高中生物學(xué)新課程中的模型、模型方法及模型建構(gòu)

洪啟燕

(蘇州市吳江區(qū)汾湖高級(jí)中學(xué) 江蘇蘇州 215200)

在高中生物課程教學(xué)中，模型構(gòu)建的方法是常用的輔助手段，其主要目的為幫助學(xué)生深入理解生物知識(shí)，幫助學(xué)生全面分析生物理論內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生形成簡(jiǎn)化思維的能力與方法，能夠?qū)⒊橄蟮纳飭?wèn)題進(jìn)行具象化處理。在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，部分教師缺乏這種建模教學(xué)的意識(shí)與方法，起不到提升學(xué)生的作用，甚至對(duì)學(xué)生的正常學(xué)習(xí)產(chǎn)生干擾。因此，如何有效地將生物模型及其構(gòu)建方法融入教學(xué)環(huán)節(jié)、推廣建模思路與經(jīng)驗(yàn)、引導(dǎo)學(xué)生了解建模的一般規(guī)律是重要的生物教學(xué)議題，具有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)效用。

一、概念解析

(一)模型

模型，即基于科學(xué)探究以及合理猜想所總結(jié)出的一般性、概括性的物質(zhì)或思維形式。模型是事物的真實(shí)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(guī)律總結(jié)；既可以是定性描述，又可以是定量分析。在高中生物教學(xué)中，模型是基于特定目的而進(jìn)行的一種簡(jiǎn)化描述。

(二)模型方法

模型方法是指借助模型這種簡(jiǎn)潔的手段來(lái)認(rèn)識(shí)、分析物質(zhì)或過(guò)程的本質(zhì)、特征的科學(xué)研究方法。在科學(xué)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(gòu)

在建構(gòu)性學(xué)習(xí)方式中，模型建構(gòu)是一種有效的實(shí)現(xiàn)途徑，通過(guò)構(gòu)建相應(yīng)的模型，輔助學(xué)生直觀地理解某一物質(zhì)、某一現(xiàn)象或是某一動(dòng)態(tài)過(guò)程。值得注意的是，高中生物中的模型構(gòu)建與普通科學(xué)研究中的模型構(gòu)建存在一定的相似性，同時(shí)也有區(qū)別，兩者存在思維過(guò)程中存在契合點(diǎn)，但在模型的建構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)”，可以用來(lái)解釋現(xiàn)象以及變化過(guò)程。具體而言，高中生物涉及的模型方法有很多，可以總結(jié)為以下幾種：

(一)物理模型

物理模型常常用來(lái)表征物質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，經(jīng)常在描述極其微小或龐大的物質(zhì)時(shí)使用。高中生物中典型的物理模型有細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型、DNA與RNA分子結(jié)構(gòu)模型、生物膜的流動(dòng)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(guò)于抽象的問(wèn)題，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生更加直觀地認(rèn)識(shí)到生物狀態(tài)及過(guò)程，如血糖的平衡調(diào)節(jié)模型，通過(guò)生物現(xiàn)象的生理學(xué)過(guò)程內(nèi)核構(gòu)建模型，將生物過(guò)程具象化表達(dá)，便于學(xué)生的理解。

(三)數(shù)學(xué)模型

顧名思義，數(shù)學(xué)模型就是借助數(shù)學(xué)公式、符號(hào)等要素來(lái)表示某些生物現(xiàn)象或過(guò)程的規(guī)律，比如種群的發(fā)展變化模型，通過(guò)構(gòu)建“S”型曲線和“J”型曲線來(lái)揭示種群發(fā)展的規(guī)律及其影響因子。

三、模型建構(gòu)案例解析——以“DNA分子結(jié)構(gòu)”模型構(gòu)建為例

在高中生物教學(xué)過(guò)程中，構(gòu)建模型往往包含分析、建構(gòu)、修正、應(yīng)用四個(gè)步驟。

“分析”是指對(duì)生物物質(zhì)或過(guò)程原型本質(zhì)特征的梳理，重點(diǎn)描述其中的本質(zhì)屬性，弱化邊緣特征。例如，在構(gòu)建真核細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)模型之前，需要對(duì)細(xì)胞膜、細(xì)胞核等的形狀大小、結(jié)構(gòu)特征、區(qū)域分布、功能屬性等本質(zhì)特征進(jìn)行總結(jié)。

“建構(gòu)”模型時(shí)，一般按照由點(diǎn)及面、從部分延伸至整體、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的原則進(jìn)行。以上述教學(xué)過(guò)程為例，在構(gòu)建完整的整合細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型之前，需要將其拆分成數(shù)個(gè)個(gè)體，如細(xì)胞膜、細(xì)胞核等，分別構(gòu)建這些細(xì)胞器的物理模型，最終整合成一個(gè)完整的真核生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型。

在構(gòu)建完模型之后，教師與學(xué)生需要共同評(píng)價(jià)模型構(gòu)建的結(jié)果，如果存在問(wèn)題，就需要進(jìn)一步修正，保證所構(gòu)建的模型可以科學(xué)、準(zhǔn)確地反映所研究的物質(zhì)或過(guò)程。

(一)教學(xué)內(nèi)容分析

“DNA分子結(jié)構(gòu)”一節(jié)的內(nèi)容主要包括DNA的結(jié)構(gòu)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(bǔ)配對(duì)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(jié)的教學(xué)過(guò)程中，主要涉及了“DNA分子結(jié)構(gòu)”以及“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”的構(gòu)建，前者為教學(xué)重點(diǎn)，后者為本節(jié)教學(xué)的難點(diǎn)。

(二)模型構(gòu)建過(guò)程

1．情境創(chuàng)設(shè)

DNA是一種重要的遺傳物質(zhì)，之所以能作為承載遺傳信息的媒介，就是因?yàn)槠浞肿咏Y(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定性。在這節(jié)課之前，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)脫氧核糖核酸的相關(guān)內(nèi)容，本節(jié)課我們要探究的就是DNA的分子結(jié)構(gòu)。

2．模型構(gòu)建

DNA分子的基本構(gòu)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(dǎo)學(xué)生構(gòu)建脫氧核糖核苷酸的物理模型。經(jīng)過(guò)交流與總結(jié)，學(xué)生會(huì)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(gòu)建脫氧核糖核苷酸的物理模型之后，需要思考這樣一個(gè)問(wèn)題：脫氧核糖核苷酸分子是如何連接到一起的呢？這時(shí)，教師可以給學(xué)生一些提示，補(bǔ)充一些關(guān)于堿基連接以及雙螺旋結(jié)構(gòu)的背景知識(shí)，在此基礎(chǔ)上讓學(xué)生大膽猜想脫氧核糖核酸的分子結(jié)構(gòu)。

A.堿基對(duì)連接

在進(jìn)行構(gòu)建脫氧核糖核苷酸單個(gè)分子模型之后，可以參考蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。1951年，富蘭克林在鮑林研究蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得出了單個(gè)脫氧核糖核苷酸分子是由其中一個(gè)核苷酸分子的磷酸基團(tuán)與另一個(gè)核苷酸分子脫氧核糖上的3號(hào)碳原子連接而成的。

查戈夫研究DNA分子時(shí)，發(fā)現(xiàn)各種生物DNA分子中的堿基含量都有這樣一個(gè)特征：A=T，C=G；多納休通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，堿基之間是通過(guò)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(jié)構(gòu)

1952年，威爾金斯和富蘭克林通過(guò)X射線觀察DNA的有關(guān)結(jié)構(gòu)，推斷DNA分子呈現(xiàn)螺旋狀。但是，這種螺旋鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)并不是簡(jiǎn)單的單鏈，也不是三鏈甚至是更復(fù)雜的多鏈。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的實(shí)驗(yàn)與分析，最終得出DNA分子的空間結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出雙螺旋結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過(guò)以上的輔助講解，學(xué)生可以理清楚兩個(gè)問(wèn)題：首先，DNA分子是雙螺旋結(jié)構(gòu)，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?zhǔn)峭ㄟ^(guò)堿基進(jìn)行連接的，連接方式為A與T通過(guò)雙氫鍵連接，C與G之間通過(guò)三氫鍵連接。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生對(duì)DNA的空間結(jié)構(gòu)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，教師可以安排學(xué)生構(gòu)建含有12個(gè)脫氧核糖核苷酸的DNA分子。

(四)教學(xué)反思總結(jié)

通過(guò)本節(jié)課的教學(xué)，學(xué)生能加深對(duì)高中生物學(xué)科中物理模型的構(gòu)建形成更深層次的理解，在活動(dòng)中學(xué)生的注意力也更加集中，教學(xué)效果更好。同時(shí)，構(gòu)建模型的過(guò)程也是探究與合作學(xué)習(xí)的過(guò)程，整體上看，在這種寓教于樂(lè)的氛圍中，學(xué)生可以更加投入到學(xué)習(xí)中去。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，高中生物教學(xué)中的模型方法需要通過(guò)構(gòu)建模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。在模型建構(gòu)的基礎(chǔ)上，教師還需要引導(dǎo)學(xué)生觀察生物現(xiàn)象及其過(guò)程，將其與已有的生物學(xué)理論知識(shí)相結(jié)合，充分歸納，合理演繹，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的簡(jiǎn)化，抽象出其中的本質(zhì)屬性。