例談生物教學(xué)中模型的建構(gòu)

1、例談生物教學(xué)中模型的建構(gòu)江蘇省天一中學(xué) 浦佳麗模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對(duì)認(rèn)識(shí)對(duì)象所作的一種簡(jiǎn)化的概括性的描述，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)物或者其他形象化的手段，有的則通過(guò)抽象的形式來(lái)表達(dá)1。我國(guó)普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)已明確將模型納入基礎(chǔ)知識(shí)范疇，并且將模型方法規(guī)定為高中學(xué)生必須掌握的科學(xué)方法之一。模型的類(lèi)型有很多，包括物理模型、概念模型、數(shù)學(xué)模型等?，F(xiàn)筆者將在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中一些“模型建構(gòu)”的運(yùn)用與大家探討：一、用物理模型活化抽象知識(shí)以實(shí)物或圖畫(huà)形式直接表達(dá)認(rèn)識(shí)對(duì)象的特征，這就是物理模型，最著名的就是沃森和克里克構(gòu)建的DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。教學(xué)中，筆者先和學(xué)生

2、一起踏著沃森和克里克的足跡，重現(xiàn)了DNA分子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)歷程。當(dāng)學(xué)生折服于科學(xué)家的睿智和堅(jiān)韌、對(duì)DNA分子模型建構(gòu)躍躍欲試時(shí)，筆者就趁熱打鐵安排學(xué)生用所供材料親手構(gòu)建一個(gè)DNA分子模型。在合作的基礎(chǔ)上，學(xué)生興致勃勃地成功構(gòu)建了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。通過(guò)這個(gè)環(huán)節(jié)的教學(xué)活動(dòng)，激發(fā)了學(xué)生探究微觀生物分子的興趣，并使學(xué)生對(duì)大分子DNA有了直接的感性認(rèn)識(shí)，DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也一目了然：如DNA的基本單位是什么？它們之間是怎么連接的？外側(cè)骨架是什么？堿基位于哪里？它們之間怎么配對(duì)？反向平行如何體現(xiàn)？DNA分子為什么具有多樣性？本節(jié)教學(xué)重難點(diǎn)得到有效突破。實(shí)物物理模型在日常教學(xué)中運(yùn)用不是很廣，但以圖畫(huà)形式構(gòu)建物理模

3、型則相當(dāng)普遍，如各種細(xì)胞器結(jié)構(gòu)的靜態(tài)模型、噬菌體侵染大腸桿菌、光合作用等過(guò)程模型。筆者發(fā)現(xiàn)：通過(guò)若干次物理模型的構(gòu)建，學(xué)生養(yǎng)成了一種思維習(xí)慣，凡遇抽象的結(jié)構(gòu)或過(guò)程時(shí)，都會(huì)嘗試用簡(jiǎn)易的圖形幫助思考。在生物學(xué)中，圖文記憶十分重要。識(shí)圖認(rèn)結(jié)構(gòu)，識(shí)圖辯過(guò)程，這些都是考查的重點(diǎn)。二、用概念模型簡(jiǎn)化復(fù)雜的生理過(guò)程 概念模型是指以文字表述來(lái)抽象概括出事物的本質(zhì)特征的模型。血糖調(diào)節(jié)是高中生物教材中一個(gè)重要的知識(shí)，但是這塊個(gè)體穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的內(nèi)容是“看不見(jiàn)，又摸不著”，十分抽象。所以，筆者設(shè)計(jì)讓學(xué)生分別扮演血糖、肝臟及胰島，依次探究飯后及運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)體的反應(yīng)。通過(guò)這個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程模型，學(xué)生充分理解機(jī)體對(duì)血糖水平進(jìn)行調(diào)節(jié)的機(jī)

4、制，并嘗試用文字和箭頭構(gòu)建血糖平衡的概念模型，如下： + 合成肝糖原、肌糖原 胰島素含量上升 加速細(xì)胞攝取、利用葡萄糖 +血糖濃度升高 血糖濃度降低 + 肝糖原分解 胰高血糖素含量上升 非糖物質(zhì)轉(zhuǎn)化 + 通過(guò)主動(dòng)參與、親自建構(gòu)概念模型，學(xué)生對(duì)血糖調(diào)節(jié)這一生理活動(dòng)有了更深的理解。并且，利用這一清晰明了的概念模型，可以很好地分析一些生物現(xiàn)象：如飯后體內(nèi)胰島素和胰高血糖素的分泌情況？糖尿病患者為什么會(huì)出現(xiàn)尿糖？健康人和糖尿病患者同時(shí)口服葡萄糖，隨后一段時(shí)間內(nèi)各人血糖濃度如何變化等？通過(guò)概念模型，可以將復(fù)雜的生理過(guò)程簡(jiǎn)化，可以幫助學(xué)生理清思路。善于總結(jié)歸納概念模型，這不失為一種好的學(xué)習(xí)方法。三、 用數(shù)

5、學(xué)模型歸納生物學(xué)規(guī)律數(shù)學(xué)模型是指用來(lái)描述一個(gè)系統(tǒng)或它的性質(zhì)的數(shù)學(xué)形式，是聯(lián)系實(shí)際問(wèn)題與數(shù)學(xué)的橋梁，具有解釋、判斷、預(yù)測(cè)等重要功能。科學(xué)史上，許多科學(xué)家都是建立和應(yīng)用數(shù)學(xué)模型的大師，他們將各個(gè)不同的科學(xué)領(lǐng)域同數(shù)學(xué)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，其中最為學(xué)生熟悉的是兩大遺傳定律的發(fā)現(xiàn)者孟德?tīng)?。?shù)學(xué)模型的建構(gòu)在“種群數(shù)量的增長(zhǎng)”這節(jié)教學(xué)中最為典型。在教學(xué)中，筆者循著“具體抽象具體抽象具體”循環(huán)上升的軌跡，注重從生物學(xué)現(xiàn)象中提煉數(shù)學(xué)本質(zhì)，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，再用模型解決實(shí)際生物學(xué)問(wèn)題?！熬唧w抽象”生物現(xiàn)象：通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)觀察，發(fā)現(xiàn)某種細(xì)菌在營(yíng)養(yǎng)空間均充裕的情況下，每20分鐘分裂繁殖一代。數(shù)學(xué)模型：請(qǐng)大家推測(cè)，復(fù)制n代后細(xì)菌

6、的數(shù)量N是多少？（N=2n，數(shù)學(xué)公式模型）“抽象具體”根據(jù)這個(gè)數(shù)學(xué)模型，我們可以推測(cè)72h后細(xì)菌數(shù)量大約有多少？（解決實(shí)際生物學(xué)問(wèn)題）“具體抽象”完成教材P66頁(yè)的表格，根據(jù)表格數(shù)據(jù)畫(huà)出種群增長(zhǎng)的“J”型曲線（構(gòu)建坐標(biāo)曲線模型）。比較兩種模型，發(fā)現(xiàn)曲線模型更直觀。“抽象具體”聯(lián)系實(shí)際生物現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)“澳大利亞野兔成災(zāi)”、“環(huán)頸雉遷入某美國(guó)島嶼前幾年”均出現(xiàn)類(lèi)似的“J”型增長(zhǎng)（模型類(lèi)似）。尋找原因：理想條件下（食物空間充裕、氣候適宜、沒(méi)有天敵等）“具體抽象”模型假設(shè)：食物空間充裕、氣候適宜、沒(méi)有天敵等情況下，起始種群數(shù)目為N0，第二年是第一年的倍，構(gòu)建模型：t年后種群數(shù)量：Nt=N0×t

7、 構(gòu)建曲線模型：“J”型增長(zhǎng)設(shè)問(wèn)：實(shí)際環(huán)境中種群數(shù)量會(huì)這樣“J”型增長(zhǎng)下去嗎？如果不會(huì)，原因是什么？曲線將如何變化？學(xué)生思考后得出呈“S”型增長(zhǎng)曲線模型。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：生態(tài)學(xué)家高斯的實(shí)驗(yàn)。“抽象具體”應(yīng)用學(xué)生已有的數(shù)學(xué)知識(shí)，對(duì)“S”型增長(zhǎng)曲線進(jìn)行分析。得出：K值時(shí)，種群增長(zhǎng)率r最小，約為0；1/2K時(shí)，種群增長(zhǎng)率r最大。解決生物學(xué)問(wèn)題：1從環(huán)境容納量考慮，大熊貓數(shù)量為何大量減少?該如何保護(hù)？2從環(huán)境容納量考慮，如何使老鼠數(shù)量控制在一個(gè)較低的水平？3捕魚(yú)捕多少量最有利于種群快速增長(zhǎng)？學(xué)生在已有知識(shí)的基礎(chǔ)上，在最近發(fā)展區(qū)內(nèi)，重新構(gòu)建新的知識(shí)種群數(shù)量的變化，初步學(xué)會(huì)用數(shù)學(xué)模型歸納生物學(xué)規(guī)律，并用模型解決新的生物學(xué)問(wèn)題。在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，有利于培養(yǎng)學(xué)生透過(guò)現(xiàn)象揭示本