高中生物學新課程中的模型、模型方法及模型建構

洪啟燕

(蘇州市吳江區汾湖高級中學 江蘇蘇州 215200)

在高中生物課程教學中，模型構建的方法是常用的輔助手段，其主要目的為幫助學生深入理解生物知識，幫助學生全面分析生物理論內容，引導學生形成簡化思維的能力與方法，能夠將抽象的生物問題進行具象化處理。在實際的教學過程中，部分教師缺乏這種建模教學的意識與方法，起不到提升學生的作用，甚至對學生的正常學習產生干擾。因此，如何有效地將生物模型及其構建方法融入教學環節、推廣建模思路與經驗、引導學生了解建模的一般規律是重要的生物教學議題，具有極強的現實效用。

一、概念解析

(一)模型

模型，即基于科學探究以及合理猜想所總結出的一般性、概括性的物質或思維形式。模型是事物的真實表征，具有試探性與解釋性，既是抽象的高度概括，又是具象的規律總結；既可以是定性描述，又可以是定量分析。在高中生物教學中，模型是基于特定目的而進行的一種簡化描述。

(二)模型方法

模型方法是指借助模型這種簡潔的手段來認識、分析物質或過程的本質、特征的科學研究方法。在科學研究方法體系中，模型方法屬于思維方法的一種。

(三)模型建構

在建構性學習方式中，模型建構是一種有效的實現途徑，通過構建相應的模型，輔助學生直觀地理解某一物質、某一現象或是某一動態過程。值得注意的是，高中生物中的模型構建與普通科學研究中的模型構建存在一定的相似性，同時也有區別，兩者存在思維過程中存在契合點，但在模型的建構目的、背景方面存在差異性。

二、高中生物中的常見模型

模型的原意為“樣本”或“標準”，可以用來解釋現象以及變化過程。具體而言，高中生物涉及的模型方法有很多，可以總結為以下幾種：

(一)物理模型

物理模型常常用來表征物質的三維結構，經常在描述極其微小或龐大的物質時使用。高中生物中典型的物理模型有細胞結構模型、DNA與RNA分子結構模型、生物膜的流動鑲嵌模型等。

(二)概念模型

概念模型的作用就是解決文字表述過于抽象的問題，進而引導學生更加直觀地認識到生物狀態及過程，如血糖的平衡調節模型，通過生物現象的生理學過程內核構建模型，將生物過程具象化表達，便于學生的理解。

(三)數學模型

顧名思義，數學模型就是借助數學公式、符號等要素來表示某些生物現象或過程的規律，比如種群的發展變化模型，通過構建“S”型曲線和“J”型曲線來揭示種群發展的規律及其影響因子。

三、模型建構案例解析——以“DNA分子結構”模型構建為例

在高中生物教學過程中，構建模型往往包含分析、建構、修正、應用四個步驟。

“分析”是指對生物物質或過程原型本質特征的梳理，重點描述其中的本質屬性，弱化邊緣特征。例如，在構建真核細胞三維結構模型之前，需要對細胞膜、細胞核等的形狀大小、結構特征、區域分布、功能屬性等本質特征進行總結。

“建構”模型時，一般按照由點及面、從部分延伸至整體、由簡單到復雜的原則進行。以上述教學過程為例，在構建完整的整合細胞結構模型之前，需要將其拆分成數個個體，如細胞膜、細胞核等，分別構建這些細胞器的物理模型，最終整合成一個完整的真核生物細胞結構模型。

在構建完模型之后，教師與學生需要共同評價模型構建的結果，如果存在問題，就需要進一步修正，保證所構建的模型可以科學、準確地反映所研究的物質或過程。

(一)教學內容分析

“DNA分子結構”一節的內容主要包括DNA的結構特征，即四種脫氧核糖核酸組成兩條反向平行的堿基鏈，具有堿基互補配對的重要特征，其中堿基的排列順序就表征了遺傳信息。在這一節的教學過程中，主要涉及了“DNA分子結構”以及“DNA雙螺旋結構模型”的構建，前者為教學重點，后者為本節教學的難點。

(二)模型構建過程

1．情境創設

DNA是一種重要的遺傳物質，之所以能作為承載遺傳信息的媒介，就是因為其分子結構的相對穩定性。在這節課之前，我們已經學習過脫氧核糖核酸的相關內容，本節課我們要探究的就是DNA的分子結構。

2．模型構建

DNA分子的基本構成單位是脫氧核糖核苷酸，而一分子脫氧核糖核苷酸由什么組成呢？教師可以引導學生構建脫氧核糖核苷酸的物理模型。經過交流與總結，學生會將脫氧核糖核苷酸劃分為三部分，即磷酸(圓形A)、脫氧核糖(五邊形B)以及堿基(矩形C)。

在構建脫氧核糖核苷酸的物理模型之后，需要思考這樣一個問題：脫氧核糖核苷酸分子是如何連接到一起的呢？這時，教師可以給學生一些提示，補充一些關于堿基連接以及雙螺旋結構的背景知識，在此基礎上讓學生大膽猜想脫氧核糖核酸的分子結構。

A.堿基對連接

在進行構建脫氧核糖核苷酸單個分子模型之后，可以參考蛋白質的結構。1951年，富蘭克林在鮑林研究蛋白質分子結構的基礎上，經過實驗分析得出了單個脫氧核糖核苷酸分子是由其中一個核苷酸分子的磷酸基團與另一個核苷酸分子脫氧核糖上的3號碳原子連接而成的。

查戈夫研究DNA分子時，發現各種生物DNA分子中的堿基含量都有這樣一個特征：A=T，C=G；多納休通過實驗得出，堿基之間是通過氫鍵連接的，并且滿足：A、T之間由雙鍵連接，C、G之間由三鍵連接。

B.雙螺旋結構

1952年，威爾金斯和富蘭克林通過X射線觀察DNA的有關結構，推斷DNA分子呈現螺旋狀。但是，這種螺旋鏈式結構并不是簡單的單鏈，也不是三鏈甚至是更復雜的多鏈。經過一段時間的實驗與分析，最終得出DNA分子的空間結構呈現出雙螺旋結構。

經過以上的輔助講解，學生可以理清楚兩個問題：首先，DNA分子是雙螺旋結構，由兩條脫氧核糖核苷酸鏈相連而成；其次，這兩條脫氧核糖核苷酸鏈是通過堿基進行連接的，連接方式為A與T通過雙氫鍵連接，C與G之間通過三氫鍵連接。在此基礎上，學生對DNA的空間結構有了進一步的認識，教師可以安排學生構建含有12個脫氧核糖核苷酸的DNA分子。

(四)教學反思總結

通過本節課的教學，學生能加深對高中生物學科中物理模型的構建形成更深層次的理解，在活動中學生的注意力也更加集中，教學效果更好。同時，構建模型的過程也是探究與合作學習的過程，整體上看，在這種寓教于樂的氛圍中，學生可以更加投入到學習中去。

四、結語

綜上所述，高中生物教學中的模型方法需要通過構建模型來實現。在模型建構的基礎上，教師還需要引導學生觀察生物現象及其過程，將其與已有的生物學理論知識相結合，充分歸納，合理演繹，實現對復雜問題的簡化，抽象出其中的本質屬性。