“物理模型與建模”在高中生物教學中的應用

郭衛華

摘 要：伴性遺傳發病率和能量傳遞一直以來都是高中生物中的重難點及高考中的高頻考點.教學中通過構建簡易物理模型，既有利于重難點的突破，又能激發學生的學習興趣，真正將“做中學”落實到課堂中.

關鍵詞：伴性遺傳;能量傳遞;物理模型

物理模型在高中生物學習中常被提及，在教學中構建生物學模型有助于學生系統地、完整地學習和理解新知識，更有助于學生運用生物學模型去解決生物學問題[1].教學中筆者首先通過抽獎游戲將“抽象問題具體化”，把難以把握又存在復雜關系的伴性遺傳發病率的問題，轉變成直觀的具體問題讓學生去思考;再運用“剪切”紙片方式構建紙片模型，清晰再現了能量傳遞的過程.構建兩次物理模型，幫助學生突破難點的同時，顯著提高了學生的有意注意和參與度，促進學生小組討論與合作學習，大大提高了課堂學習的效率.

1 構建“抽獎模型”突破伴性遺傳發病率計算

1.1 抽獎模型的構建

（1）抽獎箱設計：先以伴X隱性遺傳病為例，Xd為致病基因，構建抽獎箱（如圖1）.具體方法是：用一個不透明的紙箱，上方挖一個僅可以伸進手的小洞，紙箱中放入93個白色小球（代表93個XD基因），7個黑色小球（代表7個Xd基因）.獎箱中的XD基因與Xd基因的比例代表人群中XD基因與Xd基因的比例.

（2）抽獎原則及程序：女生有兩條X染色體，抽兩次獎組合在一起代表其基因型.男生只有一條X染色體，故只抽一次，然后與Y染色體組合在一起代表其基因型.抽獎程序為：①抽獎者先將手放置在抽獎箱口，但不要放入;②抽獎前閉眼，然后由抽獎監督員搖晃獎箱3次;③抽出一個球展示給記錄員，做好記錄;④每次抽獎后再將球放回原獎箱.最后，統計全班男生和女生的“發病率”，進行比較.

1.2 理論計算

依據構建的抽獎模型，讓學生從理論上計算出男女各自的發病率.對于伴X隱性遺傳病，假設人群中Xd基因占7%，XD基因占93%，則男性因只有1條X染色體，故只有一次抽獎機會.男性中患者（即抽到Xd基因的概率）占7%，男性中正常（即抽到XD基因的概率）占93%.女性中患者XdXd的比例（即為兩次均抽到Xd基因的概率）為7%×7%=0.49%，正常的概率為1-0.49%=99.51%.由此不難看出，在伴X隱性遺傳病中，男性的發病率高于女性，人群中的男患者多于女患者.

1.3 類比法-自主計算伴X顯性遺傳病男女發病率

假設人群中XE基因占7%，Xe基因占93%，XE為致病基因.請依據抽獎模型，分別計算出男性和女性的發病率.要求學生先獨立計算，再小組討論交流，最終，各小組派代表展示本組結果：男性因只有1條X染色體，故只有一次抽獎機會，男性中患者（即抽到XE基因的概率） XEY為7%，男性中正常（即抽到Xe基因的概率） XeY為93%.女性中正常XeXe的比例（即為兩次均抽到Xe基因的概率）為93%×93%=86.49%，女性中患病的概率則為1-86.49%=13.51%.由此不難看出對于伴X顯性遺傳病，女性的發病率高于男性，在人群中女性患者多于男性患者.

1.4 小組討論、比較與分析

為什么實際抽獎得到的統計概率不論是X隱性或X顯性與計算得出的理論數據之間差距較大？如何才能讓實際抽獎得到的統計概率更為貼近理論數據呢？通過小組討論，活躍學生思維，促進合作學習.通過各小組代表發言、展示，最后得出結論：抽獎次數太少導致偏離理論值.如果把整個年級共18個班的數據（甚至全校所有年級的數據）分別集中在一起，再展開討論，學生對伴性遺傳病男女發病率不同的原因就有了比較定量的、深刻的理解.并認識到統計性狀分離比時，數據要盡可能地多，這樣理論值和實際值才能更接近.

2 構建紙片模型，再現能量傳遞過程

2.1 “剪切”紙片—確定不同營養級的同化量

2.1.1 創設問題情境

生態系統中能量是通過食物鏈和食物網的渠道傳遞.不同顏色的紙片來代表不同營養級，紙片的大小可表示能量的多少[2].教學中為方便交流，規定統一用綠紙片代表生產者同化的能量、用黃色紙片代表初級消費者同化的能量、用紅色紙片代表次級消費者同化的能量.

2.1.2 學生活動

如果以能量傳遞效率20%計算，可構建生產者（100=10×10）、初級消費者（20=4×5）、次級消費者（4=2×2）的紙片模型（如圖2）.

同理，如果以能量傳遞效率10%計算，可構建生產者（100=10×10）、初級消費者（10=2×5）、次級消費者（1=1×1）的紙片模型（此處略），三級消費者由于同化的能量值較小，用紙片表示比較困難.

2.2 “拆分”紙片—確定能量的來源和去路

2.2.1 創設問題情境

生產者固定的太陽能是流經該生態系統的總能量，生產者同化的能量只有一部分傳遞給了初級消費者.根據能量守恒定律，其他的能量到哪里去了？請在大小合適的紙片上寫上能量的去路.

2.2.2 學生活動

學生討論和查閱教材后得出，生產者同化的能量，一部分在呼吸作用中以熱能的形式散失，另一部分儲存在植物體內.儲存在植物體內的能量，一部分隨著植物體的衰老死亡以枯枝落葉的形式被分解者分解而散失，一部分會通過初級消費者的取食而流入初級消費者，還有一部分未被利用.學生列出如圖3所示的能量去路圖.

2.3 “回拼”紙片—確定能量之間的關系

生產者同化的能量，除了呼吸消耗、初級消費者同化和分解者分解這3條途徑之外，還有部分能量未被利用，根據能量守恒定律，這4個紙片的大小總和應該等于生產者同化量紙片的大小.將這4個紙片貼回到代表生產者同化能量的紙片中（如圖4）.

同理，初級消費者同化的能量也可以分成4個部分，也可以進行回拼，這里就不再贅述.通過回拼圖片的過程，學生能夠理清這個基本等式：每一營養級同化量=自身呼吸消耗+下一營養級同化+分解者分解+未被利用.

通過構建紙片模型，可加深學生對過程、規律的理解.在能量流動教學中，選用彩色紙片制作物理模型，一方面是因為紙片易于剪裁和粘貼，便于再現能量流動的過程;另一方面是因為彩紙顏色豐富，更易區分，便于幫助學生區分能量值之間的關系.用紙片模擬生態系統中能量流動過程，能夠給學生新的刺激情境，學生在這個情境中可利用已有的圖式或認知結構，通過邏輯思維和推理把動態拼圖的過程整合到認知結構中，把外在的知識內化為自己的知識，實現知識的同化和加深[3].

生物學是一門以實驗為基礎的科學，由于受到主客觀因素的限制，像遺傳病發病率及生態系統能量流動的過程等在高中階段難以通過實際實驗進行觀察和數據統計.教學中通過構建簡易物理模型，既可激發學生學習興趣、給學生新的刺激情境;又能化繁為簡、很好地將重難點突破;真正將“做中學”落實到課堂中，保證課堂教學效果.

參考文獻：

[1]夏祥斌. 在高中生物學教學中應用模型構建化解抽象問題[J].生物學教學，2012，37（12）：19-21.

[2]張純，唐曉春，馮瑤瓊.“能量流動”物理模型的構建與應用[J].中學生物教學，2018（23）：14-15.

[3]張德超，趙蘋.生物教學中能量流動的理解誤區與闡釋[J].教學與管理，2017（28）：58-59.

（收稿日期：2019-11-25）