例談高中生物教學(xué)中物理模型的構(gòu)建

石玲華

[摘? ?要]物理模型的最大優(yōu)點(diǎn)是形象直觀，能夠?qū)⑽⒂^的物質(zhì)、動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程更加形象地呈現(xiàn)出來(lái)。在構(gòu)建物理模型的過(guò)程中，應(yīng)遵循“先大后小，先簡(jiǎn)單后復(fù)雜”的原則，從表面到內(nèi)部，從框架到細(xì)節(jié)逐步構(gòu)建，同時(shí)教師要正確引導(dǎo)。

[關(guān)鍵詞]物理模型;高中生物;三維結(jié)構(gòu)模型

[中圖分類號(hào)]? ? G633.91? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2019）02-0092-02

《高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》明確要求：“領(lǐng)悟建立模型等科學(xué)方法及其在科學(xué)研究中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的建模思維和建模能力”。模型是針對(duì)特定目的知識(shí)的簡(jiǎn)化描述，其有多種形式，包括物理模型、概念模型、數(shù)學(xué)模型等。其中，物理模型是指依據(jù)相似原理，將實(shí)物按照一定的比例縮放成一個(gè)模型，其狀態(tài)變量與原物是一致的，但可以模擬事物的性質(zhì)和功能，更生動(dòng)地解釋生物現(xiàn)象與規(guī)律。物理模型的最大優(yōu)點(diǎn)是形象直觀，能夠使微觀的物質(zhì)、動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程更加形象地呈現(xiàn)出來(lái)。在高中生物教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生親自動(dòng)手構(gòu)建物理模型，可使書本上單純的文字描述變得更加生動(dòng)，使知識(shí)更加容易掌握。

一、物理模型的構(gòu)建

1.構(gòu)建細(xì)胞器的三維結(jié)構(gòu)模型

在高中生物教材中，典型的物理模型有DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型、細(xì)胞膜流動(dòng)鑲嵌模型和細(xì)胞分裂橡膠泥模型。在實(shí)際生物教學(xué)中，教師不妨選取一些簡(jiǎn)單的模型，安排學(xué)生進(jìn)行建模訓(xùn)練，以加深學(xué)生對(duì)生物概念的理解。

例如，在“幾種細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)和功能”的教學(xué)中，教師可要求學(xué)生仿照教材中的圖片，利用橡皮泥、可樂(lè)瓶、乒乓球等器材來(lái)構(gòu)建細(xì)胞器模型。在教師的指導(dǎo)下，有一組學(xué)生構(gòu)建的是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)模型，他們將橡皮泥壓平后制作成褶皺的形狀，再在模型上噴上色彩，這樣簡(jiǎn)單的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)模型就構(gòu)建成了。通過(guò)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)模型的構(gòu)建，學(xué)生認(rèn)識(shí)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是由生物膜構(gòu)成的相互連接的層狀間質(zhì)或由管狀系統(tǒng)構(gòu)成的單層膜褶皺。在學(xué)生構(gòu)建內(nèi)質(zhì)網(wǎng)模型時(shí)，教師可將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能、特性介紹給學(xué)生，如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是有機(jī)物的合成“車間”，也是蛋白質(zhì)運(yùn)輸?shù)耐ǖ馈＝處煏?huì)驚奇地發(fā)現(xiàn)，學(xué)生認(rèn)識(shí)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是蛋白質(zhì)運(yùn)輸?shù)耐ǖ?，于是他們?huì)在所構(gòu)建的橡皮泥模型上扎很多個(gè)小孔，這就是學(xué)生思維火花迸發(fā)的成果。為了提升生物教學(xué)的系統(tǒng)性，教師往往繼續(xù)要求學(xué)生進(jìn)一步深入研究，將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的高爾基體和核膜的相關(guān)物理模型也構(gòu)建出來(lái)。通過(guò)對(duì)物理模型的構(gòu)建，學(xué)生對(duì)生物知識(shí)有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，課堂氛圍也得到了活化。

2.構(gòu)建真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型

“嘗試制作真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型”的教學(xué)要點(diǎn)是：通過(guò)對(duì)真核細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)模型的制作，分析科學(xué)家的建模過(guò)程，親身體驗(yàn)構(gòu)建真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型的過(guò)程。本節(jié)課，教師旨在引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建真核細(xì)胞模型，使學(xué)生能夠全面地掌握細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)和功能，加深對(duì)細(xì)胞的認(rèn)識(shí)。針對(duì)“細(xì)胞”這個(gè)看不見(jiàn)、摸不著的微觀生物引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建細(xì)胞模型，可使學(xué)生全面掌握細(xì)胞的基本知識(shí)，理解結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一關(guān)系。雖然電鏡下也可觀察到細(xì)胞的微觀結(jié)構(gòu)，但學(xué)生缺乏感性認(rèn)識(shí)。因此，在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下，讓學(xué)生結(jié)合自身的經(jīng)驗(yàn)來(lái)模擬構(gòu)建“細(xì)胞”的三維結(jié)構(gòu)模型，可使細(xì)胞從“微觀”向“宏觀”轉(zhuǎn)變，幫助學(xué)生構(gòu)建完整的知識(shí)體系。經(jīng)過(guò)討論，決定讓學(xué)生以小組合作的形式完成這項(xiàng)任務(wù)。這樣，學(xué)生可以利用生活中的廢舊物品進(jìn)行模型構(gòu)建，充分發(fā)揮了學(xué)生的創(chuàng)造性，也給學(xué)生提供了更多的空間。比如在細(xì)胞壁材料的選取上，有的學(xué)生直接用兩個(gè)木薯片來(lái)代表細(xì)胞壁，然后用橡膠泥捏出各種細(xì)胞器，有的學(xué)生則選擇廢紙板來(lái)做細(xì)胞壁的材料，這種材料容易獲得，而且具有一定的硬度，易于固定。在選擇制作液泡的材料時(shí)，有的學(xué)生選擇橡膠泥來(lái)做，有的學(xué)生選擇用紙折。而以氣球做材料既簡(jiǎn)單易操作，又形象，可收到很好的效果。

3.構(gòu)建DNA分子結(jié)構(gòu)模型

在教學(xué)《DNA分子的結(jié)構(gòu)》這一節(jié)時(shí)，可先引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)DNA分子的組成單位、脫氧核糖核苷酸及其結(jié)構(gòu)，然后分組制作DNA分子結(jié)構(gòu)模型。模型材料由學(xué)生課前準(zhǔn)備。在做這個(gè)模型之前，學(xué)生已有的知識(shí)基礎(chǔ)是：脫氧核苷酸之間靠3′-5′磷酸二酯鍵連接，DNA中堿基A與T配對(duì)，G與C配對(duì)。如右圖，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的DNA分子模型，所做的主要工作有兩個(gè)方面，一是關(guān)于脫氧核糖、磷酸、堿基的模型，學(xué)生主要是用紙板進(jìn)行裁剪得到，其中五邊形表示脫氧核糖，白色的圓形代表磷酸，其他的都是堿基;二是將這三種物質(zhì)進(jìn)行連接。學(xué)生操作起來(lái)比較簡(jiǎn)單，先將它們的位置正確擺放好后用膠水粘起來(lái)，然后用彩色鉛筆畫出它們之間的連接鍵。在構(gòu)建模型的過(guò)程中，學(xué)生能夠理解科學(xué)家在構(gòu)建DNA分子結(jié)構(gòu)過(guò)程中所體現(xiàn)出來(lái)的科學(xué)精神和思維方法，有效培養(yǎng)了創(chuàng)新思維能力和合作探究能力。

4.構(gòu)建減數(shù)分裂過(guò)程的模型

教材中學(xué)生動(dòng)手構(gòu)建的減數(shù)分裂過(guò)程中染色體形態(tài)變化的模型，屬于動(dòng)態(tài)的物理模型。減數(shù)分裂過(guò)程中最難掌握的就是染色體的行為變化，還有一些很相近的概念。在構(gòu)建減數(shù)分裂過(guò)程染色體變化的模型時(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)同源染色體、姐妹染色單體等概念比較模糊，對(duì)它們的大小、顏色不能很好地把握;另外，對(duì)染色體的行為變化也容易出錯(cuò)，比如對(duì)前期染色體有聯(lián)會(huì)的這個(gè)特點(diǎn)，很多學(xué)生會(huì)忽略，而是讓染色體散亂地分布在細(xì)胞內(nèi)。為了增強(qiáng)學(xué)生對(duì)該知識(shí)的理解，減少構(gòu)建模型的錯(cuò)誤，筆者先在黑板上畫出減數(shù)分裂過(guò)程中染色體的行為變化（這個(gè)過(guò)程其實(shí)就是在模擬建模），然后指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行建模。學(xué)生在建模的過(guò)程中，筆者再進(jìn)一步進(jìn)行指導(dǎo)，比如：同源染色體的大小、形態(tài)要一致，顏色要不同;姐妹染色單體大小、形態(tài)、顏色都要一致;在減數(shù)第一次分裂時(shí)，同源染色體被分離，非同源染色體被自由組裝，姐妹染色單體在減數(shù)第二次分裂中被分離并移動(dòng)到細(xì)胞極。

這種情況是基于染色體減數(shù)分裂的研究，這是一個(gè)理解困難且易混淆的知識(shí)。通過(guò)對(duì)減數(shù)分裂過(guò)程中染色體變化的繪制和模擬，建立了減數(shù)分裂過(guò)程中染色體變化的物理模型。通過(guò)建模活動(dòng)，找到了突破難點(diǎn)知識(shí)的方法和途徑。該模型的建立，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)減數(shù)分裂過(guò)程中染色體變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，為學(xué)生進(jìn)一步獲取系統(tǒng)知識(shí)奠定了基礎(chǔ)。引導(dǎo)學(xué)生對(duì)物理模型進(jìn)行分析比較、綜合處理和轉(zhuǎn)化，目的在于促進(jìn)學(xué)生理解細(xì)胞分裂的本質(zhì)，并能運(yùn)用模型構(gòu)建新的知識(shí)結(jié)構(gòu)，使模型成為學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的重要組成部分。

二、構(gòu)建物理模型的注意事項(xiàng)

構(gòu)建物理模型的前提是基于客觀事實(shí)。在構(gòu)建物理模型之前，我們需要充分了解相關(guān)知識(shí)，并查閱相關(guān)資料，以掌握模型對(duì)象的特征。在構(gòu)建物理模型的過(guò)程中，應(yīng)遵循“先大后小，先簡(jiǎn)單后復(fù)雜”的原則，從表面到內(nèi)部，從框架到細(xì)節(jié)逐步構(gòu)建，同時(shí)教師要正確引導(dǎo)。在初步構(gòu)建模型之后，需要進(jìn)一步考察模型的科學(xué)性和審美性以及它的可保存性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)與完善，以便客觀、真實(shí)地反映認(rèn)知對(duì)象的特征。

模型構(gòu)建完畢，教師要留足時(shí)間給學(xué)生進(jìn)行展示，并讓學(xué)生指出模型的特點(diǎn)，教師要對(duì)學(xué)生所構(gòu)建的模型進(jìn)行審核，指出其錯(cuò)誤或不足之處。讓學(xué)生構(gòu)建模型，目的是為了加深學(xué)生對(duì)書本知識(shí)的理解，所以學(xué)生在構(gòu)建模型時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，說(shuō)明他們對(duì)書本知識(shí)的理解仍有欠缺，對(duì)此教師可針對(duì)性地進(jìn)行查漏補(bǔ)缺。

總之，教師作為教學(xué)的組織者和指導(dǎo)者，在學(xué)生構(gòu)建物理模型時(shí)，應(yīng)給予正確的引導(dǎo)，為學(xué)生搭建探究的臺(tái)階，讓學(xué)生在理論與實(shí)踐的碰撞中不斷獲得知識(shí)和提升能力。

（責(zé)任編輯 黃春香）