Модели и моделирование в биологии

Применение моделирования в биологии

Модели и моделирование в биологии

На протяжении длительного периода времени биология была описательной наукой, мало приспособленной для прогнозирования наблюдаемых явлений. С развитием компьютерных технологий ситуация изменилась.

Сначала наиболее используемыми в биологии были методы математической статистики, которые позволяли выполнять корректную обработку данных экспериментов и оценивать определенную значимость для принятия определенных решений и получения выводов.

Со временем, когда методы химии и физики вошли в биологию, начали использовать сложные математические модели, которые позволяли обрабатывать данные реальных экспериментов и предсказывать протекание биологических процессов в ходе виртуальных экспериментов.

Модели в биологии

Моделирование биологических систем представляет собой процесс создания моделей биологических систем с характерными для них свойствами. Объектом моделирования может быть любая из биологических систем.

В биологии применяется моделирование биологических структур, функций и процессов на молекулярном, субклеточном, клеточном, органно-системном, организменном и популяционно-биоценотическом уровнях организации живых организмов. Применяется моделирование также к разным биологическим феноменам, условиям жизнедеятельности отдельных особей, популяций, экосистем.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Определение 1

Биологические системы – это очень сложные структурно-функциональные единицы.

Используется компьютерное и наглядное моделирование биологических компонентов. Примеров таких биологических моделей огромное количество. Приведем некоторые примеры биологических моделей:

Наблюдается быстро возрастающее значение моделей компьютерного моделирования почти во всех областях биологии.

Компьютерное моделирование используется для анализа расчетных данных, к которому относится и обработка изображений, для анализа нуклеотидных последовательностей, кодирующих ген и отдельных белков, для компьютерного обучения современной биологии и т.д.

При помощи проведения «виртуальных» экспериментов на персональных компьютерах можно контролировать все переменные и факторы воздействия, что позволяет выполнять анализ биологических систем, разработку физических моделей для компонентов этих систем, которые нельзя провести в реальных экспериментах.

Основные виды моделей в биологии

Биологические модели на лабораторных животных воспроизводят определенные состояния или заболевания, которые встречаются у животных или человека.

Их использование позволяет изучать при проведении экспериментов механизмы возникновения данного состояния или заболевания, его протекание и исход, воздействовать на его протекание.

Примерами биологических моделей являются искусственно вызванные генетические нарушения, инфекционный процесс, интоксикация, воспроизведение гипертонических и гипоксических состояний, злокачественных новообразований, гиперфункция или гипофункция некоторых органов, неврозы и эмоциональные состояния.

Для создания биологических моделей воздействуют на генетический аппарат, применяется заражение микробами, вводят токсины, удаляют отдельные органы и т.д.Физико-химические модели воспроизводят с помощью химических или физических средств биологические структуры, функции или процессы и, обычно, они представляют собой далекое подобие биологического явления, которое моделируется.

Значительные успехи были достигнуты в создании моделей физико-химических условий существования живых организмов, их органов и клеток. Например, подобраны растворы неорганических и органических веществ (растворы Рингера, Локка, Тироде и др.), которые имитируют внутреннюю среду организма и поддерживают существование изолированных органов или культивируемых клеток внутри организма.

Замечание 1

Моделирование биологических мембран позволяет выполнять исследование физико-химических основ процессов транспортировки ионов и влияния на него разных факторов. С помощью химических реакций, которые протекают в растворах в автоколебательном режиме, моделируются характерные для многих биологических феноменов колебательные процессы.

Математические модели (описание структуры, связей и закономерностей функционирования живых систем) построены на основе данных эксперимента или представляют собой формализованное описание гипотезы, теории или открытой закономерности какого-либо биологического феномена и для них необходима дальнейшая опытная проверка.

Разные варианты таких экспериментов определяют границы использования математических моделей и представляют материал для ее дальнейшего корректирования.

Испытание математической модели биологического явления на персональном компьютере дает возможность предвидеть характер изменения исследуемого биологического процесса в условиях, которые трудно воспроизвести с помощью эксперимента.

Математические модели дают возможность предсказать в отдельных случаях некоторые явления, которые были ранее неизвестны исследователю.

Например, модель сердечной деятельности, которую предложили голландские ученые ван дер Пол и ван дер Марк, основанная на теории релаксационных колебаний, показала возможность особого нарушения сердечного ритма, которое впоследствии обнаружили у человека.

Математической моделью физиологических явлений является также модель возбуждения нервного волокна, которая была разработана английскими учеными А. Ходжкином и А. Хаксли. Существуют логико-математические модели взаимодействия нейронов, построенные на основе теории нервных сетей, которые были разработаны американскими учеными У. Мак-Каллоком и У. Питсом.

Источник: https://spravochnick.ru/informacionnye_tehnologii/informacionnye_modeli_i_modelirovanie/primenenie_modelirovaniya_v_biologii/

Модели и моделирование в биологии

Модели и моделирование в биологии

1. Концептуальные уровни в химии….………………………………..2

2. Концептуальные уровни в биологии………………………………..3

3. Модели и моделирование в биологии…………………….…………9

4. Список использованной литературы…….………………………….16

1. Концептуальные уровни современной химии

По мере развития химии до ее современного уровня в ней сложились четыре совокупности подходов к решению ос­новной задачи. Развитие этих подходов обусловило фор­мирование четырех концептуальных систем химических знаний.

Концептуальные подходы к решению основной пробле­мы химии, появлялись последователь­но.

Первоначально свойства веществ связывались исключи­тельно с их составом (в этом суть учения о составе). На этом уровне развития содержание химии исчерпывалось ее традиционным, менделеевским определением – как науки о химических элементах и их соединениях.

Далее учение о составе было дополнено концепцией структурной химии. Структурная концепция объединяет теоретические представления в химии, устанавливающие связь свойств веществ не только с составом, но и со структу­рой молекул.

В рамках этого подхода возникло понятие «ре­акционная способность», включающая представление о химической активности отдельных фрагментов молекулы — отдельных ее атомов (и даже отдельных химических свя­зей) или целых атомных групп.

Структурная концепция позволила превратить химию из преимущественно аналити­ческой науки в науку синтетическую. Этот подход позволил в конечном итоге создать промышленные технологии синте­за многих органических веществ.

Затем было развито учение о химических процессах. В рамках этой концепции с помощью методов физической кинетики и термодинамики были выявлены факторы, влияющие на направленность и скорость протекания химичес­ких превращений и на их результат. Химия вскрыла механизмы управления реакциями и предложила способы изменения свойств получаемых веществ.

Последний этап концептуального развития химии свя­зан с использованием в ней некоторых принципов, реализо­ванных в химизме живой природы.

В рамках эволюцион­ной химии осуществляется поиск таких условий, при кото­рых в процессе химических превращений идет самосовер­шенствование катализаторов реакций.

По существу речь идет об изучении и применении самоорганизации химических систем, происходящих в клетках живых организмов.

Каждая новая концептуальная ступень в развитии хи­мии, означает не отрицание подходов, использовавшихся ранее, а опору на них как на основание. Все показанные на схеме концептуальные системы используются не порознь, а во взаимосвязи. Последовательное дополнение химии назван­ными концептуальными системами составляет логику раз­вития этой науки.

Термин «концептуальная система», а не «концепция» использован в приведенных выше рассуждениях не случай­но.

Причина этого заключается в том, что на каждой ступе­ни рассмотренной «лесенки» развития химии, в свою оче­редь, были использованы различные научные идеи для ре­шения конкретных проблем.

Примером тому служит выда­ющееся открытие в области химии, сделанное на пути ре­шения одной из исходных проблем химии — проблемы химического элемента.

2. Концептуальные уровни в биологии

2.1 Особенности биологического уровня организации материи.

2.1.1 ПРЕДМЕТ БИОЛОГИИ. ЕЕ СТРУКТУРА И ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ

Определение предмета биологии на первый взгляд кажется довольно простым.

Биология – это наука о живом, его строении, формах активности, сообществах живых организмов, их распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой.

В настоящее время биология представляет собой целый комплекс наук о живой природе. Структуру его можно рассматривать с разных точек зрения.

– По объектам исследования биология подразделяется на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию.

– По свойствам, проявлениям живого в биологии выделяются:

морфология – наука о строении живых организмов;

физиология – наука о функционировании организмов;

молекулярная биология, изучающая микроструктуру живых тканей и клеток;

экология, рассматривающая образ жизни растений и животных и их взаимосвязи с окружающей средой;

генетика, исследующая законы наследственности и изменчивости.

-По уровню организации исследуемых живых объектов выделяются:

анатомия, изучающая макроскопическое строение животных:

гистология, изучающая строение тканей;

цитология исследующая строение живых клеток.

Важнейшим инструментом дальнейшего познания этого мира служит категория «живого», являющаяся ключевой, исходной для всей системы биологических наук.

В развитии биологии выделяют три основных этапа:

1) систематики (К. Линней),

2) эволюционный (Ч. Дарвин),

3) биологии микромира (Г. Мендель).

Каждый из них связан с изменением представлений о мире живого, самих основ биологического мышления, со сменой биологических парадигм.

2.1.2. Свойства живых организмов.

Определение сущности живого.

Интуитивно мы все понимаем, что есть живое и что – мертвое. Так, один из авторов предложил следующее «глубокомысленное» определение:

живой организм – это тело, слагаемое из живых объектов;

неживое тело – слагаемое из неживых объектов.

Это означает, что дать точное определение жизни весьма непросто. Современная биология при описании живого идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом подчеркивается, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни.

К числу свойств живого обычно относят следующие.

– Живые организмы характеризуются сложной, упорядоченной структурой. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах.

– Живые организмы получают энергию из окружающей среды, используя ее на поддержание своей высокой упорядоченности. Большая часть организмов прямо или косвенно использует солнечную энергию.

– Живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Если толкнуть камень, то он пассивно сдвигается с места. Если толкнуть животное, оно отреагирует активно: убежит, нападет или изменит форму.

Способность реагировать на внешние раздражения – универсальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных.

– Живые организмы не только изменяются, но и усложняются. Так, у растения или животного появляются новые ветви или новые органы, отличающиеся по своему химическому составу от породивших их структур.

– Все живое размножается. Эта способность к самовоспроизведению, пожалуй, самая поразительная способность живых организмов. Причем потомство и похоже, и в то же время чем-то отличается от родителей. В этом проявляется действие механизмов наследственности и изменчивости, определяющих эволюцию всех видов живой природы.

– Сходство потомства с родителями обусловлено еще одной замечательной особенностью живых организмов – передавать потомкам заложенную в них информацию, необходимую для жизни, развития и размножения. Эта информация содержится в генах – единицах наследственности, мельчайших внутриклеточных структурах.

Генетический материал определяет направление развития организма. Вот почему потомки похожи на родителей. Однако эта информация в процессе передачи несколько видоизменяется, искажается. В связи с этим потомки не только похожи на родителей, но и отличаются от них.

— Живые организмы хорошо приспособлены к среде обитания и соответствуют своему образу жизни. Строение крота, рыбы, лягушки, дождевого червя полностью соответствует условиям, в которых они живут.

Обобщая и несколько упрощая сказанное о специфике живого, можно отметить, что все живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе, а неживые тела не питаются, не дышат, не растут и не размножаются.

Из совокупности этих признаков вытекает следующее обобщенное определение сущности живого:

жизнь есть форма существования сложных, открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению.

Важнейшими функциональными веществами этих систем являются белки и нуклеиновые кислоты.

2.2. Структурные уровни живого.

Структурный, или системный, анализ обнаруживает, что мир живого чрезвычайно многообразен, имеет сложную структуру. На основе разных критериев могут быть выделены различные уровни, или подсистемы, живого мира. Наиболее распространенным является выделение на основе критерия масштабности следующих уровней организации живого.

рис. 4-1

– Биосферный – включающий всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой.

На этом уровне биологической наукой решается такая, в частности, проблема, как изменение концентрации углекислого газа в атмосфере.

Используя этот подход, ученые выяснили, что в последнее время концентрация углекислого газа возрастает ежегодно на 0,4%, создавая опасность глобального повышения температуры, возникновения так называемого «парникового эффекта».

– Уровень биогеоценозов выражает следующую ступень структуры живого, состоящую из участков Земли с определенным составом живых и неживых компонентов, представляющих единый природный комплекс, экосистему. Рациональное использование природы невозможно без знания структуры и функционирования биогеоценозов, или экосистем.

– Популяционно-видовой уровень образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида. Его изучение важно для выявления факторов, влияющих на численность популяций. А затем на этой основе можно будет поддерживать оптимальную численность популяций. Этот уровень также чрезвычайно важен для исследования путей исторического развития живого, его эволюции.

– Организменный и органо-тканевый уровни отражают признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живых существ.

Источник: https://mirznanii.com/a/9606/modeli-i-modelirovanie-v-biologii

Модели (в биологии)

Модели и моделирование в биологии

Модели в биологии применяются для моделирования биологических структур, функций и процессов на разных уровнях организации живого: молекулярном, субклеточном, клеточном, органно-системном, организменном и популяционно-биоценотическом. Возможно также моделирование различных биологических феноменов, а также условий жизнедеятельности отдельных особей, популяций и экосистем.

  В биологии применяются в основном три вида М.: биологические, физико-химические и математические (логико-математические). Биологические М. воспроизводят на лабораторных животных определённые состояния или заболевания, встречающиеся у человека или животных.

Это позволяет изучать в эксперименте механизмы возникновения данного состояния или заболевания, его течение и исход, воздействовать на его протекание. Примеры таких М.

— искусственно вызванные генетические нарушения, инфекционные процессы, интоксикации, воспроизведение гипертонического и гипоксического состоянии, злокачественных новообразований, гиперфункции или гипофункции некоторых органов, а также неврозов и эмоциональных состояний. Для создания биологической М.

применяют различные способы воздействия на генетический аппарат, заражение микробами, введение токсинов, удаление отдельных органов или введение продуктов их жизнедеятельности (например, гормонов), различные воздействия на центральную и периферическую нервную систему, исключение из пищи тех или иных веществ, помещение в искусственно создаваемую среду обитания и многие другие способы. Биологические М. широко используются в генетике, физиологии, фармакологии.

  Физико-химические М. воспроизводят физическими или химическими средствами биологические структуры, функции или процессы и, как правило, являются далёким подобием моделируемого биологического явления. Начиная с 60-х гг. 19 в. были сделаны попытки создания физико-химической М. структуры и некоторых функций клеток. Так, немецкий учёный М.

Траубе (1867) имитировал рост живой клетки, выращивая кристаллы CuSО4 в водном растворе К4[Fе(СN)6]: французский физик С. Ледюк (1907), погружая в насыщенный раствор К3РО4 сплавленный СаСl2, получил — благодаря действию сил поверхностного натяжения и осмоса — структуры, внешне напоминающие водоросли и грибы.

Смешивая оливковое масло с разными растворимыми в воде веществами и помещая эту смесь в каплю воды, О. Бючли (1892) получал микроскопические пены, имевшие внешнее сходство с протоплазмой; такая М. воспроизводила даже амёбоидное движение. С 60-х гг. 19 в. предлагались также разные физические М. проведения возбуждения по нерву. В М.

, созданной итальянским учёным К. Маттеуччи и немецким — Л. Германом, нерв был представлен в виде проволоки, окруженной оболочкой из проводника второго рода. При соединении оболочки и проволоки с гальванометром наблюдалась разность потенциалов, изменявшаяся при нанесении на участок «нерва» электрического «раздражения». Такая М.

воспроизводила некоторые биоэлектрические явления при возбуждении нерва. Французский учёный Р. Лилли на М. распространяющейся по нерву волны возбуждения воспроизвёл ряд явлений, наблюдаемых в нервных волокнах (рефрактерный период, «всё или ничего» закон, двустороннее проведение). М.

представляла собой стальную проволоку, которую помещали сначала в крепкую, а затем в слабую азотную кислоту. Проволока покрывалась окислом, который восстанавливался при ряде воздействий; возникший в одном участке процесс восстановления распространялся вдоль проволоки. Подобные М.

, показавшие возможность воспроизведения некоторых свойств и проявлений живого посредством физико-химических явлений, основаны на внешнем качественном сходстве и представляют лишь исторический интерес.

  Позднее более сложные М., основанные на гораздо более глубоком количественном подобии, строились на принципах электротехники и электроники. Так, на основе данных электрофизиологических исследований были построены электронные схемы, моделирующие биоэлектрические потенциалы в нервной клетке, её отростке и в синапсе.

Построены также механические машины с электронным управлением, моделирующие сложные акты поведения (образование условного рефлекса, процессы центрального торможения и пр.). Этим М. обычно придают форму мыши, черепахи, собаки (см. рис. 1—3). Такие М.

также слишком упрощают явления, наблюдаемые в организме, и имеют большее значение для бионики, чем для биологии.

  Значительно большие успехи достигнуты в моделировании физико-химических условий существования живых организмов или их органов и клеток.

Так, подобраны растворы неорганических и органических веществ (растворы Рингера, Локка, Тироде и др.

), имитирующие внутреннюю среду организма и поддерживающие существование изолированных органов или культивируемых вне организма клеток (см. Культуры тканей).

  М. биологических мембран (плёнка из природных фосфолипидов разделяет раствор электролита) позволяют исследовать физико-химические основы процессов транспорта ионов и влияние на него различных факторов.

С помощью химических реакций, протекающих в растворах в автоколебательном режиме, моделируют колебательные процессы, характерные для многих биологических феноменов, — дифференцировки, морфогенеза, явлений в сложных нейронных сетях и т. д.

  Математические М. (математическое и логико-математическое описания структуры, связей и закономерностей функционирования живых систем) строятся на основе данных эксперимента или умозрительно, формализованно описывают гипотезу, теорию или открытую закономерность того или иного биологического феномена и требуют дальнейшей опытной проверки.

Различные варианты подобных экспериментов выявляют границы применения математической М. и дают материал для её дальнейшей корректировки. Вместе с тем «проигрывание» математического М. биологического явления на ЭВМ часто позволяет предвидеть характер изменения исследуемого биологического процесса в условиях, трудно воспроизводимых в эксперименте.

Математическая М. в отдельных случаях позволяет предсказать некоторые явления, ранее не известные исследователю. Так, М.

сердечной деятельности, предложенная голландскими учёными ван дер Полом и ван дер Марком, основанная на теории релаксационных колебаний, указала на возможность особого нарушения сердечного ритма, впоследствии обнаруженного у человека. Из математической М. физиологических явлений следует назвать также М.

возбуждения нервного волокна, разработанную английскими учёными А. Ходжкином и А. Хаксли. На основе теории нервных сетей американских учёных У. Мак-Каллока и У. Питса строятся логико-математические модели взаимодействия нейронов. Системы дифференциальных и интегральных уравнений положены в основу моделирования биоценозов (В. Вольтерра, А. Н.

Колмогоров). Марковская математическая М. процесса эволюции построена О. С. Кулагиной и А. А. Ляпуновым. И. М. Гельфандом и М. Л. Цетлиным на основе теории игр и теории конечных автоматов разработаны модельные представления об организации сложных форм поведения.

В частности, показано, что управление многочисленными мышцами тела строится на основе выработки в нервной системе некоторых функциональных блоков — синергий, а не путём независимого управления каждой мышцей. Создание и использование математических и логико-математических М., их совершенствование способствуют дальнейшему развитию математической и теоретической биологии.

  Лит.: Моделирование в биологии. Сб. ст., пер. с англ., М., 1963; Новик И. Б., О моделировании сложных систем, М., 1965; Кулагина О. С., Ляпунов А. А., К вопросу о моделировании эволюционного процесса, в кн.: Проблемы кибернетики, в. 16, М., 1966; Модели структурно-функциональной организации некоторых биологических систем. [Сб. ст.], М.

, 1966; Математическое моделирование жизненных процессов. Сб. ст., М., 1968; Теоретическая и математическая биология, пер. с англ., М., 1968; Моделирование в биологии и медицине, Л., 1969; Бейли Н., Математика в биологии и медицине, пер. с англ., М., 1970; Управление и информационные процессы в живой природе, М., 1971; Эйген М.

, Молекулярная самоорганизация и ранние стадии эволюции, «Успехи физических наук», 1973, т. 109, в. 3.

  Е. Б. Бабский, Е. С. Геллер.

Рис. 3. К. Шеннон пускает «мышь» в лабиринт.

Рис. 2. «Мышь» К. Шеннона — автомат, моделирующий «обучение» при повторном прохождении лабиринта.

Рис. 1. Общий вид «черепахи» Института автоматики и телемеханики АН СССР.

Оглавление БСЭ

Источник: https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/077/382.htm

Статья

Модели и моделирование в биологии

Моделирование на уроках биологии

Учитель биологии МБОУ «СОШ им. А. Антошечкина» Гришанина В. В.

Мы часто слышим: «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать». А сделать что-либо своими руками ещё лучше. «Единственный путь, ведущий к знанию – это деятельность», сказал Б. Шоу.

Федеральный государственный образовательный стандарт определил приоритетные направления развития образования. Одно из них – метапредметный подход, как средство достижения метапредметного результата.

В наших рабочих программах прописаны метапредметные результаты. Согласно им, обучающиеся должны уметь создавать, применять и преобразовывать знаки и символы, модели и схемы для решения учебных и познавательных задач.  Слово «Модели» и натолкнуло меня на мысль об использование метода моделирования на уроках биологии как средства достижения метапредметных результатов.

Модель – это некий упрощенный объект, который отражает существенные особенности реального объекта, процесса или явления.
Модели в биологии применяются для моделирования:  

1. биологических структур,

2. функций и процессов на разных уровнях организации живого: молекулярном, субклеточном, клеточном, органно-системном, организменном и популяционно-биоценотическом.

Возникает вопрос:
Может лучше исследовать сам оригинал и не строить его модель.

С моделью удобнее:

1.Сохранить и передать информацию о наблюдаемом объекте.2. Показать, как будет выглядеть объект, которого еще нет 3.

В реальном времени оригинал может уже не существовать или его нет в действительности (теория вымирания динозавров …)4. Оригинал либо очень велик, либо очень мал (клетка, ДНК…)

5.

Процесс протекает очень быстро или очень медленно (эволюция растений, животных, смена биоценозов…)

Какие же модели, и с какой целью я  применяю их при изучении предмета БИОЛОГИЯ? Приведу конкретные примеры…

Все модели можно разбить на два больших класса: модели предметные (материальные) и модели информационные.

Предметные модели

Предметные модели воспроизводят геометрические, физические и другие свойства объектов в материальной форме (анатомические муляжи, модели кристаллических решеток, макеты зданий и сооружений и др.).

Возможностей для такого действенного овладения предметным моделированием в школьном курсе биологии немало.

При изучении темы «Строение клетки» в курсе биологии 5 класса я провожу с детьми моделирование растительной и животной клеток на уроке, используя при этом желатин (цитоплазма), лесные орехи (ядро), семена фасоли (митохондрии), семена гороха (лизосомы), окрашенные в зелёный цвет семена тыквы (хлоропласты). Это один из вариантов модели клетки, которая долго не хранится. Дома дети с удовольствием выполняют творческое задание: моделируют клетку с использованием пластилина, показывают клетку в объёме.

В первом случае все модели похожи. Важным свойством модели, созданной обучающимися дома, является наличие в ней творческой фантазии.

При использовании пластилина на занятиях по моделированию биологических объектов не возникает проблем восприятия: самого задания, стереотипа мышления, видение объекта только в одной плоскости, смешение цветов и форм.

  Самым главным в этой работе оказалось детское открытие, что любое действие может привести к изменению формы и структуры объекта; и то, что любое словесное объяснение можно доказать изготовлением модели. После «пластилиновых» работ лучше воспринимается электронные модели, теоретический материал.

Аналогично можно смоделировать клетки простейших, простые и сложные вещества, тычиночные и пестичные цветки и т.д. Многие учащиеся с удовольствием создают модели, используя аппликацию из цветной бумаги.

Подобные задания можно применять преимущественно в 5 и 6 классах, что объясняется  психолого-физиологическими особенностями учащихся этого возраста.

Модели выставлены в кабинете биологии, их можно использовать на уроках.

В ходе моделирования обучающиеся проходят несколько этапов деятельности. 

Первый – тщательное изучение опыта, связанного с интересующим  явлением или объектом, анализ и обобщение этого опыта, и создание гипотезы, лежащей в основе будущей модели.

Второй – составление программы деятельности, её организация  в соответствии с разработанной программой, внесение в неё коррективов, подсказанных практикой или различными источниками, уточнение первоначальной гипотезы исследования, взятой в основу модели.

Третий – создание окончательного варианта модели. Если на втором этапе исследователь как бы предлагает различные варианты конструируемого объекта, то на третьем этапе он на основе этих вариантов создает окончательный образец того или иного проекта, который собирается воплотить.

Другими словами учащиеся «пропускают» через себя информацию, анализируют, обобщают, устанавливают причинно-следственные связи и воплощают в модель. Проводя такие занятия, преподаватель довольно легко может определить, насколько ученик понимает предмет.

Примером предметной модели может послужить собственная  модель принципа построения молекулы ДНК при помощи конструктора – пазлы. Этот приём наглядно демонстрирует учащимся последовательность и закономерность расположения нуклеотидов в двуцепочечной ДНК. 

При помощи ниток можно продемонстрировать, чем отличаются понятия «хроматин» и «хромосомы». Медная проволока – отличный материал для демонстрации структуры белка: первичной, вторичной, третичной, четвертичной.

Информационные модели

Информационные модели представляют объекты и процессы в образной или знаковой форме. Образная модель – это модель в мысленной или разговорной форме. Знаковая модель – это модель, выраженная средствами формального языка (графики, таблицы, тексты и т.д.). Образные и знаковые модели, как правило, взаимосвязаны. Мысленный образ, родившийся в голове человека, может быть облечен в знаковую форму.

Я использую информационные модели как опору для изложения соответствующего учебного материала  в виде граф-логических моделей (ГЛМ). Проектируя ГЛМ совместно с учащимися,  действуем по следующему плану:

  1. На листке пишем «ключевое слово» («сердце» текста)

  2. Вокруг «накидываем» слова или предложения, выражающие идеи, факты, образы, подходящие для данной темы («спутники»)

  3. Эти слова соедините линиями с «сердцем» текста. 

  4. У каждого «спутника» могут появиться еще слова «спутники»

  5. Выявляем смысловые связи между объектами знаний («спутниками»)

В итоге получится структура, которая графически отображает размышления

При проектировании каждой темы в её состав включают следующие аспекты:

  1. этимологический (происхождение понятия);

  2. генетический (зарождение знания, его развитие, современное состояние);

  3. внутрипредметные и межпредметные связи знаний;

  4. прикладное значение знаний для человека, общества, природы;

  5. отражение знаний в культуре, искусстве и т.д.

Использование ГЛМ на уроках биологии дает следующие возможности:

  1. получить целостное представление об изучаемом объекте;

  2. осуществить связь между предшествующими и последующими темами курса;

  3. делить общие понятия на частные, выясняя при этом связи между ними  и закономерности;

  4. компактно и системно обучать структурированию знаний и логике;

  5. организовать самостоятельную работу учащегося над конкретной темой при выполнении им творческого, исследовательского задания;

  6. избавлять учащихся от механического запоминания, снимать стресс перед восприятием большого объёма учебного материала;

  7. сформировать новый взгляд на учебный предмет, на предметный курс, на жизнь в целом;

  8. технологизировать деятельность учителя и учащегося для значительного облегчения их совместной работы.

Очень эффективно использовать информационные модели при изучении семейств растений Класса Однодольные и Двудольные растения (6 класс), где в опорном конспекте по учебному материалу в виде значков, символов кодируется большой объем информации, но легко расшифровываются учениками, собенно когда эти символы выбирают и предлагают сами дети.    

Игровое моделирование.

В ходе изучения темы «Связи живого и неживого» в 6 классе детям раздаются карточки с названием растений, растительноядных и плотоядных животных, бактерий, грибов. Затем детям дается задание: взявшись за руки,  составьте цепь питания. Таким образом, обучающиеся запоминают, что «цепи питания» начинаются с растений – это 1 звено.

Второе звено цепи – растительноядные животные. Третье звено – насекомоядные или хищные животные и заканчиваются цепи организмами-разрушителями органического вещества. Обучающиеся анализирует, что произойдет с цепочкой, если из нее исключить отдельное звено. При помощи клубка ниток можно продемонстрировать детям сети питания.

В этом случае дети располагаются в кружок, в руках у них карточки с названиями растений, животных, грибов и бактерий. Клубок они кидают друг другу , наматывая нить на палец и передают клубок другому с учётом цепей питания. В центре круга образуется сеть питания. Это доказывает связь цепей питания.

Одно и то же растение или животное является звеном нескольких цепей.

В 6 классе при изучении царства Грибы детям присваивается имя шляпочного, плесневого, гриба-паразита, ядовитого или съедобного гриба. Ведущий должен собрать в «корзину» грибы одной из групп (съедобные или ядовитые, трубчатые или пластинчатые, плесневые, грибы-паразиты) или по принципу «четвертый лишний» исключить из корзины лишний объект, пояснив свое решение.

Имитационное моделирование. «Раздражимость», «Рефлекс». 

По договорённости с учителем один из учащихся запускает самолётик перед началом изучения новой темы. Дети мгновенно реагируют на это раздражитель. Затем ведётся беседа о том, что такое раздражимость и рефлекс.

Знаковое моделирование.

Активно используется при изучении семейств двудольных и однодольных растений. Благодаря знакам, буквам и цифрам учащиеся небольшой текст преобразуют в формулу цветка, запись получается краткой, но ёмкой. Возможен обратный процесс, когда учащиеся на основании формулы дают словесное описание.

Таблицы.

Преобразование текста в таблицы. Таблицы, которые дети заполняют в течение одного урока, я называю краткосрочными, таблицы, заполняемые в течение нескольких уроков, долгосрочными. Используя таблицы, слабые ученики могут составить рассказ, найти черты сходства и различия.

Графики.

При изучении модификационной изменчивости проводится лабораторная работа «Построение вариационного ряда и кривой». Именно здесь чётко прослеживается связь с математикой: учащиеся находят среднее арифметическое и строят график.

Модель-алгоритм.

При изучении следующих тем: моно-, ди-, полигибридное скрещивания, промежуточное наследование признака, анализирующее скрещивание, взаимодействие неаллельных генов, генетика пола и сцепленное с полом наследование я использую модель решения генетических задач, которая легко усваивается школьниками.

  1. Определение по условиям задачи доминантных и рецессивных признаков

  2. Запись фенотипов и генотипов родителей

  3. Запись возможных гамет, образуемых при мейозе

  4. Определение генотипов и фенотипов  полученного от скрещивания потомства

  5. Формулировка и запись ответа.

Вывод:

метод моделирования для учителя:

  1. Способствует формированию положительной мотивации у учащихся.

  2. Активизирует познавательные способности учащихся.

  3. Способствует росту качества знаний.

  4. Вдохновляет преподавателя на поиск новых подходов к обучению, стимулирует профессиональный рост.

Для ученика:

  1. Делает занятия интересными, повышает мотивацию.

  2. Предоставляет больше возможностей для участия в коллективной, групповой работе, развития личных и социальных навыков.

  3. Развивает творческие способности.

  4. Способствует повышению навыков научного труда.

  5. Способствует развитию рефлексивных качеств личности.

Созданные модели используются на разных этапах урока: при определении темы урока, постановке учебной задачи, на этапе изучения или закрепления знаний и умений, как домашнее,  творческое задание, как средство повышения мотивации к изучению предмета.

Таким образом, моделирование превращается в один из универсальных методов познания, применяемых во всех современных науках, как естественных, так и общественных, как теоретических, так и экспериментальных, технических. При решении любой задачи моделирования основную роль играют эксперимент и модель, а также анализ полученных результатов. Для исследователя эти элементы неотделимы друг от друга.

Некоторые предметные и информационные модели представлены в приложении.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Преобразование текста в формулу цветка. 6, 7 классы

Цветок вишни обоеполый, имеет пять несросшихся чашелистиков зелёного цвета, пять свободных лепестков бледно-розового цвета, много тычинок и один пестик. На основании информации составьте формулу цветка. Определите, какая информация лишняя и не отражается в формуле цветка?

Формула цветка: Ч5Л5ТП1

Преобразование текста в таблицу.

Заполняется в течение 5 уроков. Текст параграфа 20, 5 класс

Ответить на вопросы:

  1. Черты сходства и различия

  2. Почему возникли черты сходства и различия?

Моделирование экологической ситуации.

11 класс Лабораторная работа «Решение экологических задач»

В советское время для борьбы с комарами и мошками (кровососущими насекомыми) поверхность водоемов весной поливали керосином или

дизельным топливом. Делали это для того, чтобы создать маслянистую пленку на поверхности водоема. Зачем? Что достигалось этим действием?

имело такое мероприятие для водоема?

Ответ 1

Маслянистая пленка на поверхности водоема препятствовала поступлению кислорода в водную среду,что, в свою очередь, уничтожало личинки кровососущих насекомых (комаров, мошек).

Это вело к уменьшению численности кровососущих насекомых и способствовало улучшению качества жизни человека и повышению продуктивности сельскохозяйственных животных, т. к.

эти насекомые активны в дневное и ночное время и не позволяют животным кормиться у водоема сочной растительностью.

Ответ 2

Решив проблему с уменьшением численности кровососущих насекомых и создав комфортные условия для человека и сельскохозяйственных животных, люди незаметно для себя создали другую проблему: т. к.

в воде обитает большое количество иных живых организмов, составляющих пищевую цепь в экосистеме водоема, возникла глобальная проблема уменьшения рыбных запасов и исчезновения видов рыб, питавшихся личинками комаров и мошек.

Источник: https://infourok.ru/statya-modelirovanie-na-urokah-biologii-3620785.html

Vse-referaty
Добавить комментарий