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【摘要】 人体内各种成分之间的合理比例是维持人体健康的重要因素。与同位素稀释法、总体钾法、双能X线吸收法(DXA)以及皮褶厚度法等方法相比,生物电阻抗法测量人体成分简单、快速和准确,是体成分测量的理想手段。我们介绍了基于生物电阻抗测量技术的体成分测量原理,并以此为指导设计了一种体成分测试仪。该仪器测试数据重复性高,与同类仪器的对比实验验证了其准确性。
【关键词】 生物电阻抗法;人体成分;人体健康;生物电阻抗测量技术;体成分测量仪
Abstract:A reasonable ratio between various compositions of the human body is an important factor to make people keep health. Compared with the methods such as isotope dilution, total body potassium, Dual-energy X-ray absorption and skinfold thickness, bioelectrical impedance analyses is simple, fast and accurate. It is an ideal means to measure body composition. In this paper, based on bioelectrical impedance measurement technique, the principium of human body composition test was introduced. Guided by this, a type of human body composition tester was developed. The repeatability of the data measured by this equipment is very high. Comparisons with similar experimental devices have verified the accuracy of the equipment developed by this paper.
Key words:Bioelectrical impedance; Body composition; Body health; Bioelectrical impedance measurement technique ; Body composition tester
1 引 言
随着社会的进步和生活水平的提高,人们越来越注重自身的健康状况。人体内各种成分维持合理的比例是保持身体健康的重要条件,例如,体内脂肪增加到一定量将导致肥胖症等疾病的发生,矿物质的大量流失将导致骨质疏松症,而肾脏功能性减弱将导致体内水分平衡失调,出现水肿等现象[1]。体成分测量可定量评估人体内各种成分之间的比例关系,是人体健康检查的重要内容之一,引起了很多研究者的关注。
人体成分的分析方法有多种[2],如体质指数(BMI)法、皮褶厚度法、水下称重法、总体钾法、生物电阻抗法、DXA法、空气置换体积描记法[3]等。陆大江等人从精度、成本、难易度等方面对各种测量方法作了对比分析[4],指出运用生物阻抗法分析人体成分简捷、快速、成本低廉、无创、安全,医生和测试对象易于接受,具有广阔的应用前景。
生物电阻抗分析法(BIA)是一种用以评估身体成分的间接方法,其基本思路是将微弱的交流电信号导入人体时,电流会沿着电阻小、传导性能好的体液流动。水分的多少决定了电流通路的导电性,可用阻抗的测定值来表示。大量实验数据表明,人体的电阻抗特性与体成分之间存在统计关系,这就是基于生物电阻抗技术的体成分测量原理[5]。早期的BIA方法一般选取一个典型的样本人群,用单频信号测得样本的生物电阻抗,通过经验公式推算人体成分[6-8],这种方法比较容易实现。
随着电子技术的发展,研究者进一步提出了基于生物电阻抗频谱法(BIS)的体成分测量法。它是在一个频率范围内选取多个频点,根据人体阻抗的模拟电路模型(指人体的细胞外液电阻Re、细胞内液电阻Ri和细胞膜电容Ci三元件模型),用测得的阻抗值推算人体的特征参数Re、Ri和Ci,进而推算人体内水分的体积。Gudikawa 等[9]和Buchholz 等[10]认为当人体体液分布非正常时,多频分析能够比BIA方法更准确。
BIA法的简单性使之只能用在产生其样本或与该样本性质(年龄、体型、健康状况等)相同的其他人群[11];Ann等2007的实验表明[12],BIS可以用在性质不同的样本(西班牙裔样本、黑人样本和白人样本)上,即多频的BIS法克服了BIA法的对样本的完全依赖性,但是由于它需要的信号频率多,因此硬件设计相对复杂,且成本高。
我们设计了一种基于生物电阻抗原理的体成分测试仪,与同类仪器的对比实验表明,其50 kHz单频测试(BIA法)取得了预期效果,证实了测量原理的正确性。另外,该仪器可程控产生从5 kHz到1 MHz之间的一系列交流激励信号,为多频测量提供了基础条件。因此,本仪器既可以单频测量人体的生物电阻抗,用BIA法分析人体的各种成分组成,又可以用多频BIS测量人体阻抗的模量和相角,推算人体各种成分组成。
2 基于生物电阻抗的人体成分测试仪的设计
基于生物电阻抗技术的体成分测量方法是一种间接推算的过程,其准确性依赖于人体的成分模型。目前,常见的人体成分模型有20多种,典型的有二元件模型、三元件模型和四元件模型等。二元件模型将人体简化为脂肪物质和非脂肪物质(FFM);Anderson[13]提出三元件模型,将人体简化为瘦肉物质、脂肪物质和水;Keys[14]提出将非脂肪物质分为水分、蛋白质和无机盐,加上脂肪物质构成了四元件模型。由于四元件模型能够更准确地描述人体的成分构成,得到了广泛应用。因此,本研究应用四元件模型对人体成分进行分析。
由于非脂肪组织具有比脂肪组织更小的电阻抗,当交流电加于人体时,电流将主要通过非脂肪组织。引起非脂肪组织导电的主要物质是电解质水,包括细胞内液和细胞外液。由于细胞膜电容的存在,在低频情况下,细胞膜的容抗很大,电流基本上不能穿过细胞膜,只能通过细胞外液;随着电流频率的增加,细胞膜的容抗逐渐减小,通过细胞内路径的电流的比例将随之增大[15-16],见图1。
根据欧姆定律,导体的电阻与导体的长度成正比,与横截面积成反比,如下式所示。
Z=ρLA=ρL2V,即V=ρL2Z(1)
式中,L表示导体长度,V为导体的体积,ρ为导体电阻率。
上式表明L2/Z与导体体积成线性关系。大量的统计分析表明, L2/Z同人体水分总体积(TBW)显著相关[17],可以由L2/Z预测TBW。由于水分体积跟肌肉含量密切相关,肌肉含量跟无机盐含量密切相关,因此,可以由水分体积推算肌肉和无机盐的含量。根据四元件模型,体重与非脂肪物质(肌肉跟无机盐之和)含量之差可以得到脂肪物质的含量[18-19],从而得到完整的人体成分组成。
人体是一个不规则的复杂系统,为深入分析其阻抗特性,首先需要建立基于人体几何特征的阻抗模型。目前最典型的是将人体定义为五段圆柱体,包括上下肢和躯干,并将人体的各段简化为性质均匀的理想圆柱体,见图2。图2 人体的五段模型[15]
Fig 2 The body's five-paragraph model3 人体成分测试仪的设计
我们所设计的体成分测量装置包括直接数字频率合成器(DDS)、带通滤波器、压控电流源(VCCS)、无感精密参考电阻Rref、信号调理电路A1、A2、相位检测芯片AD8302,单片机系统、存储器、键盘、LCD显示和通信接口(CAN总线)等部分,其结构原理见图3。
3 仪器结构示意图
3.1 信号的产生
频率可调的交流激励信号源是仪器的重要组成部分,本设计采用直接数字频率合成器(DDS),通过程序控制直接产生所需要的各种不同频率信号。参考时钟源fclk是一个晶体振荡器,用以同步DDS的各个组成部分。DDS 合成器主要包括四个部分:相位累加器、相位幅度转换器、D/A 转换器和滤波器,见图4。DDS的引入能够极大简化多频信号的产生,其合成原理见图4。
输出频率=1228×25MHz×配置字=1〖〗228×25×106×配置字图4 DDS合成原理
Fig 4 Synthesis principium of DDS
DDS本身产生的信号含有丰富的高频噪声,同时放大器的偏置电流和偏置电压会引起低频噪声,因此,需要在DDS合成器后加一个带通滤波器,以滤除高、低频噪声。采用二阶巴特沃斯滤波器实现,并根据下式计算高、低截止频率:
ω0=R1+R2R1R2R3C1C2(2)
式中,Ri和Ci(i=1,2)为滤波器的参数。根据需要选择Ri和Ci(i=1,2),控制滤波器的截止频率,就能够滤除高、低频噪声,得到质量较高的激励信号源。
3.2 信号的施加
DDS输出的信号经带通滤波器后,输入到压控电流源中。压控电流源输出电流的大小受输入的电压信号的控制,信号经过压控电流源后,作为仪器的激励信号施加到人体的相应部位上。为确保测试对象的人身安全,输出电流峰峰值控制在0.4 mA范围内。
我们所介绍的系统采用8电极法(4对),每一对包括一个激励电极和一个检测电极。根据测量电极得到的电压值计算某一段的生物电阻抗。电极的分布见图5。
从图6可以看出,我们将人体分为五个部分,八个电极分布在四肢上。测量得到六个阻抗值,分别为AC、AD、BC、BD、AB和CD之间的阻抗,表示为ZAC、ZAD、ZBC、ZBD、ZAB和ZCD。然后根据这六个阻抗值,用求解方程组的方法求出5个节段的阻抗值,包括两个上肢、躯干和两个下肢。其中,全身阻抗为AD之间测得的阻抗值ZAD。
3.3 信号的检测
从电极输出的信号很微弱,要检测该信号需要微弱信号检测电路。图6所示是典型的微弱信号检测电路,其中,A1和A2是结构完全对称的运算放大器。将检测到的信号输入到鉴幅鉴相芯片中,对信号进行鉴幅和鉴相。鉴幅和鉴相是本系统的关键部分。该电路的输入为两路信号:一路为测量人体的输出信号,其中包含测得的人体相应部位的幅值和相位信息,另一路是参考电压。鉴幅鉴相芯片的输出,一个是幅值信号,另一个是相角信号。单片机作为信息处理单元,将处理后的信息与上位机通信,完成数据的传输与显示控制,得到相应部位的幅值和相位信息。
杨宇祥等人2006年的实验表明,采用AD8302作为增益和相位的检测芯片,阻抗幅值的相对误差小于0.36%,相位的绝对误差小于0.26°。因此,本系统中采用AD8302作为检测芯片,不仅简化了电路设计,而且使测试结果的误差满足设计要求。
3.4 计算方法
本系统运用解线性方程组的方式计算某一节段的阻抗。假设左上肢的阻抗为R1,右上肢的为R2,躯干的为R3,左下肢的为R4。则R1的计算过程如下:
ZAC=R1+R3+R4(3)
ZBC=R2+R3+R4(4)
式(3)、 (4)联立得,
ZAC-ZBC=R1-R2(5)
然后,结合方程ZAB=R1+R2(6)
式(5)、(6)联立,能够计算出R1和R2。
其他节段阻抗的计算方法与上述计算相似。测得的人体躯干阻抗一般在20~30 Ω之间,这说明与四肢的阻抗相比,躯干的阻抗很小。
4 实验数据验证
4.1 实验对象的选取
在征得本人同意的前提下,我们在人群中随机抽取了一个样本,平均年龄为29.6±10.34岁。其中男性30人,平均年龄为30.9±10.89岁,女性24人,平均年龄为23.25±1.7岁。样本选取的原则是:测试时每一位被测者身体均健康,没有患影响身体体液分布的疾病,对测试者的体型没有特殊要求,也没有限定身体质量指数(BMI)范围。其目的就是尽量使实验满足随机性条件,使试验结果具有更广泛的适用范围。实验样本的基本信息见表1。表1 样本对象的基本信息
4.2 仪器性能分析
对本文设计仪器性能的分析主要从检验测试的重复性和验证结果的有效性两方面进行。
首先检验仪器测试结果的重复性。方法如下:在测量条件一致的前提下,我们对同一组样本进行了两次跟踪测试,时间间隔不超过2 d。测试结果见表2。表2 重复性测试结果
从表2可以看出,同一组样本阻抗值的前后两次测试,在显著度为0.01的条件下相关系数为1.00,即两次测试结果没有统计学差异,证明了本研究所设计仪器的测试结果具有很高的重复性。
其次验证本研究设计仪器测试结果的有效性。方法如下:采用同一测试条件(样本,激励频率等),将本研究所设计仪器的阻抗测试结果与TanitaTBF-418B的测试结果进行对比。数据对比见表3。表3 两种仪器测试结果的对比
其中:A表示用本文所设计的仪器所得的测试结果,B表示用Tanita仪器的测试结果。
对同一样本用两种仪器进行测试,我们对原始数据进行了回归分析。结果表明,在0.01的显著度水平上,该仪器测得的右下肢阻抗与Tanita测得的右下肢阻抗的相关系数为0.995;左下肢的相关系数为0.989;右上肢的相关系数为0.978;左上肢的相关系数为0.986;躯干的相关系数为0.985。可见,由两种仪器测得的身体各段阻抗结果,在统计学上没有明显差异。
根据测得的阻抗推理得到人体水分总体积(TBW),我们将两种仪器的TBW推理结果进行了对比,结果见图7(其中,“Tanita”指的是用Tanita得到的结果,“本仪器”指的是本文设计仪器给出的结果)。
从图7可以看出,用两种仪器对TBW和FFM测试结果的差异很小,说明本研究设计仪器的测试结果与Tanita的结果没有明显差异,从而证明了本文所设计的仪器的有效性。
4.3 讨论
(1)根据上述实验结果,尽管人体的左上肢与右上肢、左下肢与右下肢的阻抗差别不是很大,但是大部分人的右边肢体(包括右上肢和右下肢)阻抗的平均值要略低于左边肢体(包括左上肢和左下肢)。可能是右肢体的活动较多,导致该部分的肌肉横截面积比左肢体大,在长度相同的条件下,根据欧姆定律,右肢体的阻抗要低于左肢体。
(2)人体总阻抗大约为500 Ω,其中,躯干的阻抗一般在20~30 Ω之间,而四肢的阻抗一般在200~300 Ω之间,这表明即使躯干阻抗变化100%(20 Ω左右),反映在总阻抗上的变化也只有4%左右。这样,总体阻抗法测得的结果往往会掩盖躯干部分的成分变化,反映不出身体成分变化的真实情况。但是,采用分段法测量,将躯干与四肢分离,能够准确了解阻抗的变化是由身体的哪一部分引起的,便于对身体成分构成进行准确的评估。
(3)由于人体的内脏器官集中在躯干段里,所以准确评估躯干的成分构成,有利于临床上对人体的健康状况进行评价。五段法测量的最大优势就是能将身体各段分开,尤其是将躯干与四肢分离开,这样能够避免四肢阻抗掩盖躯干阻抗的变化,同时采用8电极法得到的阻抗信息,能够对测试结果进行交叉验证。从各段阻抗得到了各段的成分构成,进一步将这些信息综合起来便得到了总体成分构成。
(4)分析结果表明,虽然FFM与TBW之间成正相关关系(P=0.01时,相关系数为0.967),但是对数据的进一步分析发现,FFM与TBW之间的比例并不是固定的。这说明,在该频率下不能使用简单的比例关系由TBW推理FFM。
5 结论
我们介绍的基于生物电阻抗技术的人体成分测试仪,结构简单、成本低廉,AD8302的使用将幅值和相位的检测集成在一起,极大简化了硬件电路设计的复杂度和成本。实验结果表明该仪器用单频信号对阻抗的测试精度高、重复性好,在与同类仪器的对比中,验证了该仪器对体成分预测结果的准确性。下一步我们将在本文单频BIA方法的的基础上,根据生物电阻抗测量原理,用本仪器的多频信号进一步研究BIS对人体成分预测的有效性。
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一、概念图简介
高中生物教学在整个教学体系中占有非常重要的位置,对于提高高中生的学习能力起着关键作用,提高高中生物课的课堂教学质量成为人们关注的焦点.概念图作为一种教学工具一经被引入便迅速被应用于各个科目的教学中,尤其是在生物教学中,由于其涉及到分析、推理、判定等内容,因此学习起来会有一定的难度.概念图作为引导学生学习生物的有效方法,早在二十世纪六十年代就以衍生,JD・Novak在David P・Ausube意义学理论基础之上优化了教学方法,得出一种新的教学技术.经过发展,概念图阐释概念之间关系的方式为:通过框图将各个与主题相关的概念集中起来,再通过概念与概念之间的连接,以及概念与主体之间的连接完整表达主题所要阐释的内容.这里需要注意的是,概念与概念之间的连接可以是有规律的,也可以是无规律的,既可以是单方面的连接又可以是双方面的连接,从属的概念一层一层逐步表达其含义,一级一级将各个概念的逻辑关系呈现在人们的面前.
二、概念图在生物教学中应用的显著特点
1.辅助学生形成知识网
将课本中所含有的知识体系内化为学生的知识建构,需要媒介,而概念图很好地成了这个通道,知识点与知识点之间存在联系,通过概念图可以将这些概念连成网,减轻学生学习生物的难度,稳固学生的认知结构.概念图从生物教学中最为基础的概念入手,将零散的概念、原则、规则等联系起来,整合知识点,形成具有逻辑的框架,帮助学生迁移以及整理知识,培养学生思考以及处理问题的能力,从而使学生进行更好的生物学习.
2.修正学生对概念的理解
概念是生物教学中的浓缩与精华,是对某个知识点的简练概括,对于高中生来说,要想完全理解其含义必须联系自己已有的知识并柔和新的知识,在这一过程中很可能出现某种偏差.所以,教师要了解学生已经清楚哪些知识内容,还有那些内容没有清楚,通过概念图帮助学生修正某些概念间的错误理解,从而提高学生对知识内容的理解水平.
3.培养学生的学习能力
正是由于高中生物知识点非常零散,因此学生必须具有较强的学习能力才能提高学习效率与质量,在坚实的基础之上可以熟练运用各种理论、正确进行实验以及操作各种相关仪器.新课标政策实施以来,高中生物教学的实验设计具有很大程度的开放性,并不能够介绍全部的知识链.因此,概念图成了这些知识点连接的结点,学生通过对概念的理解,可以提高他们的学习能力.
三、概念图在高中生物课堂教学中的应用
1.概念图在教学教学中的应用
(1)概念图在教师备课中的应用
在教师备课过程中使用概念图,能够保证教师完成课堂教学,提高备课的组织性与系统性.例如,教师将一章的知识点进行分析,归纳知识建构,按照层级整理一章的内容,使得各个知识点清晰的呈现在学生面前,减轻学生的学习负担.教师还可以将前一章的内容与后一章的内容加以联系,使得章与章之间的内容形成一个整体.如,教师在整理《细胞的结构》知识点时,将细胞膜、细胞核、细胞质三个内容作为一级概念,而后分别解释其功能或者构成等等.
(2)概念图在课堂教学中的应用
传统的课堂教学方式虽然其优点不可抹杀,但也存在缺点,概念图改变了学生的认知方式,将教学内容有条理的从课本中复制在课堂中,从横向上罗列知识点,同时在纵向上将知识点联系起来.例如,教师在教授完高中生物必修1中细胞的生命历程时,从细胞的增值依次排开,将细胞分化、衰老、死亡与癌变画出,一步一步推进,再以此为基础将细胞的认识与细胞的分子、构成、输入、输出以及细胞之间的能量转化联系起来,从整体上辅助学生学习.
(3)概念图在章节复习中的应用
学生在学习了某一章或者整本书后,需要对其知识点进行串联,巩固知识点,概念图在这时是一种非常有效的学习途径.学生可以通过概念图做笔记,在上课时速记课堂中的重点内容,快速掌握其概况,再添加细小知识点.例如,从光合作用出发,其可发出一个呼吸作用,两个反应,三个阶段,并结合光合作用图示,展示呼吸作用与反应之间的内在联系.学生在此基础上添加知识点,扩展其知识含量,完整学习其内容.
2.概念图在学生学习中的应用
(1)概念图在学生预习中的应用
概念图不仅可以帮助教师做好备课工作,在帮助学生预习方面也会发挥积极的作用,对学生的自学能力,增强学生的思维逻辑等方面有推动作用.例如,教师在讲“生命活动的主绍承担者――蛋白质”这节内容之前,让学生进行预习时,就可以让学生利用概念图的方式方法,找到生物、植物中蛋白质的作用,将其进行比对,学生自己在预习的过程中,就可以对蛋白质的作用以及活动范围等进行掌握,这样不仅可以减轻学生课堂学习的负担,而且还能帮助于学生找到学习的重点,进而增强学生的学习效率,提升生物教师教学的效果.
(2)概念图在课后作业中的应用
一、初、高中生物教学目标及目的的差别
初中生物教材的知识点主要包括植物、动物和人体、生理、环境等方面,且重点都只是对生命现象粗浅的描述,仅仅将各类生物知识进行了不同类别的概述,但却没有将生物界各个领域的知识串联起来形成一个系统化的教学体系.
高中生物教材的基础和起点是初中生物知识基础,进一步深化了初中生命现象及形态结构产生的原因、过程等根本性问题,主要包括细胞的亚显微结构,细胞器的结构与功能以及物质分子等知识.如:在初中生物《生物的遗传和变异》一书中,对有关生物遗传和变异的知识进行了基本的阐述,明确遗传信息是在细胞核中转录的.高中生物教材进一步揭示了对细胞核、染色体、DNA和基因之间的关系,以及整一个遗传过程,明确了基因决定了生物性状,并对遗传学中的两大遗传规律进行了深入的解释,并介绍了遗传学原理在日常生活中的应用.
通过比较初、高中生物课程标准和教学目标,我们不难发现:初中生物归属于初中自然科学,主要要求学生对植物、动物和人体、生理、环境等方面的知识有所了解掌,掌握一定的生物实验操作技能,认识到生物学知识在社会生产、人类生活等方面的作用,在知识层次的构架上以科普为主.而高中生物是在初中生命科学知识基础上更加有深度的、有内涵的、揭示本质规律的生物教育,是整个知识框架更为系统化、理论化,对学生的要求不仅仅是知道这个现象,更重要的是知道这个现象背后的原理和规律,还需掌握一定的计算能力来解决实际问题中的生物现象.
二、初中和高中生物教学衔接的措施
1.转变观念,提高认识,充分发挥教师的主观能动性
作为一名中学教师虽然没有资格来改变课程设置,为实现初高中生物知识的全面了解,使学生具备较高的科学素养,必须重视初高中生物知识的有效衔接.这里的衔接不光指的是教材中的知识点的巩固和加深,还要对学生在认识层面上的规律和机理进行探讨,使学生具备主动获得知识构建理论体系的能力.为了实现这一目标,就不能依旧在误区里面不能自拔,教高中的时候完全抛开初中的知识点不谈,认为初中知识太过于简单没有必要涉及,这也就将初高中的知识在完全割裂和隔离开来了,相反的在高中教学中好药人为地将这两方面的内容联系起来才对.此外,知识点教学没有遵循循序渐进的原则,一味地重复初中知识,或者直接进入高中更为深入的知识,都会导致学生的学习积极性下降,降低教学质量.
2.做好教材知识的衔接,确保初、高中生物教学的延续性
作为一名高中生物教师,需要对初高中生物教材的内容和教学目标有着准确、清晰的把握,对整体的知识框架要有着系统化的梳理,并以此为基础进行必要的延伸和拓展,对教材衔接处的真空地带进行补充,使初、高中生物知识相辅相成,浑然一体.初中生物强调的是在生物圈中人类的活动以及人体的构造;高中生物课程的必修部分强调的是生物科学最基础的、本质的原理和规律,选修课则能够为学生提供更多元化的内容,包括现代生物科学发展最迅速、成果应用,生物技术给人类社会带来的变化等等.有助于学生拓宽科学视野,养成科学思维,加深对于生物这个领域的了解.
3.做好教学方法的衔接,培养学生学习生物学的兴趣
由于初中生物所涉及的知识点过于浅薄,因此,在高中教学中大多采取的是授受式教学手段,并以多媒体手段进行辅助增加学生的感性认识.高中阶段,正是学生的青春期,学习心理也完成了由“经验记忆型”被动接受知识向“探索理解型”主动学习知识的改变.因此,高中生物的教学方融入探索性、创新性的教学手段,从而激发学生的自主思考能力,将书本的知识转化成为自己的理论框架.高中生物教师不能依旧使用初中教学的那套老办法,在课堂教学上应着重激发学生的兴趣、积极性,使学生从内心对生物感兴趣,从而自发地进行对问题的思考.
4.做好学习方法指导的衔接,全面提升学生的能力
【摘 要】高中生物高考考察的知识点多而杂且细碎。所以,要想获得高中生物总复习的教学有效性首先就要加强学生对基础知识的记忆,然后再是提升学生的考试能力。在下文中,笔者着重结合自身教学实际,分别从三个小方面入手来论述如何实现高中生物的总复习教学。
关键词 高中生物;总复习教学;方法;提升
高考是教师开展教学活动的重要方向标,甚至也直接关系着整个高考成绩的取得,在高中生物教学中,亦不例外。在高中生物总复习教学之中,如何让学生在繁重的学业任务中轻松而有效地开展复习是当前生物教师最为关心的问题。为此,笔者在下文中着重将自己在教学中的一些体会进行简要的论述。
一、重视概念复习
高中生物是一门科学性的学科,有不少的知识点是建立在论证的基础之上,但是也有不少知识点是建立在记忆的基础之上。而这些需要记忆的知识点往往是该学科的基础知识,而这些知识的理解和基础的建立也直接关系到复习效果的取得,关系到学生的能力发展。
因此,笔者认为教师在高中生物总复习教学中要重视概念教学,并且在概念教学的过程中不断强化学生的认识,并且在这个过程中注意引导学生对有关的概念进行区分性的复习。这样才可以更好地帮助学生去认识、去理解有关的知识点。
例如:《细胞》这个部分的学习之中,就有“细胞的分化”、“细胞的癌变”、“细胞的衰老”三个概念是重点需要掌握的。与此同时,这三个概念又具有一定的关联性,所以在教学中,教师就可以将这三个概念放在一起进行比较性的区分教学,这样就可以让学生更好地掌握“分化”、“癌变”、“衰老”这三个特征。
此外,加强高中生物的概念复习,其实也是一个带领学生梳理知识的机会。因为对概念的复习是遵循教学的内容编排进行逐章逐节的概念梳理复习。这样就可以有效地提升学生的认识,也必将有效地建立起学生的知识网络体系。
例如:在对蛋白质的功能与结构、核酸的结构与功能、糖类的种类与作用、脂质的种类与作用、生物大分子以碳链为骨架、水和无机盐的作用等这些概念进行复习教学的同时,其实也帮助学生对“细胞的分子组成”这个部分的内容脉络体系有一个准确的认识。
二、注意知识之间的联系性
在很多学生的认识中,高中生物需要记忆的知识、公式比较多,所以有不少人认为“生物是理科中的文科”。而这也在客观上对学生的记忆以及认识提出了更高的要求,因此笔者认为教师应该采取积极的方式来加强学生对知识的记忆。
因此,针对这一点,教师在复习教学之中应该借助加强知识与知识之间的联系性来提升学生的记忆和牢固、强化学生的记忆。
在具体的实施之中,这种注意知识之间的联系性开展复习教学,笔者认为教师应该适当地突显出学生的主体性地位。毕竟是学生参加高考,也是学生在开展学习。所以,教师要让学生自己去挖掘出知识与知识之间的联系性,让学生自己去回顾所学知识,而教师只是对学生的发现进行一个把关和纠正。这样的复习教学方式一方面将有效地节约复习教学的时间,也将有效地提升复习的教学效率。此外,这一教学方式也可以让教学更好地了解学生的学习情况,而学生也能够在自己的思维基础上开展自我复习。
例如:在《细胞》这个方向的关联性知识点总结时,有些学生就找出了:细胞膜的分子结构、细胞膜的主要功能、细胞质的基质、细胞质的细胞器、细胞核的结构和功能、原核细胞的基本结构、细胞的有丝和无丝分裂、细胞的衰老、细胞的分化、细胞的癌变。然后教师对学生的总结进行把关。
这样教师在复习教学之中就会注意将学生遗漏的几点与“细胞”这一个大类之间的联系进行教学。而学生在自己的总结下对已经找出的部分自然是掌握了的,同时对教师指出的部分学生的记忆也将更加深刻。
三、挖掘考点导入教学
高考是一个综合考察,对生物的考察更是一个对细碎考点进行考察的一门学科。所以,为了更好地把握高考的走向,更好地掌握复习教学的实施方向,笔者认为教师完全可以在教学实施的过程中引导学生去接近高考,去解开高考的面纱。也就是带领学生去挖掘高考的考点,细化到每一个小的知识点,然后将这些考点在知识中的表现导入到教学之中。
这样的复习教学无疑让学生离高考更进一步,同时学生对高考的陌生感也将逐渐消除。更为重要的是,在这个过程中,教师可以让学生对知识的把握更到位,对知识的理解更加准确。
所以,在复习教学中,教师引导学生从高考真题中发现考点并且将发现的考点进行有条理的归纳和总结。
例如:有这样一个题目:
下列关于细胞分裂、分化、衰老和死亡的叙述,正确的是( )
A.细胞分化使各种细胞的遗传物质有所差异,导致细胞的形态和功能各不相同
B.个体发育过程中细胞的分裂、分化和死亡对于生物体都是有积极意义的
C.细胞分裂存在于个体发育整个生命过程中,细胞分化仅发生于胚胎发育阶段
D.多细胞生物细胞的衰老与机体的衰老总是同步进行的
对这个题目进行考点归纳和分析为:细胞分裂、分化、衰老、死亡的概念、特征、意义。
通过这样的方式,学生就可以在实战中看出知识点的考察,此外,在真题之中学生也可以去检验自己的知识掌握的是否牢固。而这样的方式也必将有效地提升复习教学的效率,也将有效地提升学生迎战高考的能力。
参考文献
[1]邵万亮.“应用—原理—应用创新”教学模式在高中生物学复习教学中的尝试[J].生物学通报,2007年第9期
[2]邵国典.高中生物专题复习教学模式[J].大江周刊·论坛,2011年第2期
关键词:生物工程;实验;教学;科研;模式
DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2017.05.228
1 引言
生物工程专业的抽象、枯燥性使得一些学生在学习过程中出现了畏难情绪。专业实验可以将抽象的生物工程知识点进行有效形象化,具体化,使得学生对其产生准确的认识。然而在传统的生物工程专业实验教学中,教师将实验做一遍,学生跟着也做一遍,这种学习方法难以实现学生对生物工程专业知识的认识。与科研相结合的生物实验的拓展可以帮助学生进行有效的自我思考。这种教学模式需要教师进行因材施教,分类教学,才能实现最好的教学效果。
2 与科研相结合等教学理念分析
与科研相结合教学模式是一种基于学生自我探索、讨论的学习方式。在这种方式中,教师扮演的是一种指导的角色,在学生进行自我探索、相互讨论的过程中进一步实现知识能力的提升。这种学习方式重点放在学生的自主探索方面,实现自我知识网络的构建。生物工程实验学习需要学生参与的主动性较高,这样才能有效实现学生对专业知识点、动手技能等方面的提升。与科研相结合的教学模式可以帮助学生进一步提升生物工程专业实验练习的这些能力和素养。这种教学理念具有以下几个方面的特征:
首先,研究性。问题研究具有研究性的特征,学习过程中以科研问题为导向,进行相关研究性学习能力的培养,最终实现相关问题的解决。其次,应用性。在理论学习的过程中,需要将相关的知识点应用到实际之中。最后,过程性。学生对生物工程知识点需要一个学习过程,从感性认识到理性认识,再从理性认识到实践过程。因此这一学习方法具有一定的过程性。
3 与科研相结合教学模式的具体应用措施
3.1 学生生物工程实验研究能力的分层
生物工程实验练习中,学生之间是存在相互差异的[1]。这与他们的学习兴趣、学习方法有着直接或者间接的联系。学习能力的不同造成学生在接受生物新知识的过程中存在差异性。教师需要进一步了解班级中不同学生的基本情况,多与学生进行交流沟通,这样才能有效提升对学生情况的有效了解。然后根据学生的基本情况,教师需要将其进行有效分类,分析每一个学生学习能力的优势,这种分层为后期的科研相结合的学习分组提供依据。
3.2 组建科研性小M
在生物工程实验科研型学习的过程中,学生需要被有效的分组,这样才能实现更加有效的研究和讨论。教师需要将不同学习能力和水平的学生分在一组,这样可以有效提升一个组内学生的研究性,不同能力的学生在不同方面有着各自得特点。例如:一个研究性小组需要包含生物不同学习优势学生,这样可以实现学生之间的相互帮助,同时学困生在实验练习方面可能存在一定的问题,但是他们一定具备其他的能力和素养,可以实现研究性小组的有效互助。在组建研究性小组之后,教师需要培养学生的团队精神,让学生知道研究性小组员之间需要团结合作的,按照不同的分工,进行相互配合,最终实现有效学习。例如:重组大肠杆菌产L-色氨酸补料分批发酵的实验中,教师在实验之前让学生归纳相关的材料,一个小组的学生收集的资料就会很多,收集不同的实验方法,帮助学生进行这一方面的主动思考。
3.3 设计研究性的课题
研究性学习在生物教学中的应用,可以更多集中在生物工程多层次实验的练习上。学习小组中的不同学生针对教师设计的开放性实验课题,收集相关的资料,应用生物知识原理进行相互交流,学生对生物知识点的认识得到有效提升。例如:在大肠杆菌DNA的转化实验设计中,学生对于这个问题的认识存在差异,教师允许学生在这一问题上的讨论,学生需要进行相关问题资料的查找[2]。这类问题都是属于开放性的实验。方法可能不存在具体的对与错,学生之间辩论的目的就是提升对这一生物工程知识点的认识。这些问题的设计不仅需要兼顾开放性,还需要对其生活性有所要求,这样可以有效提升他们对生物实验学习的有效性提升。
3.4 开展讨论会及教师点评
不同的研究小组之间在观点上存在差异性。教师可以组织一场讨论会。这一讨论会的主要目的在于学生对生物现象的认识。教师可以运用这样的讨论会不断提升学生的生物知识的认知和勇敢精神。最终教师需要根据学生的表现进行点评,教师点评一方面需要对讨论的实验方法进行点评,另一方面还需要重点放在学生创新性和运用知识的准确性的点评上。在点评的过程中,教师需要兼顾鼓励式的评价和问题的指出。这样就需要教师进一步对其进行鼓励,实现他们自信心的提升。因此教师需要在指出问题的同时兼顾鼓励和表扬。
4 结语
生物工程专业教师需要提供学生研究性学习的空间,让学生具备这样一个学习环境,学习意识和能力,不断提升他们对生物实验的有效性理解。借助话题资料的收集,讨论等过程中,实现对生物知识、科研创新思路等方面的有效提升。同时学生在进行讨论的过程中,需要勇气和胆量,因此教师的点评需要兼顾鼓励和表扬,这样才能实现学生对专业学习自信心的提升。
参考文献: