模型建構(gòu)在高中生物課程中的應(yīng)用

馮 珠

模型建構(gòu)是一種重要的科學(xué)方法，也是高中生物新課程中首次提出要求重視的一種能力。人教版新教材含有豐富的模型建構(gòu)的素材。筆者結(jié)合這套教材，對(duì)如何建構(gòu)模型進(jìn)行了積極的嘗試。[1]

一、解讀模型和模型建構(gòu)的價(jià)值

該套教材對(duì)模型的定義是：“模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對(duì)認(rèn)識(shí)對(duì)象所做的一種簡(jiǎn)化的描述，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(shí)物或其他形象化的手段，有的則通過(guò)抽象的形式來(lái)表達(dá)?！本唧w包括物理模型、數(shù)學(xué)模型、概念模型。物理模型通過(guò)借助實(shí)物或圖畫(huà)來(lái)描述對(duì)象特征，數(shù)學(xué)模型和概念模型則需要用抽象的形式表達(dá)對(duì)象特征，前者用數(shù)學(xué)表達(dá)式，后者用文字和連接線(xiàn)等。概念模型旨在清楚呈現(xiàn)相關(guān)概念間的邏輯關(guān)系，如基因表達(dá)中遺傳信息的傳遞模型。

高中生物課程中的模型建構(gòu)活動(dòng)，是根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)，為學(xué)生學(xué)習(xí)具體生物學(xué)內(nèi)容而進(jìn)行的建立模型的活動(dòng)，它與科學(xué)研究中的建立模型不完全等同。高中生物學(xué)課程中的模型建構(gòu)活動(dòng)，其主要價(jià)值是讓學(xué)生通過(guò)嘗試建立模型，獲得或鞏固有關(guān)生物學(xué)概念，體驗(yàn)建立模型過(guò)程中的思維過(guò)程，并領(lǐng)悟模型方法。[2]

二、模型建構(gòu)在教學(xué)中的實(shí)踐

(一)通過(guò)構(gòu)建模型掌握新概念

就“基因的表達(dá)”這部分內(nèi)容來(lái)說(shuō)教學(xué)的難點(diǎn)就是眾多的概念，有以前學(xué)過(guò)的概念：基因、DNA和RNA的結(jié)構(gòu)，遺傳信息，脫水縮合；有待學(xué)習(xí)的概念：轉(zhuǎn)錄、翻譯、密碼子、反密碼子、tRNA、RNA聚合酶。概念的集中出現(xiàn)會(huì)使學(xué)生“消化不良”。在構(gòu)建物理模型的過(guò)程中，若能合理安排這些概念的出場(chǎng)順序，再通過(guò)動(dòng)手操作，表達(dá)交流，掌握這些新概念可以事半功倍。[3]

現(xiàn)就“轉(zhuǎn)錄”過(guò)程，談?wù)劸唧w的教學(xué)策略：

1.回憶之前學(xué)過(guò)的概念：先通過(guò)填表完成DNA和RNA結(jié)構(gòu)和組成的比較，為后續(xù)轉(zhuǎn)錄的原則和需要的原材料做好鋪墊。然后通過(guò)圖片比較RNA的三種不同類(lèi)型。

2.播放轉(zhuǎn)錄過(guò)程的視頻，借助視頻這種物理模型生成轉(zhuǎn)錄的動(dòng)態(tài)過(guò)程，然后截取轉(zhuǎn)錄過(guò)程中間的圖片，拋出問(wèn)題：(1)找出轉(zhuǎn)錄的模板、原料、產(chǎn)物、酶；(2)確定轉(zhuǎn)錄的方向；(3)該過(guò)程的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)問(wèn)題的研究，學(xué)生對(duì)轉(zhuǎn)錄的模型有了較深層的理解。

3.學(xué)習(xí)小組成員合作，利用磁性貼剪出的各部件以及水筆在磁性白板上模擬轉(zhuǎn)錄的過(guò)程，構(gòu)建轉(zhuǎn)錄的物理模型。然后教師組織學(xué)生展示本組構(gòu)建的模型并做簡(jiǎn)要的說(shuō)明。展示中學(xué)生會(huì)暴露對(duì)概念理解的偏差或錯(cuò)誤，通過(guò)大家的討論、交流，糾正錯(cuò)誤，修正模型。修正模型的過(guò)程其實(shí)就是再次理解概念的過(guò)程。

上述學(xué)習(xí)綜合運(yùn)用了視頻、圖片、實(shí)物這些物理模型，他們各有優(yōu)勢(shì)。視頻在展示動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)有效性最高，圖片則更利于仔細(xì)分析問(wèn)題，實(shí)物構(gòu)建則強(qiáng)調(diào)動(dòng)手動(dòng)腦，反饋對(duì)對(duì)象的認(rèn)識(shí)。這三種物理模型從不同側(cè)重點(diǎn)，幫助學(xué)生掌握了轉(zhuǎn)錄過(guò)程中出現(xiàn)的新概念，組間交流更是在語(yǔ)言表達(dá)上對(duì)這些概念進(jìn)行了復(fù)習(xí)。因此學(xué)生對(duì)轉(zhuǎn)錄中出現(xiàn)的概念建立起相應(yīng)的聯(lián)系，自然就 “水到渠成”了！

(二)通過(guò)構(gòu)建模型領(lǐng)悟和運(yùn)用模型方法

在教學(xué)中我們往往重視對(duì)模型結(jié)論的運(yùn)用，而忽視了模型方法的傳授。其實(shí)，“授之以魚(yú)不如授之以漁”， 掌握了模型方法才擁有認(rèn)識(shí)世界的工具。所謂模型方法就是抓住原型的本質(zhì)特征，舍去一些次要的細(xì)節(jié)，以簡(jiǎn)化和理想化的形式再現(xiàn)原型。思維方法上遵循化繁為簡(jiǎn)的原則，目的在于把復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為理想的簡(jiǎn)單問(wèn)題。下面以“種群數(shù)量的變化”一課為例談?wù)勀Ｐ头椒ǖ慕虒W(xué)策略。

1.模型準(zhǔn)備

控制有害細(xì)菌繁殖可防止疾病發(fā)生，但需首先要找出細(xì)菌增殖的規(guī)律。

2.模型假設(shè)

(展示細(xì)菌的繁殖圖)影響細(xì)菌增殖的因素有很多，所有因素一起考慮較復(fù)雜，假設(shè)“在理想環(huán)境條件下，即資源和空間無(wú)限的環(huán)境中，細(xì)菌的增殖不受種群密度增加的影響，一直以二分裂方式增殖, 且每20分鐘繁殖一代”。試推算不同時(shí)間內(nèi)一個(gè)細(xì)菌的繁殖情況，完成表格。這個(gè)假設(shè)是對(duì)研究對(duì)象的一種簡(jiǎn)化,這是模型方法的基本思想體現(xiàn)。

時(shí)間(分鐘)20406080100120140160180細(xì)菌數(shù)量

N表示細(xì)菌數(shù)量，n表示繁殖產(chǎn)生細(xì)菌的代數(shù)，寫(xiě)出n代細(xì)菌數(shù)量的計(jì)算公式。同時(shí)根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，以時(shí)間為橫軸，以數(shù)量為縱軸，畫(huà)出細(xì)菌種群數(shù)量增長(zhǎng)的曲線(xiàn)。

3.模型建立

學(xué)生得出數(shù)學(xué)公式： N=2n。進(jìn)一步討論：能不能根據(jù)細(xì)菌增長(zhǎng)的方程式推導(dǎo)成一個(gè)反映一般的種群和細(xì)菌種群增長(zhǎng)類(lèi)似的種群增長(zhǎng)的方程式？Nt表示t時(shí)間后該種群的數(shù)量。種群的起始數(shù)量不是1而是以N0表示起始數(shù)量。每繁殖一代的時(shí)間是確定的，用t表示為時(shí)間。每經(jīng)過(guò)一個(gè)繁殖期后，子代種群數(shù)量是原來(lái)的λ倍為年均增長(zhǎng)率。

圖1 細(xì)菌種群的增長(zhǎng)曲線(xiàn)圖

學(xué)生討論完成，并展示成果。(Nt=N0λt)

4.模型檢驗(yàn)

已經(jīng)建立的模型需要實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。課前安排興趣小組做酵母菌的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。由小組成員匯報(bào)實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果：使用提純的酵母菌種群放在50ml的燒杯中，用肉湯培養(yǎng)液培養(yǎng)，每天定時(shí)進(jìn)行觀察并記數(shù)、作好記錄，記錄后馬上分裝到更大的容器中，并添加新的肉湯培養(yǎng)液，連續(xù)記錄6天，結(jié)果如下表:

時(shí)間第一天第二天第三天第四天第五天第六天個(gè)數(shù)10016027842812082100

展示根據(jù)以上數(shù)據(jù)繪制的曲線(xiàn)圖。

根據(jù)比對(duì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和假設(shè)不謀而合，說(shuō)明假設(shè)是正確的。當(dāng)然，若結(jié)果和假設(shè)不符，則需重新假設(shè)，重新論證。我們可以總結(jié)種群“J”型增長(zhǎng)的模型構(gòu)建過(guò)程：觀察對(duì)象，提出問(wèn)題→簡(jiǎn)化對(duì)象，提出假設(shè)→表達(dá)對(duì)象，構(gòu)建模型→實(shí)驗(yàn)對(duì)象，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

5.模型完善

(1)自然界影響種群增長(zhǎng)的因素很多，那么其增長(zhǎng)規(guī)律會(huì)有何不同呢？坐標(biāo)圖呈現(xiàn)高斯培養(yǎng)草履蟲(chóng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這和剛才的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有何不同？什么因素導(dǎo)致了這些差異？

我們把理想狀態(tài)下種群增長(zhǎng)模型稱(chēng)為“J”型曲線(xiàn)。自然狀態(tài)下的種群增長(zhǎng)模型稱(chēng)為“S”型曲線(xiàn)。師生共同分析討論，比較這兩種數(shù)學(xué)模型：

項(xiàng)目J型增長(zhǎng)曲線(xiàn)S型增長(zhǎng)曲線(xiàn)模型假設(shè)食物和空間條件充裕、氣候適宜、沒(méi)有敵害等(即理想的環(huán)境條件)有限的環(huán)境條件建立模型Nt=N0λtK為環(huán)境容納量種群增長(zhǎng)率不變下降

(2)在有限的環(huán)境條件下，種群數(shù)量最后是不是能穩(wěn)定地維持在K值呢？(看圖：東亞飛蝗種群數(shù)量的變化)學(xué)生討論得出：在自然界，影響種群數(shù)量的因素很多，如氣候、食物、天敵、傳染病等，因此，大多數(shù)種群的數(shù)量總是在波動(dòng)中。有的是不規(guī)則波動(dòng)，有的是周期性波動(dòng)。

(3)閱讀課文“鯊魚(yú)的種群數(shù)量變化”。學(xué)生討論得出：種群數(shù)量下降，原因是海洋環(huán)境的改變，還有主要原因是人的捕獲量越來(lái)越大。隨著人口的增長(zhǎng)，科技水平的提高，人類(lèi)活動(dòng)范圍的擴(kuò)大，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然界中群數(shù)量變化的影響越來(lái)越大，有時(shí)候甚至成為決定性的因素。

6.模型應(yīng)用

討論：對(duì)于家鼠等有害動(dòng)物我們應(yīng)采取什么措施？對(duì)于大熊貓、華南虎等珍稀動(dòng)物，我們又應(yīng)采取什么措施？這些措施實(shí)際上是影響了種群增長(zhǎng)的什么方面？

綜上所述，我們不難發(fā)現(xiàn)，構(gòu)建模型的過(guò)程就是一個(gè)科學(xué)探究的過(guò)程?！按竽懠僭O(shè)，小心求證”的科學(xué)思維貫穿其中。建模過(guò)程中以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)。教師通過(guò)設(shè)立有效的提問(wèn)，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)探究的能力及團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。

[1]汪忠，等.高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))解讀[Z].南京：江蘇教育出版社，2004.

[2]趙占良.人教版高中生物課標(biāo)教材中的科學(xué)方法體系[J].中學(xué)生物教學(xué)，2007(3).

[3]張新海，梁厚芝.試論高中生物生物教學(xué)中的建模策略[J].學(xué)周刊理論與實(shí)踐，2015(9)：136.