“物理模型與建?！痹诟咧猩锝虒W(xué)中的應(yīng)用

郭衛(wèi)華

摘 要：伴性遺傳發(fā)病率和能量傳遞一直以來都是高中生物中的重難點(diǎn)及高考中的高頻考點(diǎn).教學(xué)中通過構(gòu)建簡易物理模型，既有利于重難點(diǎn)的突破，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，真正將“做中學(xué)”落實(shí)到課堂中.

關(guān)鍵詞：伴性遺傳;能量傳遞;物理模型

物理模型在高中生物學(xué)習(xí)中常被提及，在教學(xué)中構(gòu)建生物學(xué)模型有助于學(xué)生系統(tǒng)地、完整地學(xué)習(xí)和理解新知識(shí)，更有助于學(xué)生運(yùn)用生物學(xué)模型去解決生物學(xué)問題[1].教學(xué)中筆者首先通過抽獎(jiǎng)游戲?qū)ⅰ俺橄髥栴}具體化”，把難以把握又存在復(fù)雜關(guān)系的伴性遺傳發(fā)病率的問題，轉(zhuǎn)變成直觀的具體問題讓學(xué)生去思考;再運(yùn)用“剪切”紙片方式構(gòu)建紙片模型，清晰再現(xiàn)了能量傳遞的過程.構(gòu)建兩次物理模型，幫助學(xué)生突破難點(diǎn)的同時(shí)，顯著提高了學(xué)生的有意注意和參與度，促進(jìn)學(xué)生小組討論與合作學(xué)習(xí)，大大提高了課堂學(xué)習(xí)的效率.

1 構(gòu)建“抽獎(jiǎng)模型”突破伴性遺傳發(fā)病率計(jì)算

1.1 抽獎(jiǎng)模型的構(gòu)建

（1）抽獎(jiǎng)箱設(shè)計(jì)：先以伴X隱性遺傳病為例，Xd為致病基因，構(gòu)建抽獎(jiǎng)箱（如圖1）.具體方法是：用一個(gè)不透明的紙箱，上方挖一個(gè)僅可以伸進(jìn)手的小洞，紙箱中放入93個(gè)白色小球（代表93個(gè)XD基因），7個(gè)黑色小球（代表7個(gè)Xd基因）.獎(jiǎng)箱中的XD基因與Xd基因的比例代表人群中XD基因與Xd基因的比例.

（2）抽獎(jiǎng)原則及程序：女生有兩條X染色體，抽兩次獎(jiǎng)組合在一起代表其基因型.男生只有一條X染色體，故只抽一次，然后與Y染色體組合在一起代表其基因型.抽獎(jiǎng)程序?yàn)椋孩俪楠?jiǎng)?wù)呦葘⑹址胖迷诔楠?jiǎng)箱口，但不要放入;②抽獎(jiǎng)前閉眼，然后由抽獎(jiǎng)監(jiān)督員搖晃獎(jiǎng)箱3次;③抽出一個(gè)球展示給記錄員，做好記錄;④每次抽獎(jiǎng)后再將球放回原獎(jiǎng)箱.最后，統(tǒng)計(jì)全班男生和女生的“發(fā)病率”，進(jìn)行比較.

1.2 理論計(jì)算

依據(jù)構(gòu)建的抽獎(jiǎng)模型，讓學(xué)生從理論上計(jì)算出男女各自的發(fā)病率.對(duì)于伴X隱性遺傳病，假設(shè)人群中Xd基因占7%，XD基因占93%，則男性因只有1條X染色體，故只有一次抽獎(jiǎng)機(jī)會(huì).男性中患者（即抽到Xd基因的概率）占7%，男性中正常（即抽到XD基因的概率）占93%.女性中患者XdXd的比例（即為兩次均抽到Xd基因的概率）為7%×7%=0.49%，正常的概率為1-0.49%=99.51%.由此不難看出，在伴X隱性遺傳病中，男性的發(fā)病率高于女性，人群中的男患者多于女患者.

1.3 類比法-自主計(jì)算伴X顯性遺傳病男女發(fā)病率

假設(shè)人群中XE基因占7%，Xe基因占93%，XE為致病基因.請(qǐng)依據(jù)抽獎(jiǎng)模型，分別計(jì)算出男性和女性的發(fā)病率.要求學(xué)生先獨(dú)立計(jì)算，再小組討論交流，最終，各小組派代表展示本組結(jié)果：男性因只有1條X染色體，故只有一次抽獎(jiǎng)機(jī)會(huì)，男性中患者（即抽到XE基因的概率） XEY為7%，男性中正常（即抽到Xe基因的概率） XeY為93%.女性中正常XeXe的比例（即為兩次均抽到Xe基因的概率）為93%×93%=86.49%，女性中患病的概率則為1-86.49%=13.51%.由此不難看出對(duì)于伴X顯性遺傳病，女性的發(fā)病率高于男性，在人群中女性患者多于男性患者.

1.4 小組討論、比較與分析

為什么實(shí)際抽獎(jiǎng)得到的統(tǒng)計(jì)概率不論是X隱性或X顯性與計(jì)算得出的理論數(shù)據(jù)之間差距較大？如何才能讓實(shí)際抽獎(jiǎng)得到的統(tǒng)計(jì)概率更為貼近理論數(shù)據(jù)呢？通過小組討論，活躍學(xué)生思維，促進(jìn)合作學(xué)習(xí).通過各小組代表發(fā)言、展示，最后得出結(jié)論：抽獎(jiǎng)次數(shù)太少導(dǎo)致偏離理論值.如果把整個(gè)年級(jí)共18個(gè)班的數(shù)據(jù)（甚至全校所有年級(jí)的數(shù)據(jù)）分別集中在一起，再展開討論，學(xué)生對(duì)伴性遺傳病男女發(fā)病率不同的原因就有了比較定量的、深刻的理解.并認(rèn)識(shí)到統(tǒng)計(jì)性狀分離比時(shí)，數(shù)據(jù)要盡可能地多，這樣理論值和實(shí)際值才能更接近.

2 構(gòu)建紙片模型，再現(xiàn)能量傳遞過程

2.1 “剪切”紙片—確定不同營養(yǎng)級(jí)的同化量

2.1.1 創(chuàng)設(shè)問題情境

生態(tài)系統(tǒng)中能量是通過食物鏈和食物網(wǎng)的渠道傳遞.不同顏色的紙片來代表不同營養(yǎng)級(jí)，紙片的大小可表示能量的多少[2].教學(xué)中為方便交流，規(guī)定統(tǒng)一用綠紙片代表生產(chǎn)者同化的能量、用黃色紙片代表初級(jí)消費(fèi)者同化的能量、用紅色紙片代表次級(jí)消費(fèi)者同化的能量.

2.1.2 學(xué)生活動(dòng)

如果以能量傳遞效率20%計(jì)算，可構(gòu)建生產(chǎn)者（100=10×10）、初級(jí)消費(fèi)者（20=4×5）、次級(jí)消費(fèi)者（4=2×2）的紙片模型（如圖2）.

同理，如果以能量傳遞效率10%計(jì)算，可構(gòu)建生產(chǎn)者（100=10×10）、初級(jí)消費(fèi)者（10=2×5）、次級(jí)消費(fèi)者（1=1×1）的紙片模型（此處略），三級(jí)消費(fèi)者由于同化的能量值較小，用紙片表示比較困難.

2.2 “拆分”紙片—確定能量的來源和去路

2.2.1 創(chuàng)設(shè)問題情境

生產(chǎn)者固定的太陽能是流經(jīng)該生態(tài)系統(tǒng)的總能量，生產(chǎn)者同化的能量只有一部分傳遞給了初級(jí)消費(fèi)者.根據(jù)能量守恒定律，其他的能量到哪里去了？請(qǐng)?jiān)诖笮『线m的紙片上寫上能量的去路.

2.2.2 學(xué)生活動(dòng)

學(xué)生討論和查閱教材后得出，生產(chǎn)者同化的能量，一部分在呼吸作用中以熱能的形式散失，另一部分儲(chǔ)存在植物體內(nèi).儲(chǔ)存在植物體內(nèi)的能量，一部分隨著植物體的衰老死亡以枯枝落葉的形式被分解者分解而散失，一部分會(huì)通過初級(jí)消費(fèi)者的取食而流入初級(jí)消費(fèi)者，還有一部分未被利用.學(xué)生列出如圖3所示的能量去路圖.

2.3 “回拼”紙片—確定能量之間的關(guān)系

生產(chǎn)者同化的能量，除了呼吸消耗、初級(jí)消費(fèi)者同化和分解者分解這3條途徑之外，還有部分能量未被利用，根據(jù)能量守恒定律，這4個(gè)紙片的大小總和應(yīng)該等于生產(chǎn)者同化量紙片的大小.將這4個(gè)紙片貼回到代表生產(chǎn)者同化能量的紙片中（如圖4）.

同理，初級(jí)消費(fèi)者同化的能量也可以分成4個(gè)部分，也可以進(jìn)行回拼，這里就不再贅述.通過回拼圖片的過程，學(xué)生能夠理清這個(gè)基本等式：每一營養(yǎng)級(jí)同化量=自身呼吸消耗+下一營養(yǎng)級(jí)同化+分解者分解+未被利用.

通過構(gòu)建紙片模型，可加深學(xué)生對(duì)過程、規(guī)律的理解.在能量流動(dòng)教學(xué)中，選用彩色紙片制作物理模型，一方面是因?yàn)榧埰子诩舨煤驼迟N，便于再現(xiàn)能量流動(dòng)的過程;另一方面是因?yàn)椴始堫伾S富，更易區(qū)分，便于幫助學(xué)生區(qū)分能量值之間的關(guān)系.用紙片模擬生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)過程，能夠給學(xué)生新的刺激情境，學(xué)生在這個(gè)情境中可利用已有的圖式或認(rèn)知結(jié)構(gòu)，通過邏輯思維和推理把動(dòng)態(tài)拼圖的過程整合到認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，把外在的知識(shí)內(nèi)化為自己的知識(shí)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的同化和加深[3].

生物學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，由于受到主客觀因素的限制，像遺傳病發(fā)病率及生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的過程等在高中階段難以通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì).教學(xué)中通過構(gòu)建簡易物理模型，既可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、給學(xué)生新的刺激情境;又能化繁為簡、很好地將重難點(diǎn)突破;真正將“做中學(xué)”落實(shí)到課堂中，保證課堂教學(xué)效果.

參考文獻(xiàn)：

[1]夏祥斌. 在高中生物學(xué)教學(xué)中應(yīng)用模型構(gòu)建化解抽象問題[J].生物學(xué)教學(xué)，2012，37（12）：19-21.

[2]張純，唐曉春，馮瑤瓊.“能量流動(dòng)”物理模型的構(gòu)建與應(yīng)用[J].中學(xué)生物教學(xué)，2018（23）：14-15.

[3]張德超，趙蘋.生物教學(xué)中能量流動(dòng)的理解誤區(qū)與闡釋[J].教學(xué)與管理，2017（28）：58-59.

（收稿日期：2019-11-25）