在生物學課堂中利用模型方法提升學生理性思維能力的嘗試

王毅男+徐丹

2016年，教育部公布了《中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)（征求意見稿）》。該文件指出，學生發(fā)展核心素養(yǎng)是指學生應具備的、能夠適應終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。在這個精神指導下，高中生物課標修訂組將理性思維作為生物學科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容之一。但是，對于相當一部分學生來說，生物學的成績是建立在大量機械記憶基礎上的。如何讓學生能夠理性地認識并運用生物學知識，是所有生物教師面臨的重要問題。所謂“理性”，是指“依照邏輯推理而不是依照情緒或感覺來行事”。理性思維強調(diào)的是邏輯指引下的思考過程，對于生物學科來說，如何清晰地描述生物學邏輯是理性思維的基礎。生物學模型是建立在大量生物學事實基礎上的一種規(guī)律性描述，是對生物學規(guī)則的概括與總結(jié)。教師在高中生物教學中巧妙地利用生物學模型，對于提高學生理性思維能力將會有重要的作用。

1 高中生物教學中的常用模型

利用“模型”來對生物學知識進行歸納和總結(jié)是一種行之有效的方法。

關(guān)于“模型”的界定，不同研究者有不同的觀點?！睹绹鴩铱茖W教育標準》認為，模型是“統(tǒng)一的科學概念和過程”，這些“概念和過程”包括體系、解釋、變化和測量、形式和功能等。而模型構(gòu)建則是指研究者運用模型的方法將抽象的、不可測的事實或過程借助身邊的材料、用具或應用數(shù)學方法、圖像等加以描述、概括總結(jié)的一種活動。在中學生物教學中，涉及的模型大體上可以分為物理模型、數(shù)學模型和概念模型等幾類。例如，DNA分子結(jié)構(gòu)模型和細胞膜流動鑲嵌模型的實物等屬于物理模型；種群數(shù)量增長的“J”型和“S”型曲線等屬于數(shù)學模型；而光合作用、呼吸作用的過程等屬于概念模型的范疇。大多數(shù)模型都是在限定條件下來描述生物學規(guī)則的。具體實例與模型吻合的程度取決于其與模型設定之間的相似度，相似度越高，利用模型進行推理時的結(jié)果越準確。

利用模型來描述生物學規(guī)則可以讓學生從龐雜的生物學事實中找到可以用來分析解決問題的“生物學邏輯”，對學生了解生命運行的規(guī)則非常有效。但是，教師要強調(diào)模型成立的條件（設定），只有這樣，才能夠讓學生客觀、準確、理性地形成對生物學概念的認識。在教學過程中，教師要注意引導學生強化對于重要模型的理解。只有真的掌握了這些標準模型，學生才有能力在遇到新情境時進行理性的分析與推理。

2 生物學模型在課堂教學中應用

2.1 數(shù)學模型——孟德爾定律

（1） 對模型的描述：

孟德爾定律描述的是染色體基因從親代向子代傳遞過程中的一般規(guī)律，其特征是會出現(xiàn)諸如3∶1、9∶3∶3∶1等典型的性狀分離比，所以筆者將其歸于數(shù)學模型的范疇。孟德爾定律并不能夠解釋所有的遺傳現(xiàn)象（例如同源染色體上非等位基因由于交叉互換導致的重組），但能夠量化描述和解釋大多數(shù)基因的遺傳過程，也可以作為“參考系”的標準。因此，孟德爾定律成為解釋遺傳現(xiàn)象過程中應用最多的標準模型，這個模型的成立建立在相當多的精確設定的基礎上。下面以“基因的分離定律”為例進行說明。

“基因的分離定律”的設定：

① 一對性狀由同源染色體上位于同一基因座的等位基因獨立控制；

② 不同等位基因之間表現(xiàn)為完全顯性；

③ 該基因無致死效應；

④ 無其他原因?qū)е碌呐渥又滤阑蚺咛ブ滤馈?/p>

只有在符合了上述設定的前提下，雜交后代才可能出現(xiàn)3∶1或1∶1的典型分離比。而學生在試題中常常遇到的1∶2∶1、2∶1等特殊的性狀分離比都是由于不符合該定律的設定所致，但是基本規(guī)則還是相同的。

（2） 符合模型描述情境的問題解決。

【例1】 （2012西城二模）水稻有香味是受基因控制的，其植株和種子均有香味。研究人員為確定香味基因的顯隱性，以有香味的“粵豐B”和無香味“320B”水稻為材料，互為父母本進行如下雜交實驗：

請分析回答：

（1） 從實驗結(jié)果分析，水稻有五香味的性狀是由

對基因控制的，其遺傳符合 定律，做出上述判斷的依據(jù)是 ，其中香味基因是 性基因。

教師引導學生利用類比遷移的方式將新情境與模型進行對比，從中發(fā)現(xiàn)其共性，培養(yǎng)學生的理性思維。

從題目給出的情境和數(shù)據(jù)可以看出，P代是兩種性狀，F(xiàn)1代只表現(xiàn)出一種性狀，F(xiàn)2代無香味、有香味之間的比例190∶57基本符合3∶1。這些都與“基因的分離定律”所描述的內(nèi)容相符合。通過理性的數(shù)據(jù)處理、邏輯分析和模型對比，學生很容易對上述基因控制性狀的規(guī)則作出解釋：該對性狀由位于染色體上的一對等位基因控制，無香味為顯性性狀。

而F2代無香味的植株中，約有1/3的后代自交后不出現(xiàn)性狀分離，有2/3的后代自交后出現(xiàn)性狀分離，這也符合分離定律對于F2代顯性性狀的個體中存在1/3純合子和2/3雜合子的描述，因此進一步驗證了上述的假設。

（3） 偏離模型描述情境問題解決。

【例2】 （2015年朝陽二模）家蠶為二倍體動物。野生型家蠶蠶蛾體色一般為白色，研究發(fā)現(xiàn)甲品系的蠶蛾體色雄性均為黑色，雌性均為白色。蠶蛾的該種體色由一對等位基因A、a控制。將甲品系純合家蠶與乙品系純合家蠶雜交，結(jié)果如下。

請回答下列問題：

（1）上述兩種雜交結(jié)果 ，表明控制蠶蛾此種體色的基因位于 染色體上。甲品系雌蛾與雄蛾的基因型 ，表現(xiàn)型不同，由此推測，此種體色除受相應基因控制外，還受 影響。

理性的邏輯分析不僅能夠在正向的模型擬合中起到重要的作用，而且也是數(shù)據(jù)偏離模型描述時，學生發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)與模型發(fā)生偏移原因的重要手段。也就是說，如果數(shù)據(jù)和模型匹配，那么直接利用模型來分析數(shù)據(jù)；如果數(shù)據(jù)和模型不匹配（發(fā)生偏移），那么就要利用模型來分析發(fā)生偏移的原因，而不是否定模型。

從題目給的描述很容易判斷出雜交一和雜交二互為正反交。而F1代沒有發(fā)生性狀分離和F2代出現(xiàn)的3∶1的性狀分離比也都符合“基因的分離定律”模型的描述，且正反交結(jié)果一致，應為常染色體遺傳。但是情境中也有和標準模型不符合的現(xiàn)象：

① 雜交一的P代雌性（甲品系）應為黑色，但情境中為白色；

② 正反交中F2代雌性也應該呈現(xiàn)白色∶黑色=3∶1的性狀分離比，但情境中全為白色。

在引導學生分析解決問題時，教師首先要肯定“基因的分離定律”模型的正確性，進而引導學生分析情境與標準模型描述發(fā)生偏離的原因。發(fā)生偏離的兩個現(xiàn)象中有一個共同點，就是異常均（只）發(fā)生在雌性個體中，而在雄性個體中的體色表現(xiàn)符合標準模型?！盎虻姆蛛x定律”成立的條件之一是“一對性狀由同源染色體上位于同一基因座的等位基因獨立控制”，而此情境中的體色表現(xiàn)明顯受到性別的影響，說明其基因控制性狀的方式偏離了標準模型的這一設定。而除此以外，該情境中其他的規(guī)則設定都與標準模型一致，調(diào)整設定后仍然可以利用該標準模型進行演繹推理、解決問題。

（4） 小結(jié)。

在解決上述問題的過程中，“基因的分離定律”這一數(shù)學模型相當于給學生提供了一個可供比較的“參考系”。這個“參考系”相當于一個標準，無論情境符合或偏離這個“參考系”，“參考系”本身不會發(fā)生改變。因此學生可以“參考系”描述的規(guī)則為依據(jù)進行理性的演繹推理，解決遇到的生物學問題。在利用標準模型的過程中，學生充分應用類比推理，這也是對理性思維的一種鍛煉。

2.2 數(shù)學模型——種群數(shù)量增長曲線

（1） 對模型的描述：

種群數(shù)量增長的“J”型和“S”型曲線是高中生物學教學中非常有代表性的兩個數(shù)學模型（見表1）。

這兩個模型描述了兩個極端情況下的種群增長情況，在自然狀態(tài)下，幾乎沒有和這兩種曲線完全吻合的種群增長情況。但是任何一種種群的增長過程，可能會在某一階段更偏向于某一種模型所描述的曲線，這意味著在這個時候該種群所處的環(huán)境條件可能更符合該模型成立的設定條件。

模型中呈現(xiàn)的“增長率”和“增長速率”這兩個參數(shù)在生態(tài)學上分別有著自己特有的含義?！霸鲩L率”反映的是種群在條件限定的生存壓力下的數(shù)量增長趨勢。對于“J”型增長模型來說，其成立的限定條件是“理想狀態(tài)”，因此種群能持續(xù)地以最大的增長率增長；在“S”型曲線描述的趨勢中，由于環(huán)境資源有限且恒定，每增加一個個體對于種群內(nèi)其他個體來說都是一種負向的制約，所以種群的“增長率”會隨著種群數(shù)量的增加持續(xù)下降，直到種群數(shù)量達到K值后，增長率也變?yōu)?，即種群數(shù)量維持不變。而“增長速率”描述的是種群在某一時刻單位時間內(nèi)增加的個體數(shù)量，體現(xiàn)在曲線中就是某一點的斜率?！癝”型曲線的增長速率在生產(chǎn)中有著重要的意義，可以通過模型的預估來確定捕魚的適宜時機等。

（2） 利用模型解釋種群的實際增長。

種群數(shù)量增長模型的應用對學生思維能力的鍛煉主要體現(xiàn)在模型成立條件與種群實際生態(tài)環(huán)境條件的比較上。學生需要根據(jù)材料信息進行理性的歸納、總結(jié)和分析，將其轉(zhuǎn)化為和模型成立條件類似的條件描述，進而進行對比，從而對種群實際增長過程進行合理的解釋。

從圖1中數(shù)據(jù)分析可知，在K點之前類似于“J”型增長曲線，說明這段時間環(huán)境中的資源充足，不是人口增長的限制因子；而虛線表示的是該地區(qū)的環(huán)境容納量，也就是資源能夠承載的人口上限，所以當人口數(shù)量到達O點時，會出現(xiàn)一個明顯的下降，直至q點，這說明由于人口過多，使得生存資源不足，環(huán)境容納量下降；而曲線的發(fā)展表明，環(huán)境資源的變化制約了該地的人口數(shù)量，導致人口呈現(xiàn)波動變化。

對上述每一個階段的分析，都是利用模型來完成的?？梢钥闯?，模型呈現(xiàn)的是一種可以用來解釋和描述生物學現(xiàn)象的規(guī)則。而同樣的，這個模型提供了一個可供參考的標尺，可以把實際的生物學現(xiàn)象與之進行比較，從而分析其中體現(xiàn)出來的生命科學運行的規(guī)則。在此過程中學生的理性思維能力起到了非常重要的作用，只有進行理性的邏輯分析和推理，才能充分地利用模型來解釋實際的生物學現(xiàn)象。

2.3 概念模型——光合作用過程

（1） 對模型的描述。

光合作用的過程是高中生物關(guān)于細胞代謝部分的重要內(nèi)容之一，也是難點部分。

光合作用概念模型的呈現(xiàn)形式有很多種，筆者認為人教版教材中這種形式（圖2）是最準確的。這個模型簡單、準確地描述了光反應和暗反應過程中物質(zhì)轉(zhuǎn)化的過程和場所。之所以說它簡單，是因為沒有包含光合作用的很多細節(jié)，比如水分解為[H]和O2是在類囊體膜內(nèi)完成、光反應向暗反應傳遞能量的載體除了ATP還包括[H]以及暗反應中復雜的物質(zhì)轉(zhuǎn)化等內(nèi)容。筆者認為，對于高中學生來說，這個模型是足夠的，只要能夠以物質(zhì)轉(zhuǎn)換為主線清晰地形成對于光合作用的理解，學生有能力在獲取信息的基礎上解決遇到的絕大部分相關(guān)問題。

（2） 利用光合作用模型進行解釋和推理。

【例3】 為研究棉花去棉鈴（果實）后對葉片光合作用的影響，研究者選取至少具有10個棉鈴的植株，去除不同比例棉鈴，3天后測定葉片的CO2固定速率以及蔗糖和淀粉含量。結(jié)果如圖。

（1） 光合作用碳（暗）反應利用光反應產(chǎn)生的ATP和 ，在 中將CO2轉(zhuǎn)化為三碳糖，進而形成淀粉和蔗糖。

（2） 由圖1可知，隨著去除棉鈴百分率的提高，葉片光合速率 。本實驗中對照組（空白對照組）植株CO2固定速率相對值是 。

（3） 由圖2可知，去除棉鈴后，植株葉片中 增加。已知葉片光合產(chǎn)物會被運到棉鈴等器官并被利用，因此去除棉鈴后，葉片光合產(chǎn)物利用量減少， 降低，進而在葉片中積累。

本題是對光合作用模型考查的典型范例，解題過程對學生理性思維能力有著較高的要求。

問題（1）是對模型內(nèi)容的簡單回溯性考查。問題（2）是對信息獲取和實驗設計的簡單考查，而獲取的信息需要與光合作用模型結(jié)合，為下面問題的解答作準備。學生需要通過理性的分析，將新信息整合到原有模型中，在限定條件下對原有模型進行補充和完善。問題（3）是對學生理性的分析和推理能力的充分考查。學生需要具備較強的整體分析能力，才能以光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化與運輸為線索將此模型進行重新整理，從而推理出正確的結(jié)論?？梢哉f，理性思維能力是學生解決此問題的必要條件。只有通過理性的信息整合和推理去理清此過程中的邏輯主線，才能真正看清本題想呈現(xiàn)給學生的重要概念——光合產(chǎn)物的含量可以反饋調(diào)節(jié)光合作用過程。

理性思維的形成是科學課教育的重要目的，而“邏輯性”在生物學理性思維中的比重是相當大的。從近年北京高考的理綜試題中不難看出，試題更多地考查“科學性”和“邏輯性”。生物學模型的建立有助于學生形成對重要生物學概念和過程的清晰理解，通過模型，教師可以拋開龐雜的生物學事實，建立起類似于數(shù)學中“定理”一般的規(guī)則描述。而掌握了這樣的規(guī)則之后，學生就有了解決問題的理論基礎，在遇到具體情境時，只要將模型類比遷移到新情境中，再參考具體的設定，就自然能通過邏輯來解決問題。生物學教育的目的并不是讓學生記住多少生物學事實，而是讓學生掌握利用生物學規(guī)則閱讀信息、分析推理和解決問題的能力。基于生物學模型的理性思維培養(yǎng)就是實現(xiàn)這個目的的有效方式。

參考文獻：

[1] 馮雪，彭凱平.技能和風格：理性思維的兩種測量途徑[J].心理科學進展，2015（9）：1 550-1 559.

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