試論模型在高中生物教學中的作用

摘 要 模型方法是現代生物研究的重要方法。新課程3個模塊(人教版高中生物)中都有練習對各種模型的構建，模型還作為工具，用來分析研究對象各因素關系、運行的特點、預測評價等。

關鍵詞 生物模型 模型方法 生物學教學

中圖分類號 G633.91 文獻標識碼 B

課程標準確定的能力目標包括操作技能、信息能力和科學探究能力3個方面，其中尤為重視科學探究能力的培養。領悟和運用科學方法，對于發展科學探究能力至關重要。在高中生物課程的3個必修模塊中，共同之處是在科學方法教育方面的價值，正如課程標準所指出，3個模塊有助于學生“領悟建立模型等科學方法及其在科學研究中的應用”。

模型方法就是把研究對象(原型)的一些次要的細節、非本質的聯系舍去，從而以簡化和理想化的形式去再現原型的各種復雜結構、功能和聯系的一種科學方法。

模型具有3個基本特點：①是對實際對象的模仿和抽象；②組成體現認識對象系統中的主要因素：③反映主要因素之間的關系。

模型也可分為形象模型(實物模型)和抽象模型兩大類。

抽象模型中，概念模型、模擬模型和數學模型是其基本的類型。概念模型是對認識對象系統的一種簡化的定性描述，用于表示系統組成和相互關系，它是抽象模型中最基本的模型。模擬模型就是用便于控制的一組條件來代表真實事物特征，通過模仿性試驗來了解實體的規律。采用數學語言對對象進行定量描述就是數學模型。

1 動手建構模型。領悟和運用建立模型的方法

1．1 建構模型方法也是現代生物研究的重要方法

3個模塊(人教版高中生物)中都有練習對各種模型的構建，具體歸納如表1所示。

1．2 模型的制作

3個模塊中模型建立的特點是提供一定的指導，由學生動手動腦建構模型，能力目標是讓學生領悟和運用建構模型的方法。例如第三章“制作真核細胞模型”。教材中描述的是在電子顯微鏡下才能觀察到的微細結構，因而學生缺乏感性認識。因此，學生親身體驗模擬制作“細胞”的立體結構模型有助于再現有的實驗條件下讓細胞變“微觀”為“宏觀”，而更好地構建他們完整的知識體系。

1．2．1 模型的制作過程

我們制作的細胞結構模型是屬于實物模型。是對原型的模仿和抽象。現以動物細胞為例，體驗建構模型過程：

(1)分組進行討論，動物細胞的結構主要包括哪些，設計制作模型方案。

方案：動物細胞主要結構有細胞膜、細胞質、細胞核，其中細胞質中含各種細胞器，主要有線粒體、內質網、高爾基體、核糖體、中心體、溶酶體等。

(2)尋找和選擇材料：泡沫塑料、木板、紙板、橡皮泥、線繩、布、塑料袋、細鐵絲、大頭針等。

(3)小組討論制作模型規格(大小，展示的是全部還是局部，平面圖還是立體圖等)、模型包含的結構等。

(4)討論材料使用。各種細胞結構用何種材料。細胞結構如何制作，細胞結構之間如何連接等都需討論、細化。真實的細胞顏色并不鮮艷，但是可以用不同的顏色區分不同的細胞結構，使細胞的各部分結構特點更加突出，便于觀察。

(5)學生以小組形式合作完成真核細胞的模型制作，并交流成果，作出評價。

(6)成果：學生做的模型有：①用硬紙殼作“細胞壁”，塑料薄膜緊貼其上當作“細胞膜”，用橡皮泥精心捏制成各種各樣的細胞器；②用精美的包裝盒作細胞壁，內有一層硬質的透明殼作細胞膜，用瓊脂制作透明的細胞質基質，用中藥小藥丸作核糖體散放在其內，非常形象直觀，也利于保存和收藏等。

在整個制作過程中，學生討論分析，分工合作，氣氛熱烈。

1．2．2 模型制作的學習價值

通過模型制作實踐活動，進一步探究細胞的結構及功能，使學生由理性認識轉向感性認識，更容易把握細胞結構的完整性以及與其功能相適應的結構特點；而且通過分組活動，小組各成員能分工合作，積極思維，互幫互動，相互促進和提高。

2 模型作為工具，用來分析研究對象

2．1 教材中的模型分析

除了學生自己建構模型；教材中還把模型作為工具，用來分析研究對象的組成因素，各因素之間的關系，因素運行的特點，預測評價等，總結如表2。

2．2 教材中的模型做為工具

在生產生活中，模型也可以是工具，定量評價，預測，檢驗研究對象中特征因素的變化，解決有關的生物學問題。

例如：在“生物與環境”知識模塊中有這樣一道題：下面2條食物鏈，假如生產者的數量一樣多，能量傳遞效率相同，那條食物鏈中，消費者所包含的能量多?

①草→羊→狼；

②草→蟲子→鳥→鷹。

學生中的答案普遍有兩種(設草固定的總能量為A，能量傳遞效率為20％)。

第一種：①草→羊→狼

A 20％A 20％×20％A、

消費者所包含的能=20％A+20％×20％A。

②草→蟲子→鳥→鷹

A 20％A 20％×20％A×20％×20％A 20％A

消費者所包含的能量=20％A+20％×20％A+20％A×20％×20％A

所以②食物鏈消費者所包含的能量大于①中消費者所包含的能量。

第二種：再設第二、第三，第四營養級呼吸作用消耗能量分別為a，b，e。

①食物鏈消費者所包含的能量=A－(a+b)；

②食物鏈消費者所包含的能量=A(a+b+c)。

結果與第一種相反；這兩種好像都有道理，孰錯孰對?

教材中提供了生態系統能量流動的概念模型、定量描述能量流動的特點：

從模型分析，每個營養級(除了第一營養級外)的能量由上一個營養級傳遞而來，能量去向有3個：自身的呼吸作用，傳遞給下一個營養級，遺體殘骸中的能量交給分解者。上面4種解法，第一種未考慮每個營養級中應該有呼吸作用等散失能量，第二種方法相對正確。相似的題目：假如你是農業專家，訪問非洲。發現某些國家糧食短缺，你可能會建議發展農業，那么飲食結構是多以糧食蔬菜為主還是以肉類為主?

課程標準一個很重要的特點是關注科學技術與社會的聯系。工業上用酵母菌釀酒就是一個例子。釀酒的工藝是這樣：先給發酵罐通氣，促進酵母菌的有氧呼吸，釋放較多的能量繁殖，增加酵母菌的數量，然后密閉。酵母菌進行無氧呼吸，產生酒精。那最后酒精的多少和酵母菌的數量有直接的關系。我們比較關注酵母菌的數量變化以哪種曲線形式增長的。

學生中有三種解釋。

第一種觀點：J型增長曲線。依據：密封前，酵母菌進行有氧呼吸，葡萄糖是充足的，基本不存在種內斗爭。增長率不會下降。

第二種觀點：S型增長曲線。依據：酵母菌有氧呼吸產生CO₂，導致培養液pH下降，還有隨著酵母菌數量上升。空間有限，種內斗爭因此加劇，因此增長率下降。

第三種觀點：酵母菌數量怎樣增長，說不清楚。

模型方法作為一種現代科學認識手段和思維方法。所提供的觀念和印象，不僅是學生獲取知識的條件．而且是學生認知結構的重要組成部分。教材中J型增長曲線模型假設條件是：在食物和空間條件充裕，氣候適宜，沒有敵害等條件下，種群的數量每年以一定的倍數增加。S型增長曲線的假設是：資源和空間是有限的，當種群密度增大時，種內斗爭就會加劇，這就會使種群的死亡率增高，出生率降低，當死亡率增加到與出生率相等時，種群的增長就會停止，有時會穩定到一定水平。根據模型判斷，密封前的酵母菌食物充裕，空間是否充裕很難說，但氣候或pH值不適宜了，這會使增長率下降。那酵母菌數量增長應該是一條不完整的S型曲線。

3 主動構建模型，解決有關生物問題

模型方法就是抓住原型的本質特征，把復雜的原型客體加以簡化和純化，并對抽象的假設或命題進行邏輯轉換，以構建一個能反映原型本質聯系的模型。老師除了引導學生學會運用熟悉的模型去解題，還應該幫助學生根據題目所提供的條件主動構建模型解題。

模型和原型的關系如圖2所示。

下面通過例子來說明主動建立模型來解決問題。

例：CO₂從一個葉肉細胞的線粒體的基質中擴散出來，進入同一個葉肉細胞的葉綠體中，共穿過幾層膜?

用模型方法來分析見表3。

從模型看出，CO₂需穿過4層膜。

例：一個有8條染色體的細胞進行有絲分裂，經過問期以后，DNA和染色體的變化如何?很多學生記得：間期最主要的變化是染色體的復制，自然就作出DNA和染色體數目都增加一倍的答案。這里作出錯誤判斷的原因是染色體復制前后數目不變。本人在教學過程中引導學生建立染色體復制的模型。

根據模型方法，從原型中分析提取的是復制前后的染色質，間期復制后變成含2個姐妹染色單體的染色質。為了便于觀察分析，把原型進一步抽象，下面是把復制前染色質抽象成染色體a，復制后的染色質抽象為圖b，建構模型如圖4所示。

染色體模型將學生的認知結構從抽象向具體過渡，抓住染色體復制的本質特征，對染色體復制過程抽象化，把復雜的認識對象加以簡化和純化。模型的建立，有助于抓住有絲分裂中細胞變化的主要線索，理解染色體規律性變化，進行支架式教學和學習。

總之。建立模型在高中生物研究中是很重要的方法和能力，教師在生物教學中運用模型方法，不僅便于分析和解決有關生物學問題，而且能有效提高學生的生物科學素質，并能帶動、整合其他生物科學方法教育的實施。