淺析科學(xué)思維與模型構(gòu)建的關(guān)系

蔡亞麗

摘要：在新高考背景下，高中生物課堂更應(yīng)該認(rèn)真貫徹落實(shí)“新課標(biāo)”理念，積極探索、嘗試。本文在課堂上運(yùn)用模型進(jìn)行教學(xué)上做了探索，以期引導(dǎo)、幫助學(xué)生了解并掌握構(gòu)建模型方法，使學(xué)生建立科學(xué)的思維。

關(guān)鍵詞：模型 思維 新課標(biāo) 高中生物

《義務(wù)教育生物學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)》中提出：生物課程中的科學(xué)探究是學(xué)生積極主動地獲取生物科學(xué)知識、領(lǐng)悟科學(xué)研究方法而進(jìn)行的各種活動。這些活動包括：觀察、實(shí)驗(yàn)、調(diào)查、制作模型、收集和分析資料等?！镀胀ǜ咧猩镎n程標(biāo)準(zhǔn)》第二部分課程標(biāo)準(zhǔn)中明確提出：獲得生物學(xué)基本事實(shí)、概念、原理、規(guī)律和模型等方面的基礎(chǔ)知識，知道生物科學(xué)和技術(shù)的主要發(fā)展方向和成就，知道生物科學(xué)發(fā)展史上的重要事件。明確將獲得生物學(xué)模型的基本知識作為課程目標(biāo)之一，并在內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)或活動建議部分做了具體的規(guī)定。這是我國中學(xué)生物學(xué)課程發(fā)展歷史上首次如此重視“模型”。

一個(gè)好的模型的構(gòu)建和使用可以使教學(xué)事半功倍。模型方法的習(xí)得有助于學(xué)生培養(yǎng)創(chuàng)造性思維。在生物學(xué)教學(xué)中，學(xué)生掌握了模型方法就能更加透徹地理解學(xué)科知識。學(xué)生如果能夠?qū)⒛Ｐ头椒ㄞD(zhuǎn)化為自己的認(rèn)知模式，就能使自己的認(rèn)知水平發(fā)生質(zhì)的飛躍。因此，作為一名高中生物教師，我們應(yīng)該認(rèn)真貫徹落實(shí)“新課標(biāo)”理念，積極探索、嘗試，在課堂上運(yùn)用模型進(jìn)行教學(xué)，引導(dǎo)、幫助學(xué)生了解并習(xí)得模型方法，使學(xué)生建立科學(xué)的思維形式。

模型法受到前所未有的重視，且有如此之多的“好處”，我們很多教師就感覺是一個(gè)非常神秘高深的東西，只可遠(yuǎn)觀而不可褻玩焉。其實(shí)，這種顧慮是多余的。模型在教學(xué)、生活中隨處可見。

究竟模型是什么呢？模型是人們按照特定的科學(xué)研究目的，在一定的假設(shè)條件下，再現(xiàn)原型客體某種本質(zhì)特征（如結(jié)構(gòu)特性、功能、關(guān)系、過程等）的物質(zhì)形式或思維形式的類似物。模型作為一種認(rèn)識手段和思維方式，是科學(xué)認(rèn)識過程中抽象化與具體化的辯證統(tǒng)一。建立模型的過程，是一個(gè)思維與行為相統(tǒng)一的過程。通過對科學(xué)模型的研究來推知客體的某種性能和規(guī)律，借助模型來獲取、拓展和深化對于客體的認(rèn)識的方法，就是科學(xué)研究中常用的模型方法。按照模型的表現(xiàn)形式可以分為物理模型、數(shù)學(xué)模型、結(jié)構(gòu)模型和仿真模型。物理模型也稱實(shí)體模型，又可分為實(shí)物模型，如DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型；類比模型，如《性狀分離比的模擬》實(shí)驗(yàn)中的彩球和小桶模型。教師在教學(xué)過程中制作的教具就是一種模型；我們?yōu)榱酥v述某個(gè)概念或者原理所列舉的實(shí)物也是一種模型。模型其實(shí)并不神秘，我們常常在用“它”，卻不知道“它”就是模型。其實(shí)只要用心思考，模型就可以“隨手拈來”。

那么，如何建立生物模型，如何在課堂上有效的使用模型，筆者從以下幾個(gè)方面做了探索。

一、第一，高中生物《遺傳與進(jìn)化》部分的內(nèi)容大多都是從分子水平對遺傳規(guī)律進(jìn)行研究，對于學(xué)生而言，染色體、DNA、基因這些物體無法用肉眼觀察到的微觀結(jié)構(gòu)非常抽象，很難在頭腦中建立直觀印象，所以對于這部分的內(nèi)容理解起來比較困難。此時(shí)我們運(yùn)用模型法就可以使這個(gè)問題迎刃而解。

例如：在遺傳計(jì)算題中，用配子法計(jì)算配子的基因頻率和子代基因型頻率，容易出現(xiàn)反復(fù)練反復(fù)錯(cuò)的現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于學(xué)生對生物個(gè)體內(nèi)基因的組成情況理解不清，所以在計(jì)算群體中配子的總數(shù)、配子的基因頻率等容易出錯(cuò)。例如高中生物必修2第115頁“思考與討論”。此處題目要求建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，但是我們可以先用一個(gè)物理模型來幫助學(xué)生理解后再建立數(shù)學(xué)模型。

這里我借鑒“性狀分離比的模擬”實(shí)驗(yàn)的模型來講解。用兩種不同顏色的小球來類比生物體內(nèi)的等位基因，將此題解讀為：該種群中每個(gè)個(gè)體攜帶兩個(gè)小球，綠色小球代表A基因，褐色小球代表a基因。攜帶有兩個(gè)綠色小球的個(gè)體為AA基因型；攜帶一個(gè)綠色，一個(gè)褐色小球的個(gè)體為Aa基因型；攜帶兩個(gè)褐色小球的為aa基因型。產(chǎn)生配子時(shí)，兩個(gè)小球會分開，最終形成的每個(gè)配子中只含有其中一個(gè)小球。所以，整個(gè)群體共產(chǎn)生兩種類型的配子，綠色和褐色。這樣，學(xué)生就會在頭腦中建立一個(gè)基因在個(gè)體和種群中分布的直觀影像。在這個(gè)基礎(chǔ)之上引導(dǎo)學(xué)生計(jì)算就很容易理解了。

如果親代基因型的頻率為：AA占30% ，Aa占60%，aa占10%。那么，

整個(gè)種群所擁有的小球總數(shù)是100%×2=200%，

親代綠色小球的概率=（30%×2+60%）/ 200%=60%

親代褐色小球的概率=（60%+10%×2）/ 200%=40%

子代個(gè)體同時(shí)拿到兩個(gè)綠色小球的概率=60%×60%=36%

子代個(gè)體同時(shí)拿到兩個(gè)褐色小球的概率=40%×40%=16%

子代個(gè)體同時(shí)拿到一個(gè)綠色小球和一個(gè)褐色小球的概率=60%×40%×2=48%

子代綠色小球的概率=（36%×2+48%）/ 200%=60%

子代褐色小球的概率=（48%+16%×2）/ 200%=40%

在這個(gè)模型的引導(dǎo)下，學(xué)生就能很容易地理解到基因分布的一般規(guī)律，從而得出計(jì)算結(jié)果和結(jié)論：

A基因的頻率=綠色小球出現(xiàn)的概率=60%

a基因的頻率=褐色小球出現(xiàn)的概率=40%

子代基因型頻率為：

AA=子代個(gè)體同時(shí)拿到兩個(gè)綠色小球的概率==36%

Aa=子代個(gè)體同時(shí)拿到一個(gè)綠色小球和一個(gè)褐色小球的概率=48%

aa=子代個(gè)體同時(shí)拿到兩個(gè)褐色小球的概率=16%

子代中：

A基因的頻率=子代綠色小球的概率=60%

a基因的頻率=子代褐色小球的概率=40%

所以，在五個(gè)假設(shè)條件基礎(chǔ)上，這一種群繁殖若干代以后，其基因頻率不會發(fā)生變化。

如果種群產(chǎn)生新的等位基因A2 則表示某些個(gè)體手中的小球變成了其他顏色，例如紅色。這樣，種群中的綠色或褐色小球的頻率會發(fā)生改變。同理，A或a 基因的頻率會發(fā)生變化。

引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建雙色小球模型，可以幫助學(xué)生把微觀對象具體化，更透徹地理解科學(xué)知識，從而鍛煉了學(xué)生的形象思維形式。

第二、，在講授《染色體變異》時(shí)，需要與基因突變進(jìn)行比較，學(xué)生對二者的變異結(jié)果混淆不清。這里也可以構(gòu)建模型來幫助學(xué)生理解。“同學(xué)們手拉手排成一列”這個(gè)模型代表在顯微鏡下觀察到的染色體：每個(gè)同學(xué)相當(dāng)于一個(gè)基因，一列同學(xué)就是一條染色體。這個(gè)模型構(gòu)建好以后，就可以啟迪學(xué)生們進(jìn)行思考了。

1、.教師問：“基因中的堿基相當(dāng)于同學(xué)體內(nèi)的什么結(jié)構(gòu)？為什么？”

學(xué)生答案：“細(xì)胞，因?yàn)槎际腔窘M成單位?！?/p>

2、.教師問：“基因突變就是DNA分子中發(fā)生堿基對的替換、增添和缺失，而引起的基因結(jié)構(gòu)的改變。該現(xiàn)象對應(yīng)到這一列同學(xué)上相當(dāng)于發(fā)生了什么樣的變化？”

學(xué)生答：相當(dāng)于是某個(gè)同學(xué)體內(nèi)的細(xì)胞變化、增添和缺失。

3、.教師問：這種變化，我們?nèi)庋勰苡^察到嗎？

學(xué)生答：觀察不到。

教師總結(jié)：基因突變在光學(xué)顯微鏡下也無法直接觀察到。

4、.教師問：同學(xué)甲體內(nèi)的某些細(xì)胞發(fā)生變化后，同學(xué)甲會不會就變成了同學(xué)乙或者丙？

學(xué)生答：不會，仍然是同學(xué)甲。

教師總結(jié)：基因突變本質(zhì)是基因內(nèi)部的變化，不改變?nèi)旧w上基因的數(shù)量及所處位置，只改變某一基因的結(jié)構(gòu)及表現(xiàn)形式，產(chǎn)生新基因（等位基因）。

5、.教師問：如果染色體結(jié)構(gòu)改變，例如，染色體中某一片斷缺失、增加、顛倒或者發(fā)生移接，相當(dāng)于是我們的一列同學(xué)中發(fā)生了什么樣的變化？

學(xué)生答：相當(dāng)于有個(gè)別同學(xué)缺失、增加、顛倒或者兩列同學(xué)之間交換某些同學(xué)。

6、.教師問：發(fā)生這樣的變換后，我們隊(duì)伍中的同學(xué)數(shù)目或排列順序會發(fā)生相應(yīng)改變。這種變換可以用肉眼觀察到。對應(yīng)到染色體上可以知道，染色體結(jié)構(gòu)的改變，會使排列在染色體上的基因的數(shù)目或排列順序發(fā)生改變，而導(dǎo)致性狀的變異。

教師總結(jié)：染色體結(jié)構(gòu)的變化是可以用顯微鏡直接觀察到的。同理，染色體數(shù)目的增減相當(dāng)于整體增加或是減少了一列或者N列同學(xué)，這種變化也是可以用顯微鏡直接觀察到的。

因?yàn)橐涣型瑢W(xué)或者同學(xué)個(gè)體內(nèi)的的變化情況是學(xué)生非常熟悉也容易想象的模型。同學(xué)們對這個(gè)模型很感興趣，思考異?；钴S。在這個(gè)模型的討論過程中，我們把握住節(jié)奏，一步步引導(dǎo)、啟迪，用模型鍛煉學(xué)生的邏輯思維能力。在模型的基礎(chǔ)之上推理出基因突變和染色體變異的相關(guān)內(nèi)容，有助于學(xué)生把要研究的現(xiàn)象、問題從紛繁復(fù)雜的交錯(cuò)關(guān)系中明確、清晰地顯示出來，使問題得以簡化和明確化，從而引導(dǎo)學(xué)生將模型方法轉(zhuǎn)化為自己的認(rèn)知模式，并建立科學(xué)的思維方法。

第三、，關(guān)于“細(xì)胞不能無限長大的原因”教材設(shè)計(jì)了觀察計(jì)算氫氧化鈉在含酚酞的瓊脂塊中的擴(kuò)散深度的實(shí)驗(yàn)來探究細(xì)胞的表面積與體積之比，與物質(zhì)運(yùn)輸效率之間的關(guān)系。這個(gè)實(shí)驗(yàn)科學(xué)性強(qiáng)、論證嚴(yán)密，可以很好地推導(dǎo)出結(jié)論：細(xì)胞體積越大，相對表面積越小，細(xì)胞的物質(zhì)運(yùn)輸效率就越低。但是，學(xué)生在記憶這個(gè)結(jié)論的時(shí)候容易出現(xiàn)偏差——細(xì)胞體積與相對表面積之間究竟是什么關(guān)系呢？如果直接回憶實(shí)驗(yàn)的推導(dǎo)過程，由于科學(xué)性較強(qiáng)，不易復(fù)制且耗時(shí)多——尤其在臨場考試時(shí)，心里一緊張，更容易出錯(cuò)。

這里我們可以利用一些隨手可得的物體來進(jìn)行類比。例如：粉筆盒。假設(shè)一個(gè)正方形的粉筆盒每一個(gè)面的面積為1個(gè)單位，則一個(gè)粉筆盒的表面積為6個(gè)單位。如果一個(gè)細(xì)胞的體積正好等于一個(gè)粉筆盒，那么兩個(gè)這樣大小的細(xì)胞的表面積就等于12 個(gè)單位。如果一個(gè)細(xì)胞的體積等于兩個(gè)粉筆盒大小，那么這個(gè)細(xì)胞的表面積就只有10個(gè)單位。以此類推可知，細(xì)胞體積與相對表面積之間成反相關(guān)。

這個(gè)樣的模型直觀形象，在解題過程中，即使結(jié)論記憶不清，也可以借鑒這個(gè)思路，臨時(shí)構(gòu)建粉筆盒模型來推理思考。這樣，只需要稍加思索就能得出正確結(jié)論。

在這個(gè)種模型的引導(dǎo)下學(xué)生還會自發(fā)地進(jìn)行發(fā)散式思維：平時(shí)我們買蘋果、梨這類需要去掉果皮的水果都喜歡挑個(gè)兒大的。原來這也是有科學(xué)依據(jù)的呀。水果的體積越大，果皮的相對面積就越小，對消費(fèi)者來講就越劃算呢。通過這個(gè)模型的引導(dǎo)，學(xué)生的思維極大程度地活躍，一方面體會到建立模型的重要意義，另一方面感受到發(fā)散式思維帶來的樂趣，為科學(xué)思維方式的建立打下了良好的基礎(chǔ)。

除此以外還有一些經(jīng)常會用到的模型，例如：

用粉筆來構(gòu)建中心體模型，每支粉筆代表一個(gè)中心粒，兩只粉筆在空間上垂直就代表一個(gè)中心體。

用手指來構(gòu)建一對姐妹染色單體模型：兩個(gè)食指彎曲，第二指關(guān)節(jié)靠在一起，代表一對姐妹染色單體。

電線構(gòu)建DNA雙螺旋模型：兩根電線反向螺旋纏繞表示DNA雙鏈反向平行的雙螺旋結(jié)構(gòu)。再用此模型進(jìn)行螺旋化，表示染色質(zhì)細(xì)絲高度螺旋化形成染色體狀態(tài)。

……

像這樣的事例還很多，我們身邊的一些物體或者事例都可以構(gòu)建成模型，用這些模型，我們可以更好地激活學(xué)生的思維，幫助學(xué)生在習(xí)得知識的同時(shí)建立科學(xué)的思維模式，從而真正做到“授人以漁”。

在模型法的運(yùn)用過程中，我也產(chǎn)生了一個(gè)疑問：可不可以用同一個(gè)模型來講解兩個(gè)不同的知識點(diǎn)？

例如，在講解氨基酸形成多肽鏈時(shí)，關(guān)于形成肽鍵數(shù)的計(jì)算問題，我運(yùn)用了和講授《染色體變異》時(shí)一樣的模型：N個(gè)同學(xué)手拉手排成一列——每個(gè)同學(xué)相當(dāng)于一個(gè)氨基酸，一列同學(xué)就是一條多肽鏈。把左手當(dāng)做氨基，右手則為羧基，手拉手的地方就是肽鍵。如果同學(xué)排成一條直鏈狀，那么手拉手的地方也就是肽鍵的數(shù)目就是N-1，如果同學(xué)圍成一圈，那么肽鍵的數(shù)目就是N。排成直鏈狀的一列同學(xué)一頭一尾有一只空閑的左手和一只空閑的右手；在一條鏈狀多肽鏈中，至少有一個(gè)游離的氨基和一個(gè)游離的羧基。用這個(gè)模型后，學(xué)生們對這個(gè)知識點(diǎn)豁然開朗。在完成習(xí)題時(shí)也會自覺的用到這個(gè)模型來幫助解題，完成效果非常好。

參考文獻(xiàn)：

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2.《聚焦思維》 人民教育出版社課程教材研究所 趙占良

3.《高中生物學(xué)新課程中的模型、模型方法及模型建構(gòu)》人民教育出版社課程教材研究所

4.《高中生物教材分析及教學(xué)建議》天津塘沽第一中學(xué) 孫國華

5.《模型在生物學(xué)中的應(yīng)用》浙江省縉云縣職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校 麻敏珍