高中生物教學建模的必要性初探

靳迪

模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對認識對象所作的一種簡化的概括性的描述，這種描述可以是定性的，也可以是定量的；有的借助于具體的實物或其他形象化的手段，有的則通過抽象的形式來表達?？v觀生物學科發(fā)展史，各種細胞器模型，DAN雙螺旋結(jié)構(gòu)，生物流動鑲嵌模型，生物群落增長曲線等等，不一而足，無不說明建模思想和方法在學科建設和知識普及中的重要性、時效性和必要性。下面就結(jié)合教學實際需要，談談本人有關(guān)建模的一點具體做法。

一、抓住本質(zhì)，突出主要特征

毋容置疑，氨基酸脫水縮合形成多肽，是高中生物教學的重點之一，也是主要難點之一。筆者分析認為，要讓學生掌握該過程，應讓學生在頭腦中建構(gòu)模型，使其對化學變化本質(zhì)有一定認識。眾所周知，化學變化的本質(zhì)，是通過電子轉(zhuǎn)移形成相對穩(wěn)定的化學鍵。于是筆者設計如下問題：

問題1、C元素為何是最基本元素？此問旨在讓學生明確C原子核外最外層有四個電子，能形成四個共價鍵，并由此可形成較長的C鏈及C環(huán)。

問題2、N、H、O等原子分別能形成幾個共價鍵？此問題旨在舉一反三，鞏固化學鍵的概念，同時為問題3做鋪墊。

問題3、羥基、羧基、氨基的結(jié)構(gòu)符合上述原理嗎？此問旨在讓學生在問題2的基礎上水到渠成地認識并理解該三種原子集團的合理性。

問題4、20種氨基酸的結(jié)構(gòu)符合上述原理嗎？此問有在問題3的基礎上引領學生認識并理解氨基酸的結(jié)構(gòu)，同時涉及到對氨基酸中可能出現(xiàn)的C鏈和C環(huán)的認可和理解。

問題5、你能用球棍模型來表示它們嗎？此問旨在通過物理模型鞏固化學模型，從而在學生頭腦中建立氨基酸分子的生物模型。

問題6、二肽結(jié)構(gòu)符合上述原理嗎？此問旨在讓學生根據(jù)前述原理探究脫水縮合的過程。

問題7、你能用球棍模型演示脫水縮合的過程嗎？此問主旨同問題5。

問題8、你能用任意兩個氨基酸組合出二肽、三肽乃至多肽的結(jié)構(gòu)嗎？此問也旨在舉一反三，讓學生運用上述原理解決復雜問題，鞏固認識。

在上例中，筆者首先抓住了化學變化的電子轉(zhuǎn)移之本質(zhì)，又配套運用化學結(jié)構(gòu)模型和物理模擬模型，從而使電子配對形成化學鍵的這一化學物質(zhì)結(jié)構(gòu)主要特征，逐步在學生頭腦中準確建模，這一看似簡單的做法，不僅較為輕易地突破了脫水縮合這一難點的教學，而且?guī)椭鷮W生在共同探討的過程中較為深刻地理解了生物變化和化學變化在本質(zhì)上的一致性——這一理解對后面DNA分子結(jié)構(gòu)、細胞呼吸、光合作用乃至基因工程技術(shù)的學習都大有裨益。

二、巧妙設計，剔除干擾因素

眾所周知，很好理解磷脂分子的分層排列，是掌握生物膜流動鑲嵌模型的基礎。人教版高中生物必修一的教材的做法是，以科學探究史告訴學生，細胞膜中的磷脂分子必然排列為連續(xù)的兩層，并簡要提出，磷脂分子頭部親水而尾部疏水，然后讓學生加以推導。很明顯編者的處理是較為恰當和符合新課標要求的。但實踐表明，由于學生對疏水性和親水性這一對概念的模糊認識，導致該推理過程勉強而不牢固。又由于磷脂分子的分層排列過于微觀，學生無法直接觀察，所以，教師通常的做法是運用多媒體課件模型來輔助教學。但筆者認為，本節(jié)科學史內(nèi)容較多，用多媒體呈現(xiàn)后必然帶來視覺疲勞，再加上多媒體課件模型因其只能觀察而不能動手體驗，使其對該問題的解決存在很多局限，并且，很多教室是沒有多媒體設備的，所以為學生著想，筆者運用類比建模思維，將物理學科教學中常用的磁體引入生物教學的模型制作，很好地解決了上述問題，具體做法如圖所示：

在中間開圓口的圓形紙板中央圓口中放上若干U形磁鐵，N極（用黑色表示）一律對外。在圓紙板外圍放上若干條形磁鐵，N極（用黑色表示）一律對準圓紙板中心。

將若干小磁針在紙板上如圖中左上角位置那樣擺放成兩排（可成兩同心圓周），問小磁針的N極（黑色）將如何指向？原因是什么呢？學生猜想后，由教師按上述要求擺放小磁針，學生觀察結(jié)果。

用雙面膠在每個小磁針上貼上事先準備好的磷脂模型紙片（如圖右下角所示），讓學生觀察其排列特點。

設問假如把圓紙板內(nèi)外的N極（黑色）分別看成是細胞內(nèi)外水的環(huán)境，那磷脂分子也能如圖所模擬的那樣排列嗎？

讓學生親手撥動模型中的表示磷脂的紙片，觀察起擺動和最終靜止方向，并運用磷脂分子特性來解釋原因。

本例中，筆者通過與磁極間的相互作用類比的這一模型的設計，使學生在饒有興趣的直觀教學中，體會了磷脂分子的親水與疏水特性，并觀察到磷脂雙分子層的排列。有必要說明的是，該模型的設計巧妙之處在于，筆者有意將小磁針和磷脂紙片同時呈現(xiàn)在該模型上，從而有效避免了學生因為從物理規(guī)律過渡到生物特性而產(chǎn)生過多的思維干擾過程。

三、篩選提煉，從生活中引模

“落紅不是無情物，化作春泥更護花”，此為教材中最為經(jīng)典的導入語，它不單創(chuàng)造了意境，引發(fā)了興趣，更重要的是它非常形象地闡釋了物質(zhì)循環(huán)的規(guī)律。有鑒如此，我們可以從生活語言中篩選提煉出有價值的東西，作為闡釋生物現(xiàn)象和規(guī)律的模型。如運用“竹籃子打水一場空”的諺語，將植物細胞壁類比于竹籃子，就輕松地解決了質(zhì)壁分離教學中學生對其伸縮性小并具全透性特點認識不清的問題；演示一下“鑰匙開鎖”，就輕易地解釋了酶和底物的契合作用；講一下“魔鬼和瓶子”的故事，再用瓶子、瓶身、瓶蓋和進出瓶子的魔鬼分別來類比ATP、ADP、Pi和能量，就輕巧地闡明了ATP和能量的關(guān)系；可見，引入這類簡單明了卻有趣又有效的模型的，對教學是有事半功倍之效的。所以，我們應該注意做有心人，隨時隨地從生活寶庫中開發(fā)輔助教學的新資源。