩尔根也是如此。本实验需要选择一种繁殖速度快、便于统计、生活中经济实惠又容易获得的生物，故教材选择了酵母菌作为实验材料。
（2）设计实验，并进行实验将酵母菌放在10mL酵母菌培养液中培养，每天上午10点左右使用血细胞计数板对其进行统计并记录实验结果，连续培养5天，然后教师将实验结果展示给学生（见表1）。学生根据数据进行描点作图，绘制出相关的曲线图（如图2所示），并与之前绘制的Nt=N0λt的曲线图（图1）作比较。
（3）分析实验结果比较图1和图2的曲线可知：在10mL酵母菌培养液中培养酵母菌，由于资源空间有限，因此种群数量增加到一定程度后稳定在某一范围内。图2所示曲线并不像“J”，而像“S”，故该曲线称为“S”形增长曲线。
（4）修正实验假说，得出实验结论综上可知：①在食物、空间充足，气候适宜，没有敌害等理想条件下，种群的数量呈“J”形增长。②在有限的资源空间中，种群的数量不可能无限增长，而是呈“S”形增长。
（5）进一步探究，不断修正在有限的资源空间中，酵母菌的数量从第4天以后会一直维持在1300个/mm3左右吗？新问题的出现，需要学生进行进一步探究。该问题可以留给学生课后完成。
二、“假说-演绎法”在高中生物模型建构中应用的反思
1.“假说-演绎法”在高中生物教学中的作用首先，“假说-演绎法”有利于提高学生的生物科学素养。在高中生物课堂教学过程中，教师要精心挖掘教材中的生物模型素材，对学生将要学习的理论知识进行假设，然后引导学生进行演绎推理，再通过实验的方式加以验证，让学生亲身经历一次“真实”的实验研究过程，以此培养学生思考问题和解决问题的能力。其次，“假说-演绎法”有助于学生在科学探究中主动生成知识。教师运用“假设-演绎法”的基本过程组织教学，能使知识有更清晰的主线。学生遵循这一主线，改变和优化了死记硬背的学习方法，较好地掌握了事物的本质，知识体系的构建基本形成，学生的学习主动性和兴趣也被充分激发，大大提高了课堂效率。再次，“假说-演绎法”有助于培养学生的逻辑推理能力。假说的提出，要求学生思维灵活且具有创造性，而演绎推理的运用，彰显的是严谨细致的学习态度，这有助于训练学生的逻辑思维。最后，“假说-演绎法”使模型建构更加系统化。高中生物模型主要有物理模型、数学模型和概念模型三种，其建构方法各不相同。尝试运用“假说-演绎法”进行模型建构的教学实践和研究，将“假说-演绎法”与模型建构的方法有机结合，使模型建构更加有章可循，有法可依。
2.“假说-演绎法”使用时应注意的问题
（1）教师应适当地引导“假说-演绎法”不能使用灌输和叠加等方法，相反，它要求教师和学生有意识地达成一致。当教师使用“假说-演绎法”来建立模型时，应切实重视学生能力的发展，而不应直接告诉学生自己的想法，否则会削弱学生自主学习的动力。教师的指导是非常重要的，教师要引导学生用“假说-演绎法”来分析教科书，以解决遇到的实际问题。
（2）给学生更多思考的时间和空间生物课堂教学高效的保证之一是学生积极的思考。对构建生物模型，教师需要做的是既要分析、推理、归纳、演绎，又要精心设计好激发学生想象的思维活动，还要在提出问题后或者学生提出问题后，给学生思考和讨论的时间和空间，引导学生进行深入的研究、分析、讨论，这对生物模型的构建十分重要。
三、结语
综上所述，在高中生物模型建构中，科学地应用“假说-演绎法”对于培养学生生物建模思维水平，提升学生生物建模能力有重要的作用和深远的意义。“假说-演绎法”在模型建构中的运用，可以促进学生更深入地探究学习，丰富和增强学生的生物科学素养。因此，针对“假说-演绎法”在高中生物模型建构中的应用，教师应在教学情境中提出问题，让学生对提出的问题进行深入分析研究，并在此基础上做出科学合理的假说，根据合理的假说，用实验来验证假说是否正确。教师要引导学生应用好“假说-演绎法”，指导学生进行深入思考、讨论，从而切实提高高中生物的教学效率和质量。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物课程标准[S].北京:人民教育出版社,2008.
[2]田日量.用“假说-演绎”进行科学探究[J].福建基础教育研究,2011(2).
[3]杭跃男.剖析经典实验领悟“假说—演绎法”的实质及其应用[J].生物学通报,2012,47(7).
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