生物模型的分類特點及構建方法

生命科學研究常常運用模型?？茖W家用模型代表所研究事物的例子很多，在科學界被傳為佳話的DNA雙螺旋結構模型就是著名一例。沃森和克里克在自己和別人研究數(shù)據(jù)成果的支持下，用自制材料精心搭成的這個模型，非常形象、直觀地揭示了DNA分子結構地化學組成、三維空間結構情況?？梢哉f，在這項具有劃時代意義的偉大工作中，模型方法與模型構建起到了極其重要的作用。

生物模型可以是一種特定的研究對象，也可以是表示研究對象結構或功能的符號、圖表或函數(shù)式；可以是一種研究過程、思維方法，也可以是研究成果的表達。高中生物課程標準將模型方法列為科學過程方法技能的一個方面。要求學生不僅對生物模型的分類有一定的了解，還要初步學會構建一些基本的模型。本文擬對生物模型的分類特點及其構建方法進行探討，以供參考。

1 生物模型的分類

生物模型可以分為物質(zhì)形式和思維形式兩大類型。

1．1 從物質(zhì)形式角度

生物模型可以分為真實模型、替代模型以及人工模擬模型等幾種類型。

(1)真實模型。為了能更好地探究某項生命活動規(guī)律而選用某些方面具有典型意義或特別便利的生物(含微觀、宏觀兩個方向的生命層次)，這就是真實模型。真實模型的選擇往往是精心的、慎重的，因為通過其研究所獲得的生命活動規(guī)律須具有通適性、典型性，能推廣到其他生物。如孟德爾、摩爾根分別以豌豆、果蠅為研究模型，研究發(fā)現(xiàn)了遺傳的三大規(guī)律；林德曼、奧頓分別選擇美國的2個天然湖泊、河流——賽達伯格湖、銀泉為生態(tài)系統(tǒng)模型，深入研究并揭示出生態(tài)系統(tǒng)的能量流動規(guī)律。

(2)替代模型。如果由于種種原因，直接用研究對象進行實驗研究不太可能，而用其他生物代替研究對象進行研究，這些替代生物就稱為替代模型。如常用豚鼠、獼猴等動物代替人體進行疾病機理探究、疫苗研制、藥物試驗等工作，例如誘發(fā)豚鼠血脂增加作為高血脂患者的模型，利用這個替代模型來篩選降血脂的藥物。

(3)人工模擬模型。有些科學問題的探究既無法用真實模型，也無法找到替代模型，此時，科學家們想出了用人工模擬的方法來開展研究。比較著名的是生命起源研究裝置和生物圈Ⅱ號2個人工模擬模型。對于生命起源問題的探索，人們根本無法再現(xiàn)當時的情形。但是在1953年，美國學者米勒在實驗室內(nèi)成功地模擬了在時間上極為遙遠的自然條件(原始大氣、原始海洋)，證明了生命起源的化學進化過程在40多億年以前是可能存在的。美國科學家于1984年開始模擬生物圈的結構和功能，建造了有半個足球場大小的、完全封閉的生態(tài)實驗室，在這個巨大的玻璃罩里，有微型的森林、沙漠、農(nóng)田、海洋和溪流，這就是“生物圈Ⅱ號”。1993年1月8位科學家進駐這個人工模擬的生物圈模型中開展研究。

中學教材里，也有一些人工模擬模型，如探究性狀分離比的實驗模型、探究生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的小生態(tài)瓶等。

1．2 從思維形式角度

生物模型的表現(xiàn)形式有物理模型、概念模型、數(shù)學模型、軟件模型等。

(1)物理模型。以實物或圖畫形式直觀反映認識對象的形態(tài)結構或三維結構，這類實物或圖畫即為物理模型。實物模型常見的有DNA雙螺旋結構模型、真核細胞亞顯微結構模型等，圖畫模型則有C₃、C₄植物葉片結構示意圖、三倍體無子西瓜的培育過程圖解、池塘生態(tài)系統(tǒng)模式圖等。物理模型的特點是：實物或圖畫的形態(tài)結構與真實事物的特征、本質(zhì)非常相像，大小一般是按比例放大或縮小的。

(2)概念模型。以圖示、文字、符號等組成的流程圖形式對事物的生命活動規(guī)律、機理進行描述、闡明，這就是概念模型。例如動植物細胞的有絲分裂、減數(shù)分裂圖解、光合作用示意圖、中心法則圖解、過敏反應機理圖解等。概念模型的特點是圖示比較直觀化、模式化，由箭頭等符號連接起來的文字、關鍵詞比較簡明、清楚，它們既能揭示事物的主要特征、本質(zhì)，又直觀形象、通俗易懂。

(3)數(shù)學模型。用來表達生命活動規(guī)律的計算公式、函數(shù)式、曲線圖以及由實驗數(shù)據(jù)繪制成的柱形圖、餅狀圖等稱為數(shù)學模型。如酶的活性變化曲線、種群增長曲線、微生物生長曲線，還有種群密度計算公式、組成細胞的化學元素餅狀圖、能量金字塔等。曲線圖的特點是在利用坐標系描述2個變量之間的定性或定量關系；柱形圖是依據(jù)實驗數(shù)據(jù)在坐標系內(nèi)用柱形方式表示的2個變量之間不連續(xù)的定量關系；餅形圖通常是百分比含量的圓餅狀表示；計算公式或函數(shù)式則是根據(jù)數(shù)學上的等量關系、用字母符號建立起來的變量之間定量關系式。

(4)軟件模型。用計算機語言編寫、反映變量之間邏輯關系的應用生物程序稱為軟件模型。如弗里斯特等根據(jù)他們對人口增長、工業(yè)發(fā)展、糧食增長、不可再生資源的消耗以及環(huán)境污染的研究，用幾十個相互聯(lián)系的變量組成了一個模型，借助計算機進行各種運算，一方面對模型進行檢驗，同時也可以對未來作出預測。這種抽象模型的計算機模擬在生態(tài)學、群體遺傳學、基因組研究等很多領域里已成為重要的研究方法。

2 生物模型的構建方法

新課標中建立模型被列為一項技能目標，并作為高中學生必備的生物科學素養(yǎng)。國家和地方的新高考大綱(說明)也已明確將這一技能素養(yǎng)的掌握水平作為考核對象，2007年全國高考生物江蘇卷中就已出現(xiàn)涉及模型構建問題的考核嘗試。因此，在平時的教學和高考復習中，教師和考生都要予以重視。由于新課標要求學生學會建立的模型主要是思維形式的模型，因此筆者擬針對幾種常見思維模型的構建方法提出如下建議。

2．1 建立模型的一般程序

(1)掌握原理。掌握模型所代表的知識、過程、規(guī)律、機理等，弄清模型的構成要素或包含內(nèi)容之間的邏輯關系。

(2)明確類型。明確所構建的模型屬于哪種類型，知道該種模型的特點及表現(xiàn)形式。

(3)構建草圖(框架)。選擇適當?shù)膱D形、文字、符號勾勒出草圖，或用適當?shù)拇罱蚣??；谀Ｐ偷耐ㄟm性、典型性，所以在構建時只需要考慮大多數(shù)情況即可，一般不考慮極少數(shù)情況或特例。

(4)修飾完善。對照原理查驗所構建的草圖(框架)，確保其科學性；然后進一步修飾完善模型，力求規(guī)范、簡潔、直觀、有美感；最后構建出正式的模型。

(5)補充詮釋。對一些模型要添加必要的文字說明、示例、圖注等，使模型更科學、更清楚、更規(guī)范。

2．2 幾種常見模型構建方法的建議

上面雖然介紹了模型構建的一般程序，但是不同形式的模型在構建時都有各自具體的程序和方法．因此有必要分別加以說明。

(1)實物形式的物理模型：①熟悉所構建對象的結構組成和空間構象；②選取合適的構建材料，選材的原則是：相仿、方便、實用、簡易、醒目易識別；③確定適當?shù)哪Ｐ图皹嫾谋壤痛笮。虎苤谱髂Ｐ偷臉嫾?；⑤構件組裝；⑥對照復查，微調(diào)完善。(2)由圖示文字、符號混合組成的概念模型。①熟悉所構建對象的顯著特征、過程要點、變化規(guī)律；②勾勒草圖，形象、清楚地用圖示突出構建對象的顯著特征，可忽略次要或無關的細節(jié)；③在圖示上或圖示之間用必要的文字注釋、符號連接來輔助說明，使圖示表達清晰；要注意圖示位置的布局，力求圖示、文字、符號組合的合理、協(xié)調(diào)、美觀；④對照、修飾、完善之后，正式繪制，并配以準確的圖注。例如圖1。

(3)由文字、符號組成的概念模型。①熟悉所構建對象的規(guī)律、原理及其內(nèi)在聯(lián)系；②選擇好最能反映規(guī)律、原理、環(huán)節(jié)的關鍵詞或核心詞，并確定它們之間的連接方式；③在草稿上將含有關鍵詞的方框、圓圈等進行合理擺布，再用箭頭等符號表明關鍵詞之間的聯(lián)系；在箭頭上注明聯(lián)系名詞、行為動詞或“+”、“-”等符號；④對照、修飾、完善之后，正式繪制，并配以準確的圖注。

題例見2007高考生物江蘇卷第37題。

分析：由于首次在高考中涉及模型構建問題的考查，故本題關于人體內(nèi)K⁺的動態(tài)平衡模型構建要求相對比較簡單：模型框架已搭好，有關K⁺吸收、排出及其在內(nèi)環(huán)境和細胞之間動態(tài)變化的核心詞也都給出，只須用箭頭表示即可。所以本題的關鍵就在于弄清了血鉀與組織液K⁺、細胞內(nèi)液中K⁺以及尿液中K⁺之間的內(nèi)在邏輯關系，即可順利構建模型。當然構建過程中還要注意以下兩點：①用箭頭符號表示動態(tài)關系時，單向滲透關系的用一個單箭頭表示，相互滲透關系的用兩個方向相反的箭頭表示；②模型一般不考慮特殊或極少數(shù)的情形，本題就血細胞、血管壁細胞等特殊細胞已作了不予考慮的提示，故血鉀與細胞內(nèi)液中K⁺之間的特殊關系不應考慮。

(4)曲線圖形式的數(shù)學模型。①明確自變量和因變量，弄清它們之間的生物學意義及其兩者之間的變化關系；②繪制坐標系，確定2個坐標軸所代表的變量，標出適當?shù)膯挝?；③依?jù)題中數(shù)據(jù)信息或分析出來的變量關系，找出曲線的特征點——起點、拐點(變化點)、頂點、終點等；在坐標系中將這些點標出后，用鉛筆輕輕描出曲線的大致變化走勢；④對照數(shù)據(jù)信息進行檢驗復查，在修飾微調(diào)無誤后，用鉛筆加粗描繪出正式的曲線；繪制曲線時，應盡量使曲線連貫、平滑、美觀；⑤如果需繪制多條曲線，還要注意曲線之間的邏輯關系和位置關系，并注明各條曲線對應的名稱；⑥寫上曲線圖的圖注，注意數(shù)軸單位的標準化或與題中要求一致。

(5)計算公式、函數(shù)式形式的數(shù)學模型。①根據(jù)所提供的信息材料，提取出已知量、未知量(或自變量、因變量)并用適當?shù)淖帜副硎?；②運用生物知識和數(shù)學知識確定等量關系；③經(jīng)過仔細運算。求解出計算公式(或函數(shù)式)；④注意單位的標準、統(tǒng)一。

題例見2007高考生物江蘇卷第41題。

分析：本題實質(zhì)上是要求構建一個計算模型。已知量(第一次捕獲并標記個體數(shù)M、重捕中標記個體數(shù)m、重捕獲總數(shù)n)和未知量(樣方中該種群的數(shù)量N)還是比較清楚的；等量關系也已給出：重捕取樣中標記比例與樣方總數(shù)中標記比例相等；依據(jù)等量關系可列出如下關系式：N:M=n:m，進而求出樣方中該種群總數(shù)的計算公式，即N=Mn／m，單位是只。

(6)柱形圖形式的數(shù)學模型。①弄清材料中數(shù)據(jù)信息所代表的生物學意義及其變化規(guī)律或因果關系；②明確2個坐標軸所代表的變量，確定合適的單位大小并在軸上標出；③依照數(shù)據(jù)分別確定“柱子”的位置、高度、寬度，在坐標系中輕輕畫出“柱子”：④對照數(shù)據(jù)進行復查，無誤后加粗畫出正式的柱形圖；⑤如果橫軸上要表達的變量不止一個，即每一個“單位格”上要繪制2個或3個“柱子”時，要注意不同“柱子”的區(qū)分，并用圖例標注出來；⑥寫上柱形圖的圖注，注意數(shù)軸單位的標準化或與題中要求一致。

題例見2007高考生物江蘇卷第40題。

分析：本題的考查目標是學生在研究性學習過程中對數(shù)據(jù)結果的處理和表達的能力水平，構建柱形圖形式的數(shù)學模型的技能水平。首先，從表格中提取到的與構建模型有關的信息是：5種生物體內(nèi)2種污染物的含量數(shù)據(jù)；接著，確定出坐標軸所代表的變量：橫軸代表5種生物體內(nèi)的2種污染物(2個變量)，縱軸代表千克體重污染物的含量；依據(jù)表中污染物含量的最大值(96)及其它數(shù)據(jù)，可確定100為縱軸適宜的最大值，單位以20為宜，并在縱軸上標出；由于每種生物要繪出2種污染物的“柱子”，可用空白“柱子”和陰影“柱子”來表示并區(qū)分；依照數(shù)據(jù)分別確定5種生物10個“柱子”的位置、高度、寬度，然后輕輕畫出“柱子”；復查無誤后加粗畫出正式的柱形圖；最后。在坐標系右上方標注出“柱子”的圖例，寫出縱軸代表的變量及單位：千克體重污染物的含量／mg。