淺析美國中學生物教科書中的幾個模型構建

劉成權

模型是用來顯示復雜事物或過程的表現手段，如圖畫、圖表、計算機圖象等。建立模型可幫助學生理解生命活動的復雜性，學會研究生物學的科學方法。生物學上通常構建的模型分三種：物理模型、概念模型、數學模型。物理模型常用來代表非常龐大或者極其微小事物的三維結構，如細胞的細微結構、DNA分子的雙螺旋結構、生物膜的流動鑲嵌結構；概念模型一般用描述性文字表達抽象的過程，使學生建立某些流程，如血糖平衡的調節(jié)；數學模型是借助數學方程或曲線表示某些生物數量的變化規(guī)律，如“J”、“S”型種群數量變化曲線、符合孟德爾遺傳定律的子代性狀分離比等。在《普通高中生物課程標準》中也提出了“嘗試建立真核細胞的模型、制作DNA分子雙螺旋結構模型、建立血糖調節(jié)的模型”等模型構建。本文著重分析美國中學教科書中的幾個新穎的模型構建活動，以促進教學中新課程的實施。

1 做出正確的預測

1.1 知識背景

通過孟德爾關于一對性狀的豌豆雜交實驗，學生已經掌握了運用棋盤法和概率的方法來預測子代的基因型和表現型。在自然界，親代雜交產生子代的時間一般都比較長，學生不能在實驗室看到此實驗的全過程。

（1） 活動目的：建立一個遺傳雜交實驗模型，并對結果作出預測。

（2） 活動器材：2個小紙帶、記事本、3個藍色小球、3個白色小球。

（3） 活動步驟：① 在2個紙帶上分別標上“袋1，母本”、“袋2，父本”，然后閱讀以下三個部分的內容，并預測每次雜交后將產生的子代類型。

第一部分：兩個純合親本的雜交。

② 把下面的記錄表抄在筆記本上，編號為表1。然后在袋1中放入2個藍色小球。這對小球表示母本的等位基因組合。假定藍色由顯性等位基因控制，用大寫字母“B”表示。

③ 在袋2中放入2個白色小球，表示父本的等位基因組合。用小寫字母“b”來表示隱性的白色等為基因。

④ 不向袋子里看，從袋1中隨機摸出一個小球。把結果記在表中，然后把球放回袋1中。以同樣方式從袋2中摸出一個小球，記錄結果，再把球放回袋2中。

⑤ 如果拿出的兩個小球都是藍色，就在“子代的等位基因組合”一欄寫上“BB”；如果兩球都是白色，則寫上“bb”；如果是一藍一白，則寫上“Bb”。

⑥ 再將步驟4和5重復幾次。

第二部分：純合親本與雜合親本的雜交

⑦ 把兩個藍色小球放在袋1中，把一個藍色和一個白色的小球放在袋2中。再畫一張記錄表，編號為表2。

⑧ 將步驟4和5重復10次。

第三部分：兩個雜合親本的雜交

⑨ 在袋1和袋2中均放一藍一白兩個小球。然后再畫一張記錄表，編號為表3。

⑩ 將步驟4和5重復10次。

（4） 分析：

① 對第一到第三部分中所模擬的雜交實驗各作出一個棋盤法圖解。

② 根據你在第一部分中獲得的結果，當純合親代（BB和bb）雜交時，預測會產生多少種不同類型的子代？你用小球模型得到的結果一致嗎？有什么啟迪呢？

③ 根據第二部分的結果，當純合親代（BB）與雜合親代（Bb）雜交時，子代是純合的或是雜合的百分比各是多少？和棋盤法分析出的結果一致嗎？

④ 根據第三部分的結果，當兩個雜合親代（Bb×Bb）雜交時，產生的子代可能會有哪幾種不同的類型？產生每種后代的可能性各占多少百分比？模型得出的結果和棋盤法計算出的一致嗎？

⑤ 在第三部分中，如果你重復的次數不是10次而是100次，你的結果是否會更接近棋盤法得出的結果？說說理由。

⑥ 小球模型與棋盤法相比，哪一種方法更好？兩種方法各有什么異同點？

1.2 評析

本實驗模型遵循了化抽象為具體的原則，把遺傳過程轉化為直觀的簡單問題，步驟④、⑤培養(yǎng)了學生模擬生物受精作用過程的能力。問題①將實驗過程上升到理論解釋水平，實踐與理論相結合，加深理解，培養(yǎng)學生思維能力，使學生知道分析模型與實際遺傳之間的聯系；問題③、④通過思考實驗結果與棋盤法的理論值是否一致，體會“概率”一詞的深刻含義，認識到數學對于生物學的重要作用，體現各學科知識與方法具有交叉性；問題⑤通過實際操作，讓學生從感性認識上升到理性認識，理解遺傳學上“精卵細胞隨機結合”情況下統計的子代數越多，越接近真實值的事實。

2 大自然在選擇

2.1 知識背景

現代進化理論認為種群是進化的基本單位。進化的實質是種群基因頻率發(fā)生變化的過程。變異為進化提供了原材料，它是不定向的，而自然選擇是定向的，選擇適合自然界的生物，淘汰不能適應環(huán)境的生物。這是長期積累的過程，非幾代生物就能看出進化結果。

（1） 活動目的：理解自然選擇怎樣使一個物種發(fā)生演化，在自然選擇時遺傳和環(huán)境因素如何共同對物種起作用的。

（2） 活動器材：剪刀、記號筆、兩張不同顏色的硬紙板

第一部分：在白色沙丘的環(huán)境中

①先將老鼠卡混勻。

②然后用這些卡片來模擬一群老鼠在白色沙丘的環(huán)境中生活的情況。隨機抽出兩張老鼠卡。如果抽到的是“WW”或“Ww”，則表示一只白色的老鼠；如果是“ww”則表示一只褐色的老鼠。請在記錄表中用劃“正”字來記下老鼠的顏色。

③再抽取一張事件卡。根據表中含義確定②步驟中老鼠的死活。在記錄表中劃“正”字記錄每一只死去老鼠的顏色。

④如果這只老鼠存活，就把這兩張老鼠卡歸入“活老鼠”的一組，如果死亡，就把卡片歸入“死老鼠”的一組。然后把這張事件卡放到整疊事件卡的最下面。

⑤用剩下的老鼠卡重復步驟②到④，這些實驗的結果表示第一代老鼠的存活情況，記錄你的結果。

⑥“死老鼠”的卡放在一邊不用，把“活老鼠”的卡重新混在一起。把事件卡也重新混勻。

⑦重復步驟②到⑥，這次試驗的結果表示第二代老鼠的存活情況。然后再重復②到⑤，研究第三代老鼠的存活情況。

第二部分：在褐色林地的環(huán)境中

⑧如果模型中的老鼠在深褐色的林地上，結果會有什么不同？在筆記本上寫下你的預測。

⑨重新抄一張記錄表，然后再用卡片來驗證你的預測。請記住這次“C”卡表示只有白色老鼠會死亡。

（4）分析：

①在第一部分中，每一代各有幾只白色老鼠，幾只黑色老鼠？在每一代中，哪種顏色的老鼠的死亡率更高？

②如果第一部分實驗中發(fā)生的事件在自然界是真實的，那么經過一段漫長的時間后，這群老鼠將會有怎樣的變化？

③第二部分的結果與第一部分的結果有什么不同？

④這次實驗從哪幾方面模擬了自然選擇過程？又有哪些方面與自然選擇有區(qū)別？

⑤如果你增加“C”卡的數量，會對模型造成什么樣的影響？如果減少“C”卡的數量呢？

2.2評析

本模型的構建有助于理解自然選擇的本質及過程，學生以小組為單位，通過合作學習、結果分析，理解現代進化理論的精髓。問題的設置加深學生的思考，培養(yǎng)了思維能力。問題①讓學生學會統計實驗結果。問題②將實驗模型與自然界實際情況聯系，理解環(huán)境因素對生物種群的選擇，導致基因頻率定向改變。問題③體會選擇是定向的，環(huán)境不同選擇的結果不一樣。問題④將實驗實踐與進化理論聯系，加深對理論的理解。問題⑤訓練嚴謹的思維，培養(yǎng)學生建模時注意細節(jié)的能力。

此模型的設計新穎，充分將遺傳知識和進化知識聯系在一起，使學生“做中學”，培養(yǎng)通過建模來理解理論的能力。

3 廣口瓶里的世界

3.1 知識背景

生態(tài)系統是由生物群落與它的無機環(huán)境相互作用而形成的統一整體。群落中生物與生物之間的關系多樣，有斗爭、互助、捕食、競爭、寄生、互利共生等。生物依賴一定的無機環(huán)境才能生存，同時又影響環(huán)境。本模型體會生態(tài)系統中的各生物之間關系和生物與環(huán)境之間的關系，理解維護生物圈1號穩(wěn)定性對人類生存和發(fā)展有重要作用。

（1）建模目的

理解生物如何在一個封閉的生態(tài)系統中生存

（2）材料

水族箱的沙礫、米尺、塑料攪拌棒、長柄的撈魚網、存放兩天的自來水、4顆水生植物、2條虹鳉魚、4只小田螺、1只約2L容量的有蓋子的廣口瓶、1只60瓦燈泡

（3）步驟

①將虹鳉魚、田螺、一些植物一起放在一個盛有水的封閉的廣口瓶里。這個生物棲息地能否滿足這些生物的生存需要？記下你的預測。

②找一個安全的地方，這個地方應該是遠離窗門，光線和溫度不會經常變化的。在它的附近應該有一個插座，以便可以使用燈泡照明。

③加一些水族箱里的沙礫到廣口瓶里，厚度3 cm左右；再加一些水，水位離瓶口6 cm左右。

④在廣口瓶里種一些水生植物。

⑤用長柄的撈魚網小心地把虹鳉魚放入水中，然后，再輕輕地把田螺也放入瓶中，蓋緊瓶蓋。

⑥放好燈泡的位置，以便使燈光能照到廣口瓶里。燈泡離廣口瓶的距離為15~20 cm。

⑦每天觀察這個瓶子，并在筆記本上記下每天的觀察結果。

⑧5 d時間里，這只瓶子里的水會慢慢地變綠。綠顏色說明有水藻在生長。如果水變成深綠色，就把燈泡遠離瓶子。如果5 d后，水還沒有變成綠色，可把燈泡移近瓶子。記下燈泡位置調整后的任何變化。

⑨對這只廣口瓶至少再觀察一個多星期。

（4）分析

①在廣口瓶生態(tài)系統中，哪些是生物因素，哪些是非生物因素？

②一些生物和非生物因素能否進入這個封閉的瓶子？如果能，有哪些？

③這些綠色的藻類是從哪里來的？

④畫一張瓶內生物和非生物因素相互作用的關系圖表。

⑤虹鳉魚、田螺和水生植物能在分開的瓶子里單獨生存嗎？為什么？

⑥說明你的廣口瓶和瓶中的東西是如何模擬一個生態(tài)系統的？你的生態(tài)系統模型和地面生態(tài)系統有哪些不同？

3.2 評析

生態(tài)系統的穩(wěn)定性是其結構和功能發(fā)展協調的重要標志。生態(tài)系統的穩(wěn)定程度，則取決于它的物種組成、營養(yǎng)結構和非生物因素之間的協調關系。問題①識別此淡水生態(tài)系統中生物因素和非生物因素，認識此系統的營養(yǎng)結構。問題②理解生態(tài)系統相對的穩(wěn)定性，對于穩(wěn)定的生態(tài)系統，存在物質循環(huán)，而能量必須從外界攝入。問題③鍛煉學生的觀察能力和思維能力。問題④、⑤培養(yǎng)學生聯系實際分析問題的能力，從相互關系入手，加深學生對生態(tài)系統概念的理解。

通過以上幾例模型構建，幫助學生理解抽象的科學理論，豐富學生對科學本質的認識，發(fā)展學生觀察、分析、比較、操作等能力。教師要充分利用模型構建的方法，通過有效教學，提高學生科學素養(yǎng)，達成課程標準的要求。

參考文獻：

［１］ 帕迪利亞．Science Explorer Cells and Heredity（細胞和遺傳）．［M］.杭州：浙江教育出版社，2006：94—95，146—147.

［2］ 中華人民教育部．普通高中生物課程標準［M］．北京：人民教育出版社,2003.