例谈生物教学中模型的建构

例谈生物教学中模型的建构江苏省天一中学浦佳丽模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所作的一种简化的概括性的描述，这种描述可以是定性的，也可以是定量的；有的借助于具体的实物或者其他形象化的手段，有的则通过抽象的形式来表达[1]。我国普通高中生物课程标准已明确将模型纳入基础知识范畴，并且将模型方法规定为高中学生必须掌握的科学方法之一。模型的类型有很多，包括物理模型、概念模型、数学模型等。现笔者将在实际教学过程中一些“模型建构”的运用与大家探讨：一、用物理模型活化抽象知识以实物或图画形式直接表达认识对象的特征，这就是物理模型，最著名的就是沃森和克里克构建的DNA分子双螺旋结构模型。教学中，笔者先和学生一起踏着沃森和克里克的足迹，重现了DNA分子结构的发现历程。当学生折服于科学家的睿智和坚韧、对DNA分子模型建构跃跃欲试时，笔者就趁热打铁安排学生用所供材料亲手构建一个DNA分子模型。在合作的基础上，学生兴致勃勃地成功构建了DNA双螺旋结构。通过这个环节的教学活动，激发了学生探究微观生物分子的兴趣，并使学生对大分子DNA有了直接的感性认识，DNA的结构特点也一目了然：如DNA的基本单位是什么？它们之间是怎么连接的？外侧骨架是什么？碱基位于哪里？它们之间怎么配对？反向平行如何体现？DNA分子为什么具有多样性？本节教学重难点得到有效突破。实物物理模型在日常教学中运用不是很广，但以图画形式构建物理模型则相当普遍，如各种细胞器结构的静态模型、噬菌体侵染大肠杆菌、光合作用等过程模型。笔者发现：通过若干次物理模型的构建，学生养成了一种思维习惯，凡遇抽象的结构或过程时，都会尝试用简易的图形帮助思考。在生物学中，图文记忆十分重要。识图认结构，识图辩过程，这些都是考查的重点。二、用概念模型简化复杂的生理过程概念模型是指以文字表述来抽象概括出事物的本质特征的模型。血糖调节是高中生物教材中一个重要的知识，但是这块个体稳态调节的内容是“看不见，又摸不着”，十分抽象。所以，笔者设计让学生分别扮演血糖、肝脏及胰岛，依次探究饭后及运动时机体的反应。通过这个动态的过程模型，学生充分理解机体对血糖水平进行调节的机制，并尝试用文字和箭头构建血糖平衡的概念模型，如下：+合成肝糖原、肌糖原胰岛素含量上升加速细胞摄取、利用葡萄糖+血糖浓度升高血糖浓度降低+肝糖原分解胰高血糖素含量上升非糖物质转化+通过主动参与、亲自建构概念模型，学生对血糖调节这一生理活动有了更深的理解。并且，利用这一清晰明了的概念模型，可以很好地分析一些生物现象：如饭后体内胰岛素和胰高血糖素的分泌情况？糖尿病患者为什么会出现尿糖？健康人和糖尿病患者同时口服葡萄糖，随后一段时间内各人血糖浓度如何变化等？通过概念模型，可以将复杂的生理过程简化，可以帮助学生理清思路。善于总结归纳概念模型，这不失为一种好的学习方法。三、用数学模型归纳生物学规律数学模型是指用来描述一个系统或它的性质的数学形式，是联系实际问题与数学的桥梁，具有解释、判断、预测等重要功能。科学史上，许多科学家都是建立和应用数学模型的大师，他们将各个不同的科学领域同数学有机的结合起来，其中最为学生熟悉的是两大遗传定律的发现者——孟德尔。数学模型的建构在“种群数量的增长”这节教学中最为典型。在教学中，笔者循着“具体→抽象→具体→抽象……具体”循环上升的轨迹，注重从生物学现象中提炼数学本质，构建数学模型，再用模型解决实际生物学问题。“具体→抽象”生物现象：通过大量的实验观察，发现某种细菌在营养空间均充裕的情况下，每20分钟分裂繁殖一代。数学模型：请大家推测，复制n代后细菌的数量N是多少？（N=2n，数学公式模型）“抽象→具体”根据这个数学模型，我们可以推测72h后细菌数量大约有多少？（解决实际生物学问题）“具体→抽象”完成教材P66页的表格，根据表格数据画出种群增长的“J”型曲线（构建坐标曲线模型）。比较两种模型，发现曲线模型更直观。“抽象→具体”联系实际生物现象，发现“澳大利亚野兔成灾”、“环颈雉迁入某美国岛屿前几年”均出现类似的“J”型增长（模型类似）。寻找原因：理想条件下（食物空间充裕、气候适宜、没有天敌等）“具体→抽象”模型假设：食物空间充裕、气候适宜、没有天敌等情况下，起始种群数目为N0，第二年是第一年的λ倍，构建模型：t年后种群数量：Nt=N0×λt构建曲线模型：“J”型增长设问：实际环境中种群数量会这样“J”型增长下去吗？如果不会，原因是什么？曲线将如何变化？学生思考后得出呈“S”型增长曲线模型。实验验证：生态学家高斯的实验。“抽象→具体”应用学生已有的数学知识，对“S”型增长曲线进行分析。得出：K值时，种群增长率r最小，约为0；1/2K时，种群增长率r最大。解决生物学问题：1．从环境容纳量考虑，大熊猫数量为何大量减少?该如何保护？2．从环境容纳量考虑，如何使老鼠数量控制在一个较低的水平？3．捕鱼捕多少量最有利于种群快速增长？学生在已有知识的基础上，在最近发展区内，重新构建新的知识——种群数量的变化，初步学会用数学模型归纳生物学规律，并用模型解决新的生物学问题。在教学中引导学生建构数学模型，有利于培养学生透过现象揭示本质的洞察能力；同时，通过科学与数学的整合，有利于培养学生简约、严密的思维品质。模型构建培养了学生的理性思维。新课程除了着力构建知识体系，也力图培养高中学生的思维方法。笔者相信：有了科学的方法，路才能走的更远！（责编：倪静华）