物理模型构建在高一生物教学中的应用研究_樊英.docx

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1、摘要 新课程改革的理念之一是倡导探究式学习，力图转变学生山被动学习变为主 动探究，而构建模型的过程正是学生搜集和处理信息的过程、是学生动手和动脑 结合的过程、是学生分析和解决问题的过程。模型法作为高中生必需掌握的科学 方法之一，不仅可以培养学生创新思维和动手能力，还可以培养合作交流的能力， 同时还有助于学生抽象思维的训练。 目前国内有关高中生物的模型实践研究中，单独针对物理模型的研究还较少， 另外类似的教学实践研究的对象是农村高中的就更少了。因此，本研究无论是在 理论层面还是实践层面上，对于高中生物物理模型的教学都具有一定的参考价值。 本研究是以人教版高中生物必修模块为研究材料，以陕西省咸阳市

2、旬邑县中 学高一 4个班的学生为研究对象，从以下三个方面展开物理模型构建在高一生物 教学中的应用研究。 1、采用了文献研究法对模型、物理模型的概念进行界定，确 定了物理模型的分类标准同时分类整理了人教版高中生物必修模块教材中的物理 模型内容。 2、通过经验总结法，对构建物理模型的步骤和原则以及优化物理模型 构建的教学策略进行总结，同时分别以三个教学实例阐释了构建物理模型在新课 和复 习课的应用过程。特别是通过细胞有丝分裂和减数分裂这两个教学实例，说 明教学过程中要活用不同类型的物理模型构建同一原型。 3、通过调查问卷检测学 生在教学实践前后是否在对科学模型的认识、学生自信心和学习生物的兴趣三个

3、 方面产生积极的变化。 研究结果表明：构建物理模型的教学活动可以帮助学生正确认识科学模型和 模型方法并进而在一定程度上促进其学习方式的改变。通过 Spssl9对前后测的调 查数据进行 T检验的结果说明构建物理模型的教学活动可以提高学生的自信心和 增加学生学习生物的兴趣。 本研究尽管初步取得了一定的成果， 但仍有很多不足之处，希望能为高中生 物教学的研究提供借鉴之处。 关键词：高中生物教学，物理模型，自信心，学习兴趣 Proposing inquiry teaching, which trying to change students5 passive learning into active

4、inquiry, is one of the ideas of new curriculum reform, while the process of building model is just the process of collecting and processing information, the process of using hands and brain and the process of analysis and problem solving. The model method, which senior high school students must mast

5、er, is one of the scientific methods. It can not only cultivate students5 creative spirit, practical abilities, collaboration, but also contributing to the training of students5 abstract thinking. This study, both in theory and practice, has a certain reference value for the physical model instructi

6、on in high school biological. Because of the rare research of physical model concerning of the research model of high school biology in China, especially for rural high school. According to high school compulsory modules of PEP edition and four classes of fresh students of Xunyi senior school in Xia

7、nyang, Shaanxi province, the research aim at the applied research of building a physical model for senior biological teaching in the following three aspects: First, defining the concept of model and physical model based on literature research method, determining the classification criterion, and cla

8、ssification of physical models of high school compulsory modules of PEP edition. Second, summarizing the steps and principles of physical model, and optimizing building physical model of the teaching strategies, and illustrate the application process of physical model in new lessons and review throu

9、gh three teaching examples respectively. And especially through two teaching example of mitosis and meiosis, explain building the same prototype by using different kinds of physical model. Third, detect whether students have positive changes or not in cognition for scientific model, confidence and i

10、nterest in learning biology before and after the teaching practice through questionnaire. The study found that, teaching activities of building physical model can help students understand scientific models and modeling methods and promote learning style in a certain extent.The survey data before and

11、 after the test were measured by Spssl9. The results of T-test showed that teaching activities of building physical model can enhance students7confidence and increase interest in learning biology. Although the study has achieved certain achievements preliminarily, there are still many deficiencies.

12、Hope the study can provide reference for senior high school biology teaching. Keywords： senioJ school biology teaching, physical models self-conHdence learning interest 目 录 摘要 . i Abstract . Ill 第 1 章 引 言 . 1 1.1研究背景 . 1 1.1.1课程改革的要求 . 1 1.1.2生物课程的性质 . 1 1.1.3教学实践层面 . 2 1.1.4旬邑中学发展的需要 . 2 1.2国内外研究现状

13、 . 3 1.2.1国外研究现状 . 3 1.2.2国内研究现状 . . .3 1.3研究的目的和意义 . 4 1.3.1研究的 g的 . 4 1.3.3研究的意义 . 4 1.4研究方法与技术路线 . 5 1.4.1研究方法 . 5 1.4.2技术路线 . -6 第 2章物理模型的概念界定和理论基础 . 7 2.1模型及模型方法的溯源 . 7 2.2物理模型的定义 . 8 2.3物理模型的分类 . 8 2.4构建物理模型的教育学和心理学基础 . 9 第 3章髙中生物构建物理模型教学实践研究 . . . . 11 3.1高中生物必修模块教材分析 . 11 3.1.1人教版高中生物必修模块教材分

14、析 . 11 3.1.2教材中物理模型内容梳理 . ： -12 3.2构建物理模型的步骤 . 15 3.3构建物理模型的原则 . 16 3.4高中生物构建物理模型案例教学 . 16 3.4.1构建有丝分裂染色体行为变化特征模型 . 16 3A2复习课构建真核细胞三维结构模型案例 . 19 3.4.3绘制减数分裂染色体行为变化图 . 21 3.5调查与分析 . 24 3.5.1调查时间 . 24 3.5.2调查对象和地点 . 24 3.5.3调查内容 . 24 3.5.4调查结果处理 . 24 第 4章优化构建物理模型的教学策略 . 29 4.1把握好课堂节奏 . 29 4.2正确的引导和评价方

15、法 . 29 4.3用活不同类型的物理模型 . 29 4.4关注构建模型活动的可行性 . 30 4.5合理的分组方式 . 30 4.6搭建学生展示平台 . 30 第 5章 总 结 与 反 思 . 31 5.1总结 . 31 5.2不足 . 31 5.3 離 . 32 参考文献 . 35 附录 . 39 致谢 . 65 攻读硕士学位期间研究成果 . 67 第 1 章 引 言 1.1研究背景 1.1.1课程改革的要求 课程功能的转变是基础教育课程改革纲要 (试行 )的焦点之一，要扭转过 去重视知识传授的倾向，鼓励学生自发主动的学习；重视在学习过程中情感态度 与价值观的形成和各方面能力的培养；重视学

16、生 全面 的发展和 个性化 的 发展 1。课程改革的另一目标是转变学生的学习观念和教师的教学观念，课堂学习 过程中要形成学生是主体，教师是引导者和协助者的新式课堂 2。要真正达到课程 改革的目的，尤其是在提倡以学生为核心的科学探究学习过程中，科学方法的学 习特别是模型和模型方法显得尤为重要 3。 普通高中生物课程标准多达 17处提到模型一词，在课程设计思路上提出 要 领悟建立模型等科学方法及其在科学研究中的应用 ; 在知识目标上指出使 获 得生物学基本事实、概念 、原理、规律和模型等方面的基础知识 ；在内容标准中 要求 尝试建立真核细胞的结构模型、制作 DNA分子双螺旋结构模型 4、设计并制

17、作生态缸 等 4。 1.1.2生物课程的性质 生物科学是自然科学的基础学科，是探究生命现象和生命活动规律的科学。 生物科学经历了从现象到本质、从定性到定量的发展过程 4，而且往往生物科学上 的成就都离不开科学的研究方法。学生学习科学探究的方法和能力形成的重要阶 段是在高中。在这一阶段要树立其科学精神和实事求是的态度。在众多的科学方 法中，用构建模型的方法去反映某个生命现象或生命活动，将使得生物课程的学 习变得更加生动活泼，学生更容易获得知识，建立知识体系，达到事半功倍的效 果 5，特别是对微观世界的认识和理解有不可替代的效果。模型法可以实现生物课 程的学习不仅是一个有成果 6，而且还可以训练抽

18、象思维和迁移能力，培养其创新 精神。 1.1.3教学实践层面 在国内目前使用的五套高中生物课本中，都涵盖了介绍模型的材料或设计了 一定数量的组织建构模型的活动，是我国高中生物在新一轮课程改革中的一大特 色，同时也充分体现了模型和模型方法对于高中生的重要性。然而，在教学实践 中由于大多一线生物教师对模型以及构建模型的方法不甚了解，有的将物理模型 往往简单地定位在教具水平。特别是随着计算机应用的普及，有些教师仅用展示 图片或播放视频取代了物理模型构建的过程，导致学生对物理模型及模型方法更 加陌生。教师不组织开展构建模型的活动的原因可能有：缺乏理论指导，教学压 力，学生难于管理等等。 1.1.4旬邑

19、中学发展的需要 旬邑中学是陕西省咸阳市旬邑 县的唯一一所普通髙中，地处渭北高原，交通 不便，发展相对落后。 2011年 9月旬邑中学搬迁到新的校区，在此之前老校的教 学设施严重缺乏，例如：由于教室短缺，生物实验室被改造成为教室。耗资 2个 亿新建的旬邑中学软件和硬件都比较完善，但 2013年招收的高一学生的人数比 2012年减少了三分之一，并且流失的大部分属于中考成绩上游的学生，面对生源 的流失学校招收了部分中考分数线以下的学生。学生流失的一个重要原因在于师 资力量的薄弱，教师的教学理念和观念跟不上时代的发展。 旬邑中学学生大多来自农村，并且很多父母都外出务 工，常年由爷爷奶奶照 顾。学生普遍

20、对学习不感兴趣，有的学生认为上高中仅仅是为了拿到高中毕业证 好出去打工，而对于上大学不报希望。然而学校要发展，就必须要改变学生被动 的学习状态，树立其正确的人生观和价值观，增强其自信心和学习兴趣。 基于以上四方面的原因，该课题是作者根据在陕西省咸阳市旬邑县旬邑中学 任教3年多的经历，并结合旬邑中学学生基础知识不扎实、自信心不强、学习兴 趣不高的特点提出的。本研究课题拟从三个方面进行研究：第一部分是从理论层 面上界定模型、物理模型的概念并明确物理模型的分类标准；第二部分是梳理 人 教版高中生物必修模块教材中不同类型的物理模型内容，分析构建物理模型教学 实例并探讨优化构建物理模型的教学策略；第三部

21、分是通过调查问卷进行前测和 后测以检测构建物理模型的教学活动对学生关于科学模型的认识、自信心、学习 兴趣和态度三个方面是否产生积极的影响。 1.2国内外研究现状 1.2.1国外研究现状 早在二十世纪三十年代，贝塔朗菲就创立了普通系统论，并主张将其应用到 生物学的研究中 7。英国最早将模型应用于课堂教学中，随后美国和日本也陆续将 模型教学引入到课堂教学中 8。国外很多教育者都大力提倡模型教学，其中美国教 育学家们做了大量的尝试，主要以 David Hestenes为代表美国国家科学教 育标准在 科学内容标准 中，把科学主题的重点定位为： 所有学生需要了解、 理解和运用的科学事实、概念、原理、理论

22、和模型 ，同时还指出， 学生的探究 活动最终应该构造一种解释或一个模型 9。因为模型和模型方法在现代生命科学 的研究中起着举足轻重的作用，了解和学会运用一些重要的基本的科学方法对高 中学生是非常必需的。它不仅有助于学生对生物科学的学 习，并且是学生今后的 学习和研究以及步入社会参加工作的基础，有助于更好地解决生活 fJ工作中的问 题。在美国科学促进协会所著的面向全体美国人的科学中把统、模型、 恒定与变化、规模等作为在科学、数学和技术领域中重要的并且频频出现的一些 通用概念，并对模型进行了明确的分类 国外的科学教材中也有很多涉及模 型应用的模拟实验等。 1.2.2国内研究现状 国内对模型及模型教

23、学相关理论的研究时间并不长。自 2004年新的课程标准 实施以来，模型的构建在高中生物教学中的重要性才真正逐渐引起教育工作者的 重视。目前教育理 论研究者从方法论、心理学的角度深度的阐释了科学教育中模 型法的重要性和必要性，以及模型法的认知功能和教育功能 3 12。然而大多一线 教师对模型的认识也仅仅停留在教具层面上，主要原因是对模型和模型法的教育 实践价值，教育工作者还没有深刻认识到。特别是在高考压力下一线教师在教学 过程中真正开展构建模型的活动还是比较少的 13。有的教师认为幵展这样的活动 既浪费了时间，又难以维持课堂秩序。特别是在高一课时紧的情况下，有的教师 为了赶教学进度往往采用满堂灌

24、填鸭式的教学方法，说明部分一线教师还没有充 分认识到模型法的必要性和模型本身的教育价值。 目前国内发表的有关模型及模型方法研究的文章，主要集中在以下这 4个方 面 “ (1) 总结教材中可用于建构模型的素材； (2) 模型教学的具体案例，大多是以教学设计的形式出现 14_19; (3) 模型的基本特征和功能的概述； (4) 模型教学案例大多集中在新课的讲授过程中 2()。 总体上来看大多是一线教师经验性的总结的较多，研究的深度和高度不够。 将数学模型和物理模型一起泛泛而谈的居多，而单独针对某一种模型的研究相对 还比较少。 1.3研究的目的和意义 1.3.1研究的目的 (1) 通过研究构建物理模

25、型的教学过程，梳理教材中不同类型的物理模型并 总结优化构建物理模型的教学策略，为今后的生物教学提供一定的借鉴。 (2) 通过组织学生构建物理模型的教学活动，营造轻松、快乐、高效的课堂 氛围，充分调动学生积极性，改变学生的学习方式，激发学生的学习兴趣。 (3) 开展学生模型的课堂展示和评价环节，提供学生 成果 展示的平台，公平、 公正的评价学生作品，增强学生自信心。 1.3.3研究的意义 (1) 梳理教材中不同类型的物理模型为教学提供更多的素材。己有的相关文 献中提到的构建物理模型的活动大多仅是课标中明确要求的或是教材中设计的活 动，而开发教材中构建物理模型的活动还很少。故在教材分析的基础上根据

26、物理 模型的分类标准梳理人教版高中生物必修模块中的不同类型的物理模型内容是十 分必要的。 (2) 构建物理模型的教学活动能改变学生的学习方式。学生往往认为生物是 理科中的 文科 ，需要死记硬背，特别是对于微观世界的知识。而构建物理模型 的教学活动能培养学生的科学思维 121,对于高中生是十分必需的。 (3) 构建物理模型的教学活动能增强学生自信心提高学生的学习兴趣。大多 数构建物理模型的 教学活动仅仅停留在学生对知识的掌握上，而在这一活动中通 过学生展示、学生互评的过程，培养学生的自信心和提高学习兴趣，并通过调查 问卷进行检测的还较少。 1.4研究方法与技术路线 1.4.1研究方法 (1) 文

27、献法只有充分地了解了前人的研究，才能提出自己的课题进行科学 研究。作者首先采用文献法，阅读了大量前人研究的资料作为本课题的理论依据， 同时归纳了模型和物理模型的不同含义，不同分类和物理模型在目前生物教学上 的应用状况。 (2) 问卷调查法 想要了解研究对象，最直接最有效的手段便是问卷调查 法，本文在参考大量问卷的基础上，设计了学生不记名的调查前测问卷和后测问 卷。该问卷包含了学生对物理模型的认识、学生自信心和学习兴趣和态度三部分 内容，用以检测作者在教学实施前后是否对学生以上三方面产生正面影响。 (3) 案例分析法 任何教育研究都是基于案例分析来完成的，本文同样也 不例外。通过案例分析法可以系

28、统的反思教学的每一环节和每一个謝节，从而归 纳一些类似：注意事项、原则、策略等等。是对教育理论研究的检 (4) 对比法本文采用的是学生自身前后对比的方法，该方法可以有 效的避 免对照组和实验组自身存在的差异，从而降低误差，增加实验的准确性。 (5) 课堂观察法 教学实践的研究往往离不开课堂观察法，这种方法可以 帮助研究者第一时间获得学生的真实反应，是研究者顺利开展研究的基本保障。 1.4.2技术路线 技术路线见图 M 图 M研究技术路线 Fig. 1-1 Research technology roadmap 第 2章 物 理 模 型 的 概 念 界 定 和 理 论 基 础 2.1模型及模型方

29、法的溯源 模型的含义是很广泛的，它起源于拉丁语 Modulus， 意思是尺度、样本、标准 2i。有人认为模型包含了以下 3个含义： 1、是与 原型 相对的，是研究对象的 替代物；2、为了表示系统或过程，用简化的方法根据原型的比例或其它特征制成 的类似实物的物体； 3、如果一个数学结构能够使得系统中的每个公式的解释都成 立，那么这个数学结构就是该理论的一个模型 22。可以看出以上有关模型的定义 是比较宽泛的，涵盖了很多知识面。 国外有学者认为科学模型是描述一个物体、现象、事件、过程、系统或者某 一种观念，或者说，科学模型是所研究的目标事物的一种呈现方式 23。还有学者 认为科学模型还可以是一种心

30、智存在的形式，它是人们依据特定的科学理论所形 成的心理图式，是人们根据有关世界的知识以及他们建构模型的能力建构出来的 24。我国学者认为在科学模型界定 中，有两个最为突出的特征 ： 1、是它呈现了 人们建构知识和解决问题过程中心智活动的过程； 2、是它充分表达了在科学思考 过程中理论与方法如何紧密地缠绕在一起、相互作用而共同影响科学知识建构特 性 3。 生物教学中的模型虽不同于科学家科研活动中的模型，但不可否认的是其仍 具有科学模型的内在含义。美国国家科学教育标准 9中指出： 模型是与真实物 体、单一事件或一类事物对应的而且具有解释力的试探性的体系或结构。 而我国 人教版高中生物必修 1模块中

31、指出模型是人们为了某种特定的目的而对认识对象 所作的一种简化的概括性的描述 25。教学中的模型的定义相比较更强调其科学研 究的目的，强调模型建构的过程，特别是美国的有关模型的定义中可以看出模型 并不是绝对的，而是带有试探性的，说明模型是发展变化的。 通过比较分析这些资料，我们可以发现生物教学中的模型应该具有以下特点： 1、是一个相对的概念，是与 原型 相对的； 2、 模型是对原型的某些特征的简 化和理想化的表现，这些特征就是人们想要利用或研究需要的，可以说就是简约 性 26; 3、模型是连接理论和应用的桥梁，模型和原型的关系（见图 2-1) 11; 4、 是发展变化的； 5、呈现着研究者建构知

32、识和解决问题过程中的心智活动 27。 图 2-1原型、模型、理论三者关系 Fig.2-1 The relationship between prototype, theory and model 2.2物理模型的定义 物理模型是模型中比较常见的一种，例如：一个地球仪、一尊雕像、一幅图 画。 查阅文献发现有关物理模型的描述不完全相同，例如：有人认为物理模型是 以实体原型的功能和结构作为模型的组成元素，经放大或缩小制成的与实体原型 具有物理相似性的物质模型，模型与原型之间的各对应量服从于同一物理定律 28。 而有人认为 物理模型就是根据相似性原理，把真实事物按比例大小放大或缩小， 以实物或图画形式

33、直观地表达认识对象的特征，其状态变量和原事物基本相同， 可以模拟客观事物的某些功能和性质 29。上述有关物理模型的描述并不是很全 面，更接近物质模型（物理模型的一部分）。而物理模型不仅包含了人们比较熟悉 的物质模型或者说是实物模型，同时还包含了另一种抽象的物理模型 即思想模型 即是用比较抽象的方法研究原型的某些性质或特征，常用图画的形式表示。对于 物理模型的理解需要注意以下几个关键点： 1、相似性不单单指的是大小比例还可 以是原型的某些物理特征； 2、物理模型是以原型的结构和功能或某些性质为研究 对象的； 3、表现形式可以是实物也可以是图画；可以是立体的也可以是平面的； 可以是静态的也可以是动

34、态的； 4、简约性； 5、是发展变化的； 6、呈现了人们建 构知识和解决问题过程中心智活动 2 2.3物理模型的分类 有人将模型分为数学模型、物理模型和概念模型三类，其中的物理模型指的 是 物质模型或实物模型，是狭义的物理模型。而从物理模型的概念可知，物理模 型并不仅仅是物质模型还包括了其在思想上的引申而來的思想模型。余自强认为 模型分为两种，即物理模型和数学模型，但人们常说的模型大多指的是物理模型 PQ。物理模型分为物质模型和思想模型两类 31,物质模型是以具体相似的实体来 表示原型，根据其与原型的相似度分为实物模型和模拟模型两类 3()。实物模型是 与原型最为接近的模型，包含了原型很多属性

35、，例如生物结构的经典标本，而模 拟模型是通过实物对模型的某些属性进行模拟构建的。思想模型是物质模型在思 维上的引申，根据构建模型的思想和方法的不同，分为具象模型和理想模型两种 3)。具象模型是在思维上用形象化方法对原型进行简化和纯化从而构建的，往往 具有一 定的形态结构特征，而理想模型是以最简化的形式阐述原型的某些复杂的 本质属性可以说是理想化的研究原型的某一本质属性忽略了原型的很多属性 30。 然而有人根据构建的物理模型的状态将其分为结构模型（静态模型）和过程模型 (动态模型）两类 32，还有人将物理模型分为天然模型和人工模型两类 33。本文 研究的是广义的物理模型，采用的是余自强的有关物理

36、模型的分类，具体物理模 型分类见图 2-2。 图 2-2模型的分类 Fig.2-2 The classification of model 2.4构建物理模型的教育学和心理学基础 (1) 杜威的 做中学 思想著名教育家杜威在批判传统教育 书本中心 时认为教学的过程就是 做的过程 ，他认为 人们最初的知识和最牢固地保持的 知识，是关于怎样做的知识 34。 从做中学 符合儿童自然发展规律，提倡学生 自主的学习，重视学生的动手能力的培养，而构建物理模型的教学恰是将学生手 和脑结合的过程，是一个 做中学 和 学中做 相结合的过程。 (2) 建构主义学习理论 知识的学习不仅仅是由外到内的传递和转移的过

37、程，更重要的是学生在真实具体的情景中，主动地积极地建立新旧知识经验间的 联系，而不是学习者被动地接受他人的结论 35。在构建物理模型的活动中，学生 自己搜集资料和信息的过程恰是学生自主学习的过程，而构建模型的环节又是学 生建 立新旧知识链接的过程。 (1) 人本主义学习观 学习应该是有意义学习，是学习者在自发地求知欲 的推动下全身心投入的过程 35。要实现有意义的学习，奥苏泊尔提出可以利用 先 行组织者 ，而梅耶等人的研究表明具体形象的模型更适合作为 组织者 36。在 构建的物理模型的过程中，学生全身心投入，是进行有意义学习的有效途径之一。 (2) 信息加工理论 学习是学生与环境相互作用的结果

38、，加涅认为 一个 完整的学习过程应该包括八个阶段，并且学习者始终都在不断地将信息由一种形 式转变为另一种形态，直到学习者以一定的方式做出反应为止 37。而从准备构 建模型到最终展示模型的过程中始终伴随着学生从环境中获取信息、加工信息并 将其整合知识网络的过程。 第 3章高中生物构建物理模型教学实践研究 3.1高中生物必修模块教材分析 3.1.1人教版高中生物必修模块教材分析 目前我国现行的高中生物教材有五个版本，其中人教版和苏教版应用的范围 比较广，但五个版本在内容上都大同小异，只是在编排上略有不同，本次研究采 用的是人教版高中生物教材。 人教版高中生物必修模块教材共有三个模块，即：分子与细胞

39、（必修一）、遗 传与进化（必修二）和稳态与环境 （ 必修三），其中分子与细胞设有六个章节 25， 遗传与进化设有七个章节 138，稳态与环境设有六个章节 39。 必修一模块在知识内容上包括了 细胞的分子组成，细胞的结构，细胞的代 谢，细胞的增殖，细胞的分化、衰老和凋亡五部分 ，是细胞生物学 的最基本的知 识，是学习其它模块的基础 41)。必修一模块引导学生从系统的角度认识细胞，将 细胞看做是基本的生命系统，按照系统的组成、结构、功能和系统的发展变化规 律的顺序来建构整个模块的知识体系 41，从微观层面上更加深入地了解生命的本 质；在情感态度与价值观方面，必修一注重 提高学生学习兴趣、增强学习主动 性、初步形成辩证唯物主义自然观以及培养实事求是的科学态度和一丝不苟的科 学精神在能力方面，必修一重在引导学生 领悟科学研究的方法并培养和 提高其科学探究能力、实验创新能力、抽象思维能力 。 必修二 模块在知识内容上包括了 遗传的细胞基础、遗传的分子基础、遗传 的基本规律、生物的变异、人类遗传病、生物的进化六部分 ，其中前五部分分别 从分子水平和细胞水平