淺析尺度模型在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用方法

潘鈺 祝志安

摘?要：尺度模型是模型中的重要一類，在高中生物教學(xué)中應(yīng)用廣泛。學(xué)生可在構(gòu)建尺度模型中，通過觀察、制作、評價和修正等一系列建?；顒樱由顚ι飳W(xué)知識的理解。

關(guān)鍵詞：尺度模型;模型構(gòu)建;高中課堂教學(xué)

模型是在問題情境中形成的實體、符號或抽象表征的過程和產(chǎn)物，在中學(xué)生物教學(xué)中應(yīng)用廣泛。高中生物學(xué)教學(xué)中經(jīng)常會用到一些模型，來描述那些難以直接觀測到的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)或現(xiàn)象，幫助學(xué)生推理和解決問題。趙萍萍博士、劉恩山教授在《生物學(xué)建模教學(xué)研究及啟示》一文中提到的尺度模型就是常見的一種。

一、 尺度模型的內(nèi)涵和功能

尺度模型是指聚集在實物的結(jié)構(gòu)上，按實物比例進(jìn)行放大或縮小的模型，主要關(guān)注的是實物的外部特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它的主要功能在于描述事物、現(xiàn)象以及可視化。雖然尺度模型主要關(guān)注的是模型的結(jié)構(gòu)，跟以往的物理模型有點類似，但尺度模型更注重的是通過建構(gòu)過程，體會事物結(jié)構(gòu)和功能間的關(guān)系，加深對知識的了解，例如“制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”。僅有2D圖片，DNA分子模型不足以讓學(xué)生充分理解DNA的多樣性、特異性以及攜帶遺傳信息等概念，而通過尺度模型構(gòu)建，最大限度可視化確認(rèn)模型的結(jié)構(gòu)特點以及功能間的關(guān)系，因而尺度模型構(gòu)建，不是簡單的手工制作。

二、 尺度模型的構(gòu)建

模型的構(gòu)建是動態(tài)、復(fù)雜的過程。尺度模型的構(gòu)建也不例外，在實際課堂教學(xué)中需要師生共同配合來完成。主要步驟有以下幾點。

（一）首先要明確模型建構(gòu)的目的

教師要權(quán)衡所構(gòu)建的尺度模型，是與實物外形結(jié)構(gòu)間的相似性，還是與實物功能間的相似性。例如DNA分子結(jié)構(gòu)，通過模型構(gòu)建既可以使學(xué)生了解DNA分子的總體外形，也可以讓學(xué)生了解DNA分子的基本組成單位——脫氧核苷酸的組成。面對不同的建構(gòu)目的，構(gòu)思設(shè)計和所選用的材料等是不同的，應(yīng)根據(jù)建構(gòu)的目的，討論并選擇構(gòu)建模型需要的相關(guān)材料，提供于課前準(zhǔn)備。如DNA分子結(jié)構(gòu)中代表堿基的長方形卡片，長度應(yīng)該不一等等。

（二）選擇模型表征形式

尺度模型的表征形式一般有兩種：①視覺的方式即2D圖畫的方式，如DNA分子的平面結(jié)構(gòu)模型圖、外形模式圖;②實物的方式即3D實物，使用一些材料進(jìn)行模型建構(gòu)，如DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，如果選擇實物表征的方式，可在建構(gòu)模型過程，將模型的結(jié)構(gòu)、功能、特點、使用材料等填入表格（表1），便于厘清思路和后續(xù)評價。

（三）模型構(gòu)建

以“DNA分子結(jié)構(gòu)”為例，選用膠帶、釘書釘、不同顏色的導(dǎo)線、球形、五邊形、不同長度長方形且顏色不同塑料片等材料和用具，參照教材上的“DNA分子平面結(jié)構(gòu)模式圖”，指導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建DNA分子結(jié)構(gòu)模型。

（四）模型評價

1. 不同小組所構(gòu)建的模型結(jié)構(gòu)一致嗎？存在什么問題？

2. 針對相同的結(jié)構(gòu)所采用的材料一致嗎？使用該材料的優(yōu)缺點是什么？

3. 基于模型評價材料，給出你的評價等級，并簡要說明理由。

（五）模型修正

1. 模型設(shè)計思路發(fā)生怎樣的變化？

2. 原先使用材料和現(xiàn)在使用材料是否一致？如有不同，調(diào)整材料的主要理由是什么？可將變化的內(nèi)容填入表格。（表略）

三、 尺度模型構(gòu)建的案例

以人教版必修二生物“DNA分子的結(jié)構(gòu)”為例。本節(jié)課主要通過對DNA分子結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建，達(dá)成“DNA分子具有特定的結(jié)構(gòu)，是遺傳信息的載體”這一重要概念。它在充分理解DNA的分子組成、遺傳規(guī)律、基因?qū)π誀畹目刂萍捌渖镞M(jìn)化等章節(jié)知識，直到承上啟下的樞紐作用，對于形成“DNA是主要遺傳物質(zhì)”的生命觀念，具有推進(jìn)意義。學(xué)生要實現(xiàn)的學(xué)習(xí)目標(biāo)如圖：

其中脫氧核苷酸、脫氧核苷酸長鏈及其堿基互補配對是學(xué)生學(xué)習(xí)過程中要突破的難點。因此在教學(xué)中可以通過指導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建脫氧核苷酸分子、脫氧核苷酸長鏈和DNA分子模型，在逐步構(gòu)建過程中，讓學(xué)生觀察、演示、構(gòu)建、體會、領(lǐng)悟堿基互補配對原則及DNA分子結(jié)構(gòu)特點。基于以上建構(gòu)目的，教學(xué)以“基本單位——單鏈——平面雙鏈——立體空間結(jié)構(gòu)”逐步深入，我們選擇實物的方式通過將DNA分子的結(jié)構(gòu)模型推倒與尺度模型的建構(gòu)來達(dá)到理解DNA分子結(jié)構(gòu)特點的教學(xué)目的。

首先，“推倒”模型來感性認(rèn)識DNA分子結(jié)構(gòu)。教師提供一個DNA模型讓學(xué)生來觀察外形特點并著手拆分了解內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從“空間結(jié)構(gòu)——平面結(jié)構(gòu)——單鏈結(jié)構(gòu)——基本單位”順序進(jìn)行觀察、思考、分析，即從立體到平面，由大分子到組成單位，使學(xué)生逐步認(rèn)識到DNA分子的空間結(jié)構(gòu)、平面結(jié)構(gòu)以及化學(xué)組成。

其次，在“推到”模型過程中學(xué)生獲得到一定感性認(rèn)識的基礎(chǔ)上，鼓勵學(xué)生嘗試自己動手重建DNA模型。分三步走：構(gòu)建模型一，脫氧核苷酸;構(gòu)建模型二，脫氧核苷酸鏈;構(gòu)建模型三，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。構(gòu)建模型一，教師PPT展示脫氧核苷酸模型，學(xué)生兩人一組拿出課前準(zhǔn)備好的圓形、長方形（四種顏色，長度不一）、五邊形和不同顏色的導(dǎo)線，分別代表脫氧核苷酸的磷酸基團、四種含氮堿基、脫氧核糖和化學(xué)鍵。學(xué)生觀察討論后動手合作構(gòu)建模型，小組間交流模型互相評價，達(dá)成模型共識。啟發(fā)思考：脫氧核苷酸有幾種？區(qū)別在哪里？構(gòu)建模型二，先讓學(xué)生在紙上畫出四種脫氧核苷酸連接成脫氧核苷酸鏈的方式，隨機抽取兩位學(xué)生在黑板上畫，讓其他學(xué)生進(jìn)行點評，最后教師進(jìn)行確認(rèn)正確與否，PPT展示脫氧核苷酸鏈模型圖，學(xué)生兩人一組開始構(gòu)建模型，同時提醒學(xué)生注意相鄰脫氧核苷酸鏈連接的位置，鼓勵每個小組制作至少含有六個脫氧核苷酸以上的鏈，小組間進(jìn)行相互比較，看看不同制作出來脫氧核苷酸鏈上脫氧核苷酸排列順序是否一樣？這又代表什么意思？構(gòu)建模型三，問1：DNA分子一般是由幾條脫氧核苷酸鏈組成的？是雙螺旋還是三螺旋？問2：堿基位于螺旋的外側(cè)還是內(nèi)側(cè)？問3：堿基是如何配對的？指導(dǎo)學(xué)生閱讀P48課文內(nèi)容。動畫展示DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，學(xué)生開始分組制作，然后抽取幾組，派組長上講臺展示說明，其他組的成員進(jìn)行評價。

最后教師展示DNA分子結(jié)構(gòu)的平面結(jié)構(gòu)模型和雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，讓學(xué)生觀察總結(jié)出DNA分子的結(jié)構(gòu)特點。

評析：本節(jié)課鼓勵學(xué)生在探究和觀察獲取的事實證據(jù)及經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，通過尺度模型構(gòu)建進(jìn)行模擬探究，互動交流，體會事物結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系，類比推理，修正前概念，自行嘗試使用新知道回答最高提出的問題，抽象概括并形成重要概念“DNA分子的結(jié)構(gòu)特點”。通過模型構(gòu)建、行動體驗、實踐分析，傳遞概念，嘗試應(yīng)用概念解釋新的問題，樹立“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的生物學(xué)觀點。

評價標(biāo)準(zhǔn)要更多地具有可操作性和實用性：

1. 依據(jù)模型的功能是否滿足建模目的（描述、解釋、提供信息回答問題、提供例子、體現(xiàn)數(shù)據(jù)等）。

2. 模型的表現(xiàn)力如何。即模型是否能讓別人清楚地明白所表征的事物是否包括了必要的信息（清晰、聚集、有組織性、順序性、可觀性、具體細(xì)節(jié)性、復(fù)雜性等）。

3. 模型的外觀組成是否可幫助模型表現(xiàn)事物，是否有欠缺或冗余等（圖片、文字、表格、標(biāo)簽、箭頭、視覺、題目、繪畫等）。

4. 模型是否滿足證據(jù)要求，是否科學(xué)可靠（模型是否有證據(jù)等其他支持、支持的質(zhì)量、支持的數(shù)量、論證等）。

5. 其他（解釋或描述信息的數(shù)量、趣味性等）。

當(dāng)然，在尺度模型構(gòu)建過程中還要注意：教師應(yīng)了解學(xué)生對模型和建模的哪些方面存在不當(dāng)認(rèn)識。教師自身能否對模型的功能進(jìn)行合理的選擇和評價？還要關(guān)注學(xué)生建模之前和建模之中的討論、建模之后的討論和對模型的評價。能否將合作學(xué)習(xí)、探究教學(xué)等進(jìn)行整合使用，有效融入建模教學(xué)課堂，是實現(xiàn)本課教學(xué)目標(biāo)的關(guān)鍵。

（通訊作者：祝志安）

參考文獻(xiàn)：

[1]魏秀珍，祝志安.建模教學(xué)在高中生物學(xué)教學(xué)中的實踐與思考[J].福建基礎(chǔ)教育，2016（8）.

[2]趙萍萍，劉恩山.科學(xué)教育中模型定義及其分類研究述評[J].教育學(xué)報，2015（1）.

作者簡介：潘鈺，一級教師，福建省福州市，福清康輝中學(xué);祝志安，高級教師，福建省福州市，福清第二中學(xué)。