淺析美國中學(xué)生物教科書中的幾個模型構(gòu)建

劉成權(quán)

模型是用來顯示復(fù)雜事物或過程的表現(xiàn)手段，如圖畫、圖表、計算機圖象等。建立模型可幫助學(xué)生理解生命活動的復(fù)雜性，學(xué)會研究生物學(xué)的科學(xué)方法。生物學(xué)上通常構(gòu)建的模型分三種：物理模型、概念模型、數(shù)學(xué)模型。物理模型常用來代表非常龐大或者極其微小事物的三維結(jié)構(gòu)，如細胞的細微結(jié)構(gòu)、DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)、生物膜的流動鑲嵌結(jié)構(gòu)；概念模型一般用描述性文字表達抽象的過程，使學(xué)生建立某些流程，如血糖平衡的調(diào)節(jié)；數(shù)學(xué)模型是借助數(shù)學(xué)方程或曲線表示某些生物數(shù)量的變化規(guī)律，如“J”、“S”型種群數(shù)量變化曲線、符合孟德爾遺傳定律的子代性狀分離比等。在《普通高中生物課程標準》中也提出了“嘗試建立真核細胞的模型、制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型、建立血糖調(diào)節(jié)的模型”等模型構(gòu)建。本文著重分析美國中學(xué)教科書中的幾個新穎的模型構(gòu)建活動，以促進教學(xué)中新課程的實施。

1 做出正確的預(yù)測

1.1 知識背景

通過孟德爾關(guān)于一對性狀的豌豆雜交實驗，學(xué)生已經(jīng)掌握了運用棋盤法和概率的方法來預(yù)測子代的基因型和表現(xiàn)型。在自然界，親代雜交產(chǎn)生子代的時間一般都比較長，學(xué)生不能在實驗室看到此實驗的全過程。

（1） 活動目的：建立一個遺傳雜交實驗?zāi)Ｐ停Y(jié)果作出預(yù)測。

（2） 活動器材：2個小紙帶、記事本、3個藍色小球、3個白色小球。

（3） 活動步驟：① 在2個紙帶上分別標上“袋1，母本”、“袋2，父本”，然后閱讀以下三個部分的內(nèi)容，并預(yù)測每次雜交后將產(chǎn)生的子代類型。

第一部分：兩個純合親本的雜交。

② 把下面的記錄表抄在筆記本上，編號為表1。然后在袋1中放入2個藍色小球。這對小球表示母本的等位基因組合。假定藍色由顯性等位基因控制，用大寫字母“B”表示。

③ 在袋2中放入2個白色小球，表示父本的等位基因組合。用小寫字母“b”來表示隱性的白色等為基因。

④ 不向袋子里看，從袋1中隨機摸出一個小球。把結(jié)果記在表中，然后把球放回袋1中。以同樣方式從袋2中摸出一個小球，記錄結(jié)果，再把球放回袋2中。

⑤ 如果拿出的兩個小球都是藍色，就在“子代的等位基因組合”一欄寫上“BB”；如果兩球都是白色，則寫上“bb”；如果是一藍一白，則寫上“Bb”。

⑥ 再將步驟4和5重復(fù)幾次。

第二部分：純合親本與雜合親本的雜交

⑦ 把兩個藍色小球放在袋1中，把一個藍色和一個白色的小球放在袋2中。再畫一張記錄表，編號為表2。

⑧ 將步驟4和5重復(fù)10次。

第三部分：兩個雜合親本的雜交

⑨ 在袋1和袋2中均放一藍一白兩個小球。然后再畫一張記錄表，編號為表3。

⑩ 將步驟4和5重復(fù)10次。

（4） 分析：

① 對第一到第三部分中所模擬的雜交實驗各作出一個棋盤法圖解。

② 根據(jù)你在第一部分中獲得的結(jié)果，當純合親代（BB和bb）雜交時，預(yù)測會產(chǎn)生多少種不同類型的子代？你用小球模型得到的結(jié)果一致嗎？有什么啟迪呢？

③ 根據(jù)第二部分的結(jié)果，當純合親代（BB）與雜合親代（Bb）雜交時，子代是純合的或是雜合的百分比各是多少？和棋盤法分析出的結(jié)果一致嗎？

④ 根據(jù)第三部分的結(jié)果，當兩個雜合親代（Bb×Bb）雜交時，產(chǎn)生的子代可能會有哪幾種不同的類型？產(chǎn)生每種后代的可能性各占多少百分比？模型得出的結(jié)果和棋盤法計算出的一致嗎？

⑤ 在第三部分中，如果你重復(fù)的次數(shù)不是10次而是100次，你的結(jié)果是否會更接近棋盤法得出的結(jié)果？說說理由。

⑥ 小球模型與棋盤法相比，哪一種方法更好？兩種方法各有什么異同點？

1.2 評析

本實驗?zāi)Ｐ妥裱嘶橄鬄榫唧w的原則，把遺傳過程轉(zhuǎn)化為直觀的簡單問題，步驟④、⑤培養(yǎng)了學(xué)生模擬生物受精作用過程的能力。問題①將實驗過程上升到理論解釋水平，實踐與理論相結(jié)合，加深理解，培養(yǎng)學(xué)生思維能力，使學(xué)生知道分析模型與實際遺傳之間的聯(lián)系；問題③、④通過思考實驗結(jié)果與棋盤法的理論值是否一致，體會“概率”一詞的深刻含義，認識到數(shù)學(xué)對于生物學(xué)的重要作用，體現(xiàn)各學(xué)科知識與方法具有交叉性；問題⑤通過實際操作，讓學(xué)生從感性認識上升到理性認識，理解遺傳學(xué)上“精卵細胞隨機結(jié)合”情況下統(tǒng)計的子代數(shù)越多，越接近真實值的事實。

2 大自然在選擇

2.1 知識背景

現(xiàn)代進化理論認為種群是進化的基本單位。進化的實質(zhì)是種群基因頻率發(fā)生變化的過程。變異為進化提供了原材料，它是不定向的，而自然選擇是定向的，選擇適合自然界的生物，淘汰不能適應(yīng)環(huán)境的生物。這是長期積累的過程，非幾代生物就能看出進化結(jié)果。

（1） 活動目的：理解自然選擇怎樣使一個物種發(fā)生演化，在自然選擇時遺傳和環(huán)境因素如何共同對物種起作用的。

（2） 活動器材：剪刀、記號筆、兩張不同顏色的硬紙板

第一部分：在白色沙丘的環(huán)境中

①先將老鼠卡混勻。

②然后用這些卡片來模擬一群老鼠在白色沙丘的環(huán)境中生活的情況。隨機抽出兩張老鼠卡。如果抽到的是“WW”或“Ww”，則表示一只白色的老鼠；如果是“ww”則表示一只褐色的老鼠。請在記錄表中用劃“正”字來記下老鼠的顏色。

③再抽取一張事件卡。根據(jù)表中含義確定②步驟中老鼠的死活。在記錄表中劃“正”字記錄每一只死去老鼠的顏色。

④如果這只老鼠存活，就把這兩張老鼠卡歸入“活老鼠”的一組，如果死亡，就把卡片歸入“死老鼠”的一組。然后把這張事件卡放到整疊事件卡的最下面。

⑤用剩下的老鼠卡重復(fù)步驟②到④，這些實驗的結(jié)果表示第一代老鼠的存活情況，記錄你的結(jié)果。

⑥“死老鼠”的卡放在一邊不用，把“活老鼠”的卡重新混在一起。把事件卡也重新混勻。

⑦重復(fù)步驟②到⑥，這次試驗的結(jié)果表示第二代老鼠的存活情況。然后再重復(fù)②到⑤，研究第三代老鼠的存活情況。

第二部分：在褐色林地的環(huán)境中

⑧如果模型中的老鼠在深褐色的林地上，結(jié)果會有什么不同？在筆記本上寫下你的預(yù)測。

⑨重新抄一張記錄表，然后再用卡片來驗證你的預(yù)測。請記住這次“C”卡表示只有白色老鼠會死亡。

（4）分析：

①在第一部分中，每一代各有幾只白色老鼠，幾只黑色老鼠？在每一代中，哪種顏色的老鼠的死亡率更高？

②如果第一部分實驗中發(fā)生的事件在自然界是真實的，那么經(jīng)過一段漫長的時間后，這群老鼠將會有怎樣的變化？

③第二部分的結(jié)果與第一部分的結(jié)果有什么不同？

④這次實驗從哪幾方面模擬了自然選擇過程？又有哪些方面與自然選擇有區(qū)別？

⑤如果你增加“C”卡的數(shù)量，會對模型造成什么樣的影響？如果減少“C”卡的數(shù)量呢？

2.2評析

本模型的構(gòu)建有助于理解自然選擇的本質(zhì)及過程，學(xué)生以小組為單位，通過合作學(xué)習、結(jié)果分析，理解現(xiàn)代進化理論的精髓。問題的設(shè)置加深學(xué)生的思考，培養(yǎng)了思維能力。問題①讓學(xué)生學(xué)會統(tǒng)計實驗結(jié)果。問題②將實驗?zāi)Ｐ团c自然界實際情況聯(lián)系，理解環(huán)境因素對生物種群的選擇，導(dǎo)致基因頻率定向改變。問題③體會選擇是定向的，環(huán)境不同選擇的結(jié)果不一樣。問題④將實驗實踐與進化理論聯(lián)系，加深對理論的理解。問題⑤訓(xùn)練嚴謹?shù)乃季S，培養(yǎng)學(xué)生建模時注意細節(jié)的能力。

此模型的設(shè)計新穎，充分將遺傳知識和進化知識聯(lián)系在一起，使學(xué)生“做中學(xué)”，培養(yǎng)通過建模來理解理論的能力。

3 廣口瓶里的世界

3.1 知識背景

生態(tài)系統(tǒng)是由生物群落與它的無機環(huán)境相互作用而形成的統(tǒng)一整體。群落中生物與生物之間的關(guān)系多樣，有斗爭、互助、捕食、競爭、寄生、互利共生等。生物依賴一定的無機環(huán)境才能生存，同時又影響環(huán)境。本模型體會生態(tài)系統(tǒng)中的各生物之間關(guān)系和生物與環(huán)境之間的關(guān)系，理解維護生物圈1號穩(wěn)定性對人類生存和發(fā)展有重要作用。

（1）建模目的

理解生物如何在一個封閉的生態(tài)系統(tǒng)中生存

（2）材料

水族箱的沙礫、米尺、塑料攪拌棒、長柄的撈魚網(wǎng)、存放兩天的自來水、4顆水生植物、2條虹鳉魚、4只小田螺、1只約2L容量的有蓋子的廣口瓶、1只60瓦燈泡

（3）步驟

①將虹鳉魚、田螺、一些植物一起放在一個盛有水的封閉的廣口瓶里。這個生物棲息地能否滿足這些生物的生存需要？記下你的預(yù)測。

②找一個安全的地方，這個地方應(yīng)該是遠離窗門，光線和溫度不會經(jīng)常變化的。在它的附近應(yīng)該有一個插座，以便可以使用燈泡照明。

③加一些水族箱里的沙礫到廣口瓶里，厚度3 cm左右；再加一些水，水位離瓶口6 cm左右。

④在廣口瓶里種一些水生植物。

⑤用長柄的撈魚網(wǎng)小心地把虹鳉魚放入水中，然后，再輕輕地把田螺也放入瓶中，蓋緊瓶蓋。

⑥放好燈泡的位置，以便使燈光能照到廣口瓶里。燈泡離廣口瓶的距離為15~20 cm。

⑦每天觀察這個瓶子，并在筆記本上記下每天的觀察結(jié)果。

⑧5 d時間里，這只瓶子里的水會慢慢地變綠。綠顏色說明有水藻在生長。如果水變成深綠色，就把燈泡遠離瓶子。如果5 d后，水還沒有變成綠色，可把燈泡移近瓶子。記下燈泡位置調(diào)整后的任何變化。

⑨對這只廣口瓶至少再觀察一個多星期。

（4）分析

①在廣口瓶生態(tài)系統(tǒng)中，哪些是生物因素，哪些是非生物因素？

②一些生物和非生物因素能否進入這個封閉的瓶子？如果能，有哪些？

③這些綠色的藻類是從哪里來的？

④畫一張瓶內(nèi)生物和非生物因素相互作用的關(guān)系圖表。

⑤虹鳉魚、田螺和水生植物能在分開的瓶子里單獨生存嗎？為什么？

⑥說明你的廣口瓶和瓶中的東西是如何模擬一個生態(tài)系統(tǒng)的？你的生態(tài)系統(tǒng)模型和地面生態(tài)系統(tǒng)有哪些不同？

3.2 評析

生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是其結(jié)構(gòu)和功能發(fā)展協(xié)調(diào)的重要標志。生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，則取決于它的物種組成、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和非生物因素之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。問題①識別此淡水生態(tài)系統(tǒng)中生物因素和非生物因素，認識此系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)。問題②理解生態(tài)系統(tǒng)相對的穩(wěn)定性，對于穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，存在物質(zhì)循環(huán)，而能量必須從外界攝入。問題③鍛煉學(xué)生的觀察能力和思維能力。問題④、⑤培養(yǎng)學(xué)生聯(lián)系實際分析問題的能力，從相互關(guān)系入手，加深學(xué)生對生態(tài)系統(tǒng)概念的理解。

通過以上幾例模型構(gòu)建，幫助學(xué)生理解抽象的科學(xué)理論，豐富學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的認識，發(fā)展學(xué)生觀察、分析、比較、操作等能力。教師要充分利用模型構(gòu)建的方法，通過有效教學(xué)，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，達成課程標準的要求。

參考文獻：

［１］ 帕迪利亞．Science Explorer Cells and Heredity（細胞和遺傳）．［M］.杭州：浙江教育出版社，2006：94—95，146—147.

［2］ 中華人民教育部．普通高中生物課程標準［M］．北京：人民教育出版社,2003.