Что такое биологическое моделирование
Использование метода моделирования в биологии
Метод моделирования в биологии — в чем суть
Биология зародилась изначально как описательная наука. Со временем арсенал методов расширялся. В современной биологии используют 5 основных методов.
Биологическая модель — это упрощенное отображение объекта, явления, процесса или системы, которое отражает существенные особенности реального прототипа.
Изучение такой упрощенной системы позволяет получить информацию о другой, более сложной реальной системе. В этом изучении и состоит суть моделирования — процесса построения моделей для исследования.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Для чего и в каких случаях используется
Моделирование применяется для изучения абсолютно разных биологических феноменов. Поскольку системы природного мира зачастую являются сложными структурно-функциональными единицами, изучать их с помощью большинства обычных методов довольно тяжело.
С помощью упрощенных моделей можно изучать:
Значение моделей в том, что они позволяют изучать объекты, процессы и явления на всех уровнях организации живого: молекулярном, субклеточном, клеточном, органно-системном, организменном и популяционно-биоценотическом. Также с их помощью можно изучать явления и объекты неживой природы в любом масштабе.
Моделирование имеет ряд преимуществ перед другими методами, используемыми в биологии как науке. Она дает ряд возможностей:
Основы моделирования биологических процессов и систем
Чтобы модель действительно отображала свойства отображаемого объекта или явления и могла рассматриваться как научный метод, необходимо правильно составить ее. Упрощенно алгоритм можно представить следующим образом.
Какие виды моделей применяются
Модели в целом можно разделить на две большие категории:
Можно также выделить 2 разновидности моделей, в зависимости от фактора времени:
Основных типов моделей в биологии 3:
В биологических моделях используют настоящих животных. На них ученые изучают различные состояния, в т. ч. болезни, встречающиеся как у этого вида животных, так и у человека.
Ученые искусственно вызывают генетические или приобретенные нарушения, чтобы отследить их причины и динамику развития, а также найти способ справиться с ними. Для этого к животным могут подсадить микробов, ввести токсины, изменить работу органов и систем органов, поменять рацион или поместить в искусственную среду обитания.
Такие модели широко распространены в генетике, физиологии и фармакологии.
Сущность физико-химических моделей в том, что они воспроизводят структуру биологических структур или процессов. Это напоминает наблюдение за естественным явлением, но смоделированное. К примеру, немецкий ученый М. Траубе в XIX веке сымитировал рост живой клетки. Современные модели нервной деятельности основаны в основном на принципах электроники и электротехники.
Некоторые растворы (к примеру, растворы Рингера, Тироде, Локка и др.) состоят из органических и неорганических веществ и имитируют внутреннюю среду живого организма.
С развитием IT-технологий большую роль отводят компьютерным моделям. Их возможно применить почти во всех сферах биологии. С помощью компьютерного анализа можно проанализировать исходные данные, в том числе изображения, и получить на выходе необходимые свойства, предсказание явления или поведения объекта.
Компьютерные модели работают как виртуальные эксперименты, в которых исследователь контролирует каждую переменную и фактор воздействия. Это дает виртуальным экспериментам преимущество перед реальными, в которых многие факторы неподконтрольны ученым, а также позволяет рассмотреть тщательно процесс, вне зависимости от времени его протекания в реальной жизни.
Метод моделирования как средство достижения метапредметных результатов
Моделирование в процессе обучения способно не только облегчить понимание биологических процессов, но и развить метапредметные навыки.
Когда обучающийся сам составляет модель, он проходит через все этапы алгоритма. Информация собирается, анализируется и обобщается, прежде чем воплотиться в модель. Такой интерактивный способ способствует лучшему усвоению материала.
Таким образом, применение моделей в обучении позволяет:
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.
Биологическое моделирование
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 06 Октября 2011 в 10:15, реферат
Краткое описание
Метод моделирования в биологии является средством, позволяющим устанавливать все более глубокие и сложные взаимосвязи между биологической теорией и опытом.
В последнее столетие экспериментальный метод в биологии начал наталкиваться на определенные границы, и выяснилось, что целый ряд исследований невозможен без моделирования.
Биологическое моделирование.docx
Метод моделирования в биологии является средством, позволяющим устанавливать все более глубокие и сложные взаимосвязи между биологической теорией и опытом.
В последнее столетие экспериментальный метод в биологии начал наталкиваться на определенные границы, и выяснилось, что целый ряд исследований невозможен без моделирования. Если остановиться на некоторых примерах ограничений области применения эксперимента в биологии, то они будут в основном следующими:
а) эксперименты могут проводиться лишь на ныне существующих объектах (невозможность распространения эксперимента в область прошлого);
б) вмешательство в биологические системы иногда имеет такой характер, что невозможно установить причины появившихся изменений (вследствие вмешательства или по другим причинам);
в) некоторые теоретически возможные эксперименты неосуществимы вследствие низкого уровня развития экспериментальной техники;
г) большую группу опытов, связанных с экспериментированием на человеке, следует отклонить по морально-этическим соображениям.
Но моделирование находит широкое применение в области биологии не только из-за того, что может заменить эксперимент. Оно имеет большое самостоятельное значение, которое выражается, по мнению ряда авторов, в целом ряде преимуществ:
1. С помощью метода моделирования на одном комплексе данных можно разработать целый ряд различных моделей, по-разному интерпретировать исследуемое явление, и выбрать наиболее плодотворную из них для теоретического истолкования.
2. В процессе построения модели можно сделать различные дополнения к исследуемой гипотезе и получить ее упрощение.
3. В случае сложных математических моделей можно применять компьютеры.
Все это ясно показывает, что моделирование выполняет в биологии самостоятельные функции и становится все более необходимой ступенью в процессе создания теории.
Моделирование как научный метод в биологии было впервые описано и сознательно использовано Отто Бючии и Стефаном Ледуком в 1892 году. С точки зрения истории науки интересно, что методы моделирования в биологии стали применяться сознательно лишь тогда, когда благодаря появлению эволюционной теории Дарвина и созданию генетики в развитии биологической теории был сделан крупный скачок, и биология приступила к исследованию все более сложных связей.
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 моделей: биологические, физико-химические и математические (логико-математические). Биологические модели 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 моделей — 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 модели применяют различные способы воздействия на генетический аппарат, а именно, 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 модели широко используются в генетике, физиологии, фармакологии.
Примером биологических моделей может служить и аппарат искусственного кровообращения, искусственная почка, искусственные лёгкие, протезы, управляемые биотоками мышц, и др. В различных областях биологии широко применяются так называемые живые модели. Несмотря на то что различные организмы отличаются друг от друга сложностью структуры и функции, многие биологические процессы у них протекают практически одинаково. Поэтому изучать их удобно на более простых существах. Они то и становятся живыми моделями. В качестве примера можно привести зоохлореллу, которая служит моделью для изучения обмена веществ; моделью для исследования внутриклеточных процессов являются гигантские растительные и животные клетки и т.д. Основной задачей биологического моделирования является экспериментальная проверка гипотез относительно структуры и функции биологических систем. сущность этого метода заключается в том, что вместе с оригиналом, т.е. с какой-то реальной системой, изучается его искусственно созданное подобие – модель. В сравнении с оригиналом модель обычно упрощена, но свойства их сходны. В противном случае полученные результаты могут оказаться недостоверными, не свойственными оригиналу.
Позднее более сложные модели, 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 моделям обычно придают форму мыши, черепахи, собаки. Они 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.
Модели 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.
Министерство образования и науки автономной республики Крым
Статья «Моделирование на уроках биологии»
Онлайн-конференция
«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Моделирование на уроках биологии
Учитель биологии МБОУ «СОШ им. А. Антошечкина» Гришанина В. В.
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:
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.
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 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.
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:
На листке пишем «ключевое слово» («сердце» текста)
Вокруг «накидываем» слова или предложения, выражающие идеи, факты, образы, подходящие для данной темы («спутники»)
Эти слова соедините линиями с «сердцем» текста.
У каждого «спутника» могут появиться еще слова «спутники»
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:
этимологический (происхождение понятия);
генетический (зарождение знания, его развитие, современное состояние);
внутрипредметные и межпредметные связи знаний;
прикладное значение знаний для человека, общества, природы;
отражение знаний в культуре, искусстве и т.д.
Использование ГЛМ на уроках биологии дает следующие возможности:
получить целостное представление об изучаемом объекте;
осуществить связь между предшествующими и последующими темами курса;
делить общие понятия на частные, выясняя при этом связи между ними и закономерности;
компактно и системно обучать структурированию знаний и логике;
организовать самостоятельную работу учащегося над конкретной темой при выполнении им творческого, исследовательского задания;
избавлять учащихся от механического запоминания, снимать стресс перед восприятием большого объёма учебного материала;
сформировать новый взгляд на учебный предмет, на предметный курс, на жизнь в целом;
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Определение по условиям задачи доминантных и рецессивных признаков
Запись фенотипов и генотипов родителей
Запись возможных гамет, образуемых при мейозе
Определение генотипов и фенотипов полученного от скрещивания потомства
Формулировка и запись ответа.
метод моделирования для учителя:
Способствует формированию положительной мотивации у учащихся.
Активизирует познавательные способности учащихся.
Способствует росту качества знаний.
Вдохновляет преподавателя на поиск новых подходов к обучению, стимулирует профессиональный рост.
Делает занятия интересными, повышает мотивацию.
Предоставляет больше возможностей для участия в коллективной, групповой работе, развития личных и социальных навыков.
Развивает творческие способности.
Способствует повышению навыков научного труда.
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.
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: Ч5Л5Т∞П1
Преобразование текста в таблицу.
Заполняется в течение 5 уроков. Текст параграфа 20, 5 класс
Ответить на вопросы:
Черты сходства и различия
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?
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.
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.