巧用易得材料，建構(gòu)物理模型

何焱

建構(gòu)主義教學(xué)理論認(rèn)為，將知識(shí)組織起來最理想的方式是知識(shí)結(jié)構(gòu)，而知識(shí)結(jié)構(gòu)的最典型呈現(xiàn)形式就是典型的圖解、模型、知識(shí)樹和系統(tǒng)圖。建構(gòu)物理模型不僅是一種有效的教學(xué)手段，而且是知識(shí)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的理想形式。然而對(duì)于建構(gòu)高中生物學(xué)的物理模型，學(xué)生感到困惑不堪。所以在高中生物模型建構(gòu)教學(xué)中，怎樣幫助學(xué)生克服心理障礙，引導(dǎo)學(xué)生把抽象化的知識(shí)在物理模型中具體化是難點(diǎn)之一。筆者試圖通過具體實(shí)例，談?wù)勅绾吻擅畹乩靡椎貌牧?，建?gòu)物理模型，以及在建構(gòu)物理模型中的注意事項(xiàng)。

1 認(rèn)識(shí)物理模型

1.1 物理模型的概念

以實(shí)物或圖畫形式直觀反映認(rèn)識(shí)對(duì)象的形態(tài)結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)，這類實(shí)物或圖畫即為物理模型。物理模型包括靜態(tài)物理模型和動(dòng)態(tài)物理模型。

1.2 物理模型的特點(diǎn)

物理模型具有3個(gè)基本特點(diǎn)：（1） 對(duì)識(shí)記對(duì)象的模仿和抽象；（2） 體現(xiàn)組成認(rèn)識(shí)對(duì)象系統(tǒng)中的主要因素；（3） 反映主要因素之間的關(guān)系。概括地說“形似”、“意真”和“相關(guān)聯(lián)”是物理模型必備的三個(gè)基本特點(diǎn)。寄生關(guān)系模型就是對(duì)這三個(gè)基本特點(diǎn)的完美體現(xiàn)（見圖1）。

在“寄生”模型中，兩個(gè)圓圈A、B表示兩種生物，它們內(nèi)切或外切，分別代表著體內(nèi)寄生或體表寄生。模型既“形似”地反應(yīng)了兩種寄生方式，又科學(xué)地表達(dá)了寄生生物之間的內(nèi)在聯(lián)系，做到了“意真”與“相關(guān)聯(lián)”。

2 建構(gòu)物理模型

建構(gòu)物理模型不僅要找到原型的本質(zhì)，關(guān)鍵還要選擇用什么來描述對(duì)象的本質(zhì)？怎樣具體描述？選取什么材料進(jìn)行建構(gòu)？以什么形式進(jìn)行建構(gòu)？認(rèn)真思考這些問題后，就可以開始著手建構(gòu)物理模型了。

2.1 變廢為寶，巧選建模材料

只要教師善于利用生活中的很多廢棄物，均可以為建構(gòu)物理模型提供良好的材料。筆者及同事在進(jìn)行“模擬性狀分離比”的實(shí)驗(yàn)中，受彩票搖獎(jiǎng)的啟發(fā)，用礦泉水瓶、黑白小球、水芯筆蓋等廢棄材料，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，建構(gòu)了一個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)物理模型（圖2）。

在“模擬性狀分離比”的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校?、乙兩礦泉水瓶代表雌雄生殖器官，黑白小球代表雌、雄器官產(chǎn)生的兩種配子。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將搖勻后的甲、乙兩瓶瓶體倒置過來就會(huì)有一小球進(jìn)入水芯筆蓋，記錄兩瓶黑白小球搖出情況。正立后搖勻，重復(fù)多次，統(tǒng)計(jì)分析即可完成實(shí)驗(yàn)。這樣，學(xué)生既學(xué)到了知識(shí)，又能體驗(yàn)了成功建立物理模型的喜悅，感悟建構(gòu)物理模型材料的易得。

在生物學(xué)教學(xué)中，科學(xué)引導(dǎo)學(xué)生利用各種廢棄材料建構(gòu)物理模型的實(shí)例很多，如圖3、圖4所示的用橡皮泥、棉線等材料建構(gòu)的動(dòng)、植物細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)模型。

2.2 觀察生活細(xì)節(jié)，巧獲建模靈感

諾貝爾文學(xué)獎(jiǎng)獲得者莫言說過：好作品是靈感與生活的結(jié)合。在建構(gòu)物理模型時(shí)，可以從生活細(xì)節(jié)中尋求建構(gòu)靈感。如：關(guān)于酶作用機(jī)理的教學(xué)中，學(xué)生很難理解酶只降低化學(xué)反應(yīng)的活化能，不提供活化能，而加熱卻能提供活化能。筆者從學(xué)校正在舉行的跳高比賽中得到啟示，在上課時(shí)引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)了“降低活化能”的物理模型（圖5）。

在這一“降低活化能”的模型中，彈簧跳板相當(dāng)于為化學(xué)反應(yīng)提供活化能，跳高的高度相當(dāng)于化學(xué)反應(yīng)所需的活化能，跳高相當(dāng)于化學(xué)反應(yīng)。通過模型的比較分析，學(xué)生很容易理解加熱為化學(xué)反應(yīng)提供了活化能（圖5-甲），加無機(jī)催化劑（圖5-乙）和加酶（圖5-丙）只是降低化學(xué)反應(yīng)的活化能。通過模型對(duì)比分析，學(xué)生很自然地理解了酶具有高效性的原因。在建模過程中，學(xué)生的自信心得到了增強(qiáng)，真正體會(huì)到生物學(xué)物理模型的建構(gòu)并不是遙不可及，只需通過對(duì)生活細(xì)節(jié)的仔細(xì)觀察，細(xì)心加工就可以完成。

2.3 購買簡易材料，巧建物理模型

細(xì)胞的有絲分裂和減數(shù)分裂是高中生物的教學(xué)重難點(diǎn)，學(xué)生難理解，教師難講解。在教學(xué)中，教師可以利用彩紙剪制染色（單）體、小磁鐵代表著絲點(diǎn)的方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)物理模型的建構(gòu)。筆者在進(jìn)行有絲分裂的高考復(fù)習(xí)時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生在黑板上建構(gòu)了如圖6所示的動(dòng)態(tài)物理模型。整個(gè)建構(gòu)過程就是一個(gè)小型的情景劇，兩位學(xué)生在黑板上演示分裂過程中染色體的變化，第三位學(xué)生在旁進(jìn)行同步“畫外音”解說各時(shí)期的特點(diǎn)及染色體、染色單體、DNA變化規(guī)律。

通過建構(gòu)這樣的物理模型，很巧妙地完成了教學(xué)互動(dòng)，同時(shí)有助于學(xué)生對(duì)相關(guān)重難點(diǎn)知識(shí)的理解和記憶，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手建模能力和語言表達(dá)能力，使呆板沉悶的高考復(fù)習(xí)課堂生動(dòng)有趣。

2.4 利用教學(xué)用具，巧建物理模型

教室內(nèi)的很多用具是建構(gòu)物理模型的理想材料。筆者在教學(xué)中曾利用粉筆、黑板刷、無蓋粉筆盒等材料，來建構(gòu)“噬菌體侵染大腸桿菌”的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停▓D7）。

在這一模型中，無蓋粉筆盒模擬大腸桿菌、黑板刷模擬噬菌體的蛋白質(zhì)外殼、粉筆模擬噬菌體的DNA分子、白色粉筆表示未被標(biāo)記、紅色粉筆代表被標(biāo)記，黑板刷正面（絨面）表示未標(biāo)記，背面表示標(biāo)記。教師在模擬過程中，用手將粉筆與黑板刷握緊，當(dāng)噬菌體侵染時(shí)，教師松手讓粉筆掉入粉筆盒，模擬噬菌體的DNA注入大腸桿菌，而蛋白質(zhì)外殼未進(jìn)入大腸桿菌。通過這樣的模擬，學(xué)生很容易理解噬菌體侵染大腸桿菌的過程，同時(shí)也能很好地理解該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與分析，能更深入地理解“DNA是噬菌體的遺傳物質(zhì)”這一核心知識(shí)。

粉筆頭和粉筆盒也可用來建構(gòu)“標(biāo)志重捕法”的物理模型，幫助學(xué)生理解標(biāo)志重捕法的原理與計(jì)算方法。具體模擬過程是：在粉筆盒中放入白色粉筆頭若干（N），然后從中隨機(jī)抓取一把粉筆頭計(jì)數(shù)為（M），將這M個(gè)粉筆頭換成同等大小的彩色粉筆頭（相當(dāng)于做好標(biāo)記），放回原粉筆盒，此時(shí)可以引導(dǎo)學(xué)生分析彩色粉筆頭占盒中總粉筆頭的比例（M/N），搖勻后再隨機(jī)抓取一把粉筆頭（n），其中彩色粉筆頭（含標(biāo)記）為m。教師引導(dǎo)學(xué)生分析這一把粉筆頭中彩色粉筆頭所占的比例（m/n）。由于是搖勻后再隨機(jī)抓取的，所以應(yīng)該存在M/N=m/n。這樣學(xué)生就可以輕松理解“標(biāo)志重捕法”的原理與計(jì)算方法。

3 巧用易得材料，建構(gòu)物理模型的啟示與建議

3.1 建構(gòu)物理模型要做到“意真”

“意真”是物理模型的核心要求。建構(gòu)物理模型要盡量真實(shí)、形象地反映研究對(duì)象，不能憑自己的主觀臆斷隨意建構(gòu)，要具有科學(xué)性。在選材上，教師要考慮“易得”，在建構(gòu)過程中要考慮“可操作性”，不要讓學(xué)生建構(gòu)過于復(fù)雜的模型，否則會(huì)挫傷學(xué)生的積極性，從而不利于物理模型的推廣。

3.2 建構(gòu)物理模型要力求“形美”

“形美”是物理模型的追求目標(biāo)。物理模型美觀，具有可觀賞價(jià)值，才能吸引學(xué)生的眼球，才能真正做到為教學(xué)服務(wù)。所以在建構(gòu)過程中，教師可引導(dǎo)學(xué)生不斷完善模型，在不斷完善的過程中進(jìn)行思維的碰撞，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神。

3.3 建構(gòu)物理模型要關(guān)注學(xué)生“發(fā)展”

教師在引導(dǎo)學(xué)生選擇“易得材料”，進(jìn)行物理模型的建構(gòu)過程中，要注意培養(yǎng)學(xué)生之間的合作互助能力，從多方面多角度促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，讓建模成為學(xué)生終身學(xué)習(xí)的一項(xiàng)有效策略。通過不斷建構(gòu)物理模型，培養(yǎng)學(xué)生的建模能力，逐步形成科學(xué)的思維習(xí)慣，在今后的學(xué)習(xí)、生活中遇到抽象的概念、理論、規(guī)律時(shí)，都能嘗試用建構(gòu)簡易物理模型的方法進(jìn)行思考，從而變復(fù)雜為簡單，變抽象為形象，提高學(xué)習(xí)的有效性。

總之，司空見慣的材料很多，當(dāng)教師給予適當(dāng)?shù)募庸?，就可以建?gòu)出很好的、很實(shí)用的物理模型。這些物理模型也將成為教師教學(xué)的好道具，學(xué)生學(xué)習(xí)的好幫手。筆者堅(jiān)信：只要教師適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)，積極地鼓勵(lì)學(xué)生去思考、去行動(dòng)，就一定會(huì)建構(gòu)出理想的物理模型。