Применение моделирования в биологии
Вы будете перенаправлены на Автор24
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.
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:
Готовые работы на аналогичную тему
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.
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
Статья «Моделирование в предметной области биология»
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА МОДЕЛИРОВАНИЯ
В ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ «БИОЛОГИЯ»
«Человек достигнет результата, только делая что-то сам. » Александр Пятигорский , философ, востоковед, профессор Лондонского университета
В основе Федерального государственного образовательного стандарта лежит системно-деятельностный подход. В парадигме системно-деятельностного подхода образовательный процесс трактуется не как трансляция научных знаний, их усвоение, воспроизводство, а как развитие познавательных способностей, основных психических новообразований . Для его реализации учитель должен создавать на уроке такие условия, при которых ученики не просто получают готовую информацию, а сами добывают ее. Для того чтобы стимулировать учащихся на поиск и обработку информации, педагогами используются разные методы. Одним из действенных методов является метод моделирования.
Моделирование – это процесс построения моделей для исследования и изучения объектов, процессов, явлений.
Модели в биологии применяются для изучения 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.
Цель применения метода: повышение эффективности процесса обучения за счет увеличения наглядности, активизация образного мышления обучающихся, значительное повышение их интереса к биологии и создание условий для самореализации школьника.
1.Повысить эффективность обработки и структурирования информации.
2.Отработать умения выделять объект изучения в центральном образе; устанавливать логические связи между вспомогательными блоками.
3.Способствовать повышению эффективности хранения информации.
Новизна метода состоит в том, что учитель:
управляет познавательной деятельностью ученика, т.е. переходит с позиции носителя знаний в позицию организатора собственно познавательной деятельности обучающихся;
мотивирует познавательную деятельность ученика на уроке за счет коммуникации, взаимопонимания и добивается положительного отношения к биологии;
организует самостоятельную работу на уроке и дома;
создает ситуацию успеха, т.е. предлагает посильные задания каждому ученику;
создает положительную эмоциональную атмосферу учебного сотрудничества, которое реализуется в системе гуманных учебных взаимоотношений.
Использование метода моделирования возможно на всех этапах урока: изучение нового материала, закрепление изученного на уроке, проверка домашнего задания.
Моделирование может быть использовано как при организации индивидуальной работы учащихся, так и при работе в парах или малых группах.
В процессе создания моделей любого типа необходимо придерживаться общих правил:
Ставим цель моделирования.
Анализируем все известные свойства объекта моделирования.
Вычленяем существенные признаки объекта.
Выбираем форму представления модели.
Переносим полученные сведения на изучаемый объект .
На своих уроках я использую метод моделирования материальных объектов и процессов и информационное структурно-логическое моделирование.
В чем особенности каждого метода? Моделирование материальных объектов заключается в воссоздании образа того или иного объекта в упрощенном виде, доступном для восприятия учащимися в соответствии с возрастными и психофизическими особенностями, т.е. один и тот же объект может воссоздаваться несколько раз по мере накопления знаний. Например, одним из фундаментальных понятий в биологии является клетка. Эта тема многократно повторяется при изучении ботаники, зоологии, строения организма человека и в разделе «Общая биология». Однако учащиеся старших классов, так же, как и учащиеся младших классов, могут испытывать трудности при овладении этой темой. Это объясняется тем, что тема трудна для восприятия из-за объемности материала и сжатых сроков для её изучения. Как работает метод моделирования? В младших классах (5-6) создаются полуобъемные модели из пластилина на картоне или прозрачном носителе. В процессе создания модели учащиеся знакомятся с основными структурами клетки. В 7-8 классах модели становятся более детальными, с их помощью можно выявлять черты сходства и различия в строении клеток разных типов. В старших классах создаются объемные (3- D ) модели из пластилина, пенопласта, желатина и т.д. На каждом этапе усиливается детализация образа, закрепляются знания.
Моделирование процессов так же позволяет учащимся глубже вникнуть в суть изучаемых процессов и явлений, получить образное представление об изучаемом процессе. Например, такие сложные для усвоения темы как «Митоз и деление клетки», «Репликация ДНК», «Биосинтез белка» и др. более эффективно усваиваются на динамических моделях. Материал усваивается лучше, чем при изучении с помощью таблиц и видеодемонстраций, т. к. позволяет учащимся работать в собственном ритме, осмысливая каждый этап изучаемого процесса.
Помимо процесса создания динамических моделей, весьма эффективным методом является моделирование процессов на компьютере при помощи различных программ. Наиболее простой и доступный способ – моделирование процессов в программе PowerPoint . Такие модели позволяют красочно иллюстрировать различные процессы, отображать динамику явлений. Их изготовление требует от учащихся навыков работы с графическими редакторами, что способствует развитию их творческого потенциала, повышает ИКТ-компетенцию.
В процессе материального моделирования учащиеся приобретают навыки преобразования информации, её структурирования, учатся выделять существенные признаки и отбрасывать второстепенные. Все эти навыки позволяют перейти к следующему этапу в обучении моделированию – созданию информационных структурно-логических моделей. Уже в 5-6 классах учащиеся вполне успешно овладевают техникой составления кластеров, схем, таблиц. Начиная с 7 класса учащиеся приобретают навыки составления интеллект-карт.
Составление интеллект-карты исключает бездумные механические процессы запоминания, активизируя операции логического мышления для организации поиска информации, её критической оценки и систематизации. Интеллект-карта реализуется в виде диаграммы, на которой изображены слова, идеи, задачи или другие понятия, связанные ветвями, отходящими от центрального понятия или идеи. В основе этой техники лежит принцип «радиантного мышления», относящийся к ассоциативным мыслительным процессам, отправной точкой или точкой приложения которых является центральный объект, и выражающийся в визуализации – сопровождении мыслительного процесса рисованием блок-схем, фиксирующих новые мысли, заключения и переходы между ними.
Правила составления интеллект-карт:
1. Начинайте работу с середины листа. Таким образом мысль сможет развиваться во всех направлениях без ограничений. Важной особенностью интеллект-карт является «концентрация на центральной части» мысли. Новые мысли, высказывания, термины группируются из одного центрального образа, как бы «отпочковываясь» от него. В то же время каждая «почка» становится центром следующей ассоциации. Выделение некоторых «направлений мысли» (в виде совокупности «узлов» и ветвей) отдельными цветами позволяет намного повысить выразительность «дерева» и улучшить его запоминание.
2. Если возможно, передайте основную идею рисунком. Одним рисунком Вы выражаете тысячу слов, к тому же при его создании задействуется воображение. Рисунок в центре листа привлекает внимание, не позволяет отвлекаться, активизирует мыслительный процесс.
3. Используйте разные цвета, не менее 3-х. Цвета активизируют мыслительный процесс не меньше, чем рисунки. Такая карта, раскрашенная цветными фломастерами, ручками или карандашами, становится живее и выразительнее, способствует творческому процессу и радует глаз. При этом необходимо помнить, что использование большого количества цветов, равно как и бессистемного их применения, нарушает композицию интеллект-карты, а, следовательно, внешний вид и удобочитаемость карты.
4. Соедините основные ответвления с рисунком в центре листа, а второстепенные и все остальные — друг с другом. В основе мыслительного процесса лежат ассоциации, следовательно, соединяя ответвления, вы лучше запоминаете информацию. Соединяя основные ответвления, вы тем самым создаете логическую основу для мыслительного процесса. Так ветки дерева расходятся во все стороны от общего ствола. Если между ветками и стволом (или большими и маленькими ветками) появятся промежутки, то ветки отвалятся. Тот же принцип действует и при создании интеллект-карт: если между основной идеей и ответвлениями нет связи, то все развалится (знания забудутся и улетучатся). Поэтому не забывайте о соединениях!
5. Ответвления должны быть не прямыми, а изогнутыми. Почему? Потому что прямые линии неинтересны мозгу, утомляют его. Изогнутые ответвления на интеллект-картах напоминают ветки дерева, и взгляду хочется проследить все их изгибы до конца. Ветви образуют связанную узловую структуру. Интеллект-карта представляет собой набор узлов и стрелок – «ветвей», которые прорастают из одного центра. От других, дочерних узлов также прорастают новые ветви и т.п. Таким образом, интеллект-карта образует связанную узловую структуру. При этом ветви расходятся во все стороны и никогда не сходятся в одну точку.
6. На каждой линии должно быть по одному ключевому слову. В этом случае интеллект-карта будет более выразительной и гибкой, ведь каждое слово или рисунок — это своеобразный множитель, вызывающий новые ассоциации и образующий новые связи. Отдельное слово вызывает целый ряд мыслей и идей, чего не скажешь о слове, входящем во фразу или предложение. Карта с ключевыми словами похожа на ладонь, в которой суставы всех пальцев подвижны, а карта с фразами или предложениями напоминает ладонь с расставленными и загипсованными пальцами. Нельзя делать «несколько одинаковых сущностей» на одной карте. Это значит, что каждое ключевое слово должно появиться на интеллект-карте только один раз. Недопустимо «закольцовывать» ключевые слова на интеллект-карте. Если необходимо «связать» стрелками несколько понятий с одним, это необходимо делать отдельными стрелками.
7. При рисовании интеллект-карт вместо длинного поясняющего текста старайтесь чаще использовать сокращения и аббревиатуры. Это необходимо не только для экономии места. Психология утверждает, что человек лучше запоминает короткие, необычные, привлекающие внимание слова, чем длинные мысли. При запоминании длинных мыслей возможно искажение смысла, что не бывает при запоминании аббревиатур. Также учтите, что аббревиатуру и сокращение легче записать и легче запомнить, что ускоряет составление интеллект карт. При составлении интеллект-карт используйте как уже известные и употребительные сокращения, так и созданные, изобретенные самими. Помните! Интеллект-карта, как бы красиво она ни была оформлена, всего лишь инструмент для лучшего запоминания, для написания конспекта, документа или произведения, но никак не заменяет его! Поэтому степень «детализации » интеллект-карты Вы определяете сами.
Обучение составлению интеллект-карт – длительный поэтапный процесс. Учащиеся должны научиться определять главную мысль текста, вычленять уровни и подуровни понятий, сопровождающие текст, научиться ассоциировать понятия и устанавливать связи между ними.
Источник
