生物模型的分類特點及構建方法

生命科學研究常常運用模型。科學家用模型代表所研究事物的例子很多，在科學界被傳為佳話的DNA雙螺旋結構模型就是著名一例。沃森和克里克在自己和別人研究數據成果的支持下，用自制材料精心搭成的這個模型，非常形象、直觀地揭示了DNA分子結構地化學組成、三維空間結構情況。可以說，在這項具有劃時代意義的偉大工作中，模型方法與模型構建起到了極其重要的作用。

生物模型可以是一種特定的研究對象，也可以是表示研究對象結構或功能的符號、圖表或函數式；可以是一種研究過程、思維方法，也可以是研究成果的表達。高中生物課程標準將模型方法列為科學過程方法技能的一個方面。要求學生不僅對生物模型的分類有一定的了解，還要初步學會構建一些基本的模型。本文擬對生物模型的分類特點及其構建方法進行探討，以供參考。

1 生物模型的分類

生物模型可以分為物質形式和思維形式兩大類型。

1．1 從物質形式角度

生物模型可以分為真實模型、替代模型以及人工模擬模型等幾種類型。

(1)真實模型。為了能更好地探究某項生命活動規律而選用某些方面具有典型意義或特別便利的生物(含微觀、宏觀兩個方向的生命層次)，這就是真實模型。真實模型的選擇往往是精心的、慎重的，因為通過其研究所獲得的生命活動規律須具有通適性、典型性，能推廣到其他生物。如孟德爾、摩爾根分別以豌豆、果蠅為研究模型，研究發現了遺傳的三大規律；林德曼、奧頓分別選擇美國的2個天然湖泊、河流——賽達伯格湖、銀泉為生態系統模型，深入研究并揭示出生態系統的能量流動規律。

(2)替代模型。如果由于種種原因，直接用研究對象進行實驗研究不太可能，而用其他生物代替研究對象進行研究，這些替代生物就稱為替代模型。如常用豚鼠、獼猴等動物代替人體進行疾病機理探究、疫苗研制、藥物試驗等工作，例如誘發豚鼠血脂增加作為高血脂患者的模型，利用這個替代模型來篩選降血脂的藥物。

(3)人工模擬模型。有些科學問題的探究既無法用真實模型，也無法找到替代模型，此時，科學家們想出了用人工模擬的方法來開展研究。比較著名的是生命起源研究裝置和生物圈Ⅱ號2個人工模擬模型。對于生命起源問題的探索，人們根本無法再現當時的情形。但是在1953年，美國學者米勒在實驗室內成功地模擬了在時間上極為遙遠的自然條件(原始大氣、原始海洋)，證明了生命起源的化學進化過程在40多億年以前是可能存在的。美國科學家于1984年開始模擬生物圈的結構和功能，建造了有半個足球場大小的、完全封閉的生態實驗室，在這個巨大的玻璃罩里，有微型的森林、沙漠、農田、海洋和溪流，這就是“生物圈Ⅱ號”。1993年1月8位科學家進駐這個人工模擬的生物圈模型中開展研究。

中學教材里，也有一些人工模擬模型，如探究性狀分離比的實驗模型、探究生態系統穩定性的小生態瓶等。

1．2 從思維形式角度

生物模型的表現形式有物理模型、概念模型、數學模型、軟件模型等。

(1)物理模型。以實物或圖畫形式直觀反映認識對象的形態結構或三維結構，這類實物或圖畫即為物理模型。實物模型常見的有DNA雙螺旋結構模型、真核細胞亞顯微結構模型等，圖畫模型則有C₃、C₄植物葉片結構示意圖、三倍體無子西瓜的培育過程圖解、池塘生態系統模式圖等。物理模型的特點是：實物或圖畫的形態結構與真實事物的特征、本質非常相像，大小一般是按比例放大或縮小的。

(2)概念模型。以圖示、文字、符號等組成的流程圖形式對事物的生命活動規律、機理進行描述、闡明，這就是概念模型。例如動植物細胞的有絲分裂、減數分裂圖解、光合作用示意圖、中心法則圖解、過敏反應機理圖解等。概念模型的特點是圖示比較直觀化、模式化，由箭頭等符號連接起來的文字、關鍵詞比較簡明、清楚，它們既能揭示事物的主要特征、本質，又直觀形象、通俗易懂。

(3)數學模型。用來表達生命活動規律的計算公式、函數式、曲線圖以及由實驗數據繪制成的柱形圖、餅狀圖等稱為數學模型。如酶的活性變化曲線、種群增長曲線、微生物生長曲線，還有種群密度計算公式、組成細胞的化學元素餅狀圖、能量金字塔等。曲線圖的特點是在利用坐標系描述2個變量之間的定性或定量關系；柱形圖是依據實驗數據在坐標系內用柱形方式表示的2個變量之間不連續的定量關系；餅形圖通常是百分比含量的圓餅狀表示；計算公式或函數式則是根據數學上的等量關系、用字母符號建立起來的變量之間定量關系式。

(4)軟件模型。用計算機語言編寫、反映變量之間邏輯關系的應用生物程序稱為軟件模型。如弗里斯特等根據他們對人口增長、工業發展、糧食增長、不可再生資源的消耗以及環境污染的研究，用幾十個相互聯系的變量組成了一個模型，借助計算機進行各種運算，一方面對模型進行檢驗，同時也可以對未來作出預測。這種抽象模型的計算機模擬在生態學、群體遺傳學、基因組研究等很多領域里已成為重要的研究方法。

2 生物模型的構建方法

新課標中建立模型被列為一項技能目標，并作為高中學生必備的生物科學素養。國家和地方的新高考大綱(說明)也已明確將這一技能素養的掌握水平作為考核對象，2007年全國高考生物江蘇卷中就已出現涉及模型構建問題的考核嘗試。因此，在平時的教學和高考復習中，教師和考生都要予以重視。由于新課標要求學生學會建立的模型主要是思維形式的模型，因此筆者擬針對幾種常見思維模型的構建方法提出如下建議。

2．1 建立模型的一般程序

(1)掌握原理。掌握模型所代表的知識、過程、規律、機理等，弄清模型的構成要素或包含內容之間的邏輯關系。

(2)明確類型。明確所構建的模型屬于哪種類型，知道該種模型的特點及表現形式。

(3)構建草圖(框架)。選擇適當的圖形、文字、符號勾勒出草圖，或用適當的搭建框架。基于模型的通適性、典型性，所以在構建時只需要考慮大多數情況即可，一般不考慮極少數情況或特例。

(4)修飾完善。對照原理查驗所構建的草圖(框架)，確保其科學性；然后進一步修飾完善模型，力求規范、簡潔、直觀、有美感；最后構建出正式的模型。

(5)補充詮釋。對一些模型要添加必要的文字說明、示例、圖注等，使模型更科學、更清楚、更規范。

2．2 幾種常見模型構建方法的建議

上面雖然介紹了模型構建的一般程序，但是不同形式的模型在構建時都有各自具體的程序和方法．因此有必要分別加以說明。

(1)實物形式的物理模型：①熟悉所構建對象的結構組成和空間構象；②選取合適的構建材料，選材的原則是：相仿、方便、實用、簡易、醒目易識別；③確定適當的模型及構件的比例和大小；④制作模型的構件；⑤構件組裝；⑥對照復查，微調完善。(2)由圖示文字、符號混合組成的概念模型。①熟悉所構建對象的顯著特征、過程要點、變化規律；②勾勒草圖，形象、清楚地用圖示突出構建對象的顯著特征，可忽略次要或無關的細節；③在圖示上或圖示之間用必要的文字注釋、符號連接來輔助說明，使圖示表達清晰；要注意圖示位置的布局，力求圖示、文字、符號組合的合理、協調、美觀；④對照、修飾、完善之后，正式繪制，并配以準確的圖注。例如圖1。

(3)由文字、符號組成的概念模型。①熟悉所構建對象的規律、原理及其內在聯系；②選擇好最能反映規律、原理、環節的關鍵詞或核心詞，并確定它們之間的連接方式；③在草稿上將含有關鍵詞的方框、圓圈等進行合理擺布，再用箭頭等符號表明關鍵詞之間的聯系；在箭頭上注明聯系名詞、行為動詞或“+”、“-”等符號；④對照、修飾、完善之后，正式繪制，并配以準確的圖注。

題例見2007高考生物江蘇卷第37題。

分析：由于首次在高考中涉及模型構建問題的考查，故本題關于人體內K⁺的動態平衡模型構建要求相對比較簡單：模型框架已搭好，有關K⁺吸收、排出及其在內環境和細胞之間動態變化的核心詞也都給出，只須用箭頭表示即可。所以本題的關鍵就在于弄清了血鉀與組織液K⁺、細胞內液中K⁺以及尿液中K⁺之間的內在邏輯關系，即可順利構建模型。當然構建過程中還要注意以下兩點：①用箭頭符號表示動態關系時，單向滲透關系的用一個單箭頭表示，相互滲透關系的用兩個方向相反的箭頭表示；②模型一般不考慮特殊或極少數的情形，本題就血細胞、血管壁細胞等特殊細胞已作了不予考慮的提示，故血鉀與細胞內液中K⁺之間的特殊關系不應考慮。

(4)曲線圖形式的數學模型。①明確自變量和因變量，弄清它們之間的生物學意義及其兩者之間的變化關系；②繪制坐標系，確定2個坐標軸所代表的變量，標出適當的單位；③依據題中數據信息或分析出來的變量關系，找出曲線的特征點——起點、拐點(變化點)、頂點、終點等；在坐標系中將這些點標出后，用鉛筆輕輕描出曲線的大致變化走勢；④對照數據信息進行檢驗復查，在修飾微調無誤后，用鉛筆加粗描繪出正式的曲線；繪制曲線時，應盡量使曲線連貫、平滑、美觀；⑤如果需繪制多條曲線，還要注意曲線之間的邏輯關系和位置關系，并注明各條曲線對應的名稱；⑥寫上曲線圖的圖注，注意數軸單位的標準化或與題中要求一致。

(5)計算公式、函數式形式的數學模型。①根據所提供的信息材料，提取出已知量、未知量(或自變量、因變量)并用適當的字母表示；②運用生物知識和數學知識確定等量關系；③經過仔細運算。求解出計算公式(或函數式)；④注意單位的標準、統一。

題例見2007高考生物江蘇卷第41題。

分析：本題實質上是要求構建一個計算模型。已知量(第一次捕獲并標記個體數M、重捕中標記個體數m、重捕獲總數n)和未知量(樣方中該種群的數量N)還是比較清楚的；等量關系也已給出：重捕取樣中標記比例與樣方總數中標記比例相等；依據等量關系可列出如下關系式：N:M=n:m，進而求出樣方中該種群總數的計算公式，即N=Mn／m，單位是只。

(6)柱形圖形式的數學模型。①弄清材料中數據信息所代表的生物學意義及其變化規律或因果關系；②明確2個坐標軸所代表的變量，確定合適的單位大小并在軸上標出；③依照數據分別確定“柱子”的位置、高度、寬度，在坐標系中輕輕畫出“柱子”：④對照數據進行復查，無誤后加粗畫出正式的柱形圖；⑤如果橫軸上要表達的變量不止一個，即每一個“單位格”上要繪制2個或3個“柱子”時，要注意不同“柱子”的區分，并用圖例標注出來；⑥寫上柱形圖的圖注，注意數軸單位的標準化或與題中要求一致。

題例見2007高考生物江蘇卷第40題。

分析：本題的考查目標是學生在研究性學習過程中對數據結果的處理和表達的能力水平，構建柱形圖形式的數學模型的技能水平。首先，從表格中提取到的與構建模型有關的信息是：5種生物體內2種污染物的含量數據；接著，確定出坐標軸所代表的變量：橫軸代表5種生物體內的2種污染物(2個變量)，縱軸代表千克體重污染物的含量；依據表中污染物含量的最大值(96)及其它數據，可確定100為縱軸適宜的最大值，單位以20為宜，并在縱軸上標出；由于每種生物要繪出2種污染物的“柱子”，可用空白“柱子”和陰影“柱子”來表示并區分；依照數據分別確定5種生物10個“柱子”的位置、高度、寬度，然后輕輕畫出“柱子”；復查無誤后加粗畫出正式的柱形圖；最后。在坐標系右上方標注出“柱子”的圖例，寫出縱軸代表的變量及單位：千克體重污染物的含量／mg。