淺析科學(xué)思維與模型構(gòu)建的關(guān)系

四川省都江堰市青城山高級(jí)中學(xué) 蔡亞麗

《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(dòng)地獲取生物科學(xué)知識(shí)、領(lǐng)悟科學(xué)研究方法而進(jìn)行的各種活動(dòng)。這些活動(dòng)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(shí)，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(shí)作為課程目標(biāo)之一，并在內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)或活動(dòng)建議部分做了具體的規(guī)定。這是我國(guó)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(shí)。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。

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)特征的物質(zhì)形式或思維形式的類似物。模型作為一種認(rèn)識(shí)手段和思維方式,是科學(xué)認(rèn)識(shí)過(guò)程中抽象化與具體化的辯證統(tǒng)一。建立模型的過(guò)程，是一個(gè)思維與行為相統(tǒng)一的過(guò)程。通過(guò)對(duì)科學(xué)模型的研究來(lái)推知客體的某種性能和規(guī)律，借助模型來(lái)獲取、拓展和深化對(duì)于客體的認(rèn)識(shí)的方法,就是科學(xué)研究中常用的模型方法。

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。

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(duì)遺傳規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)于學(xué)生而言，染色體、DNA、基因這些物體無(wú)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(duì)于這部分的內(nèi)容理解起來(lái)比較困難。此時(shí)我們運(yùn)用模型法就可以使這個(gè)問(wèn)題迎刃而解。

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(duì)二者的變異結(jié)果混淆不清。這里也可以構(gòu)建模型來(lái)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.師：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？

生：細(xì)胞，因?yàn)槎际腔窘M成單位。

2.師：基因突變就是DNA分子中發(fā)生堿基對(duì)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(duì)應(yīng)到這一列同學(xué)上相當(dāng)于發(fā)生了什么樣的變化？

生：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.師：這種變化，我們?nèi)庋勰苡^察到嗎？

生：觀察不到。

教師總結(jié)：基因突變?cè)诠鈱W(xué)顯微鏡下也無(wú)法直接觀察到。

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

生：不會(huì)，仍然是同學(xué)甲。

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.師：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？

生：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.師：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(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。這種變換可以用肉眼觀察到。對(duì)應(yīng)到染色體上可以知道，染色體結(jié)構(gòu)的改變，會(huì)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。

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。

第三，關(guān)于“細(xì)胞不能無(wú)限長(zhǎng)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(lái)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(duì)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(duì)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(guò)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(chǎng)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(lái)進(jìn)行類比。這樣的模型直觀形象，在解題過(guò)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(lái)推理思考。這樣，只需要稍加思索就能得出正確結(jié)論。

在這種模型的引導(dǎo)下學(xué)生還會(huì)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(lái)這也是有科學(xué)依據(jù)的呀。通過(guò)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(huì)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(lái)的樂(lè)趣，為科學(xué)思維方式的建立打下了良好的基礎(chǔ)。

在模型法的運(yùn)用過(guò)程中，我也產(chǎn)生了一個(gè)疑問(wèn)：可不可以用同一個(gè)模型來(lái)講解兩個(gè)不同的知識(shí)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(wèn)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(duì)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)豁然開(kāi)朗。在完成習(xí)題時(shí)也會(huì)自覺(jué)的用到這個(gè)模型來(lái)幫助解題，完成效果非常好。