高中生物教學(xué)建模的必要性初探

靳迪

模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對認(rèn)識對象所作的一種簡化的概括性的描述，這種描述可以是定性的，也可以是定量的；有的借助于具體的實(shí)物或其他形象化的手段，有的則通過抽象的形式來表達(dá)。縱觀生物學(xué)科發(fā)展史，各種細(xì)胞器模型，DAN雙螺旋結(jié)構(gòu)，生物流動鑲嵌模型，生物群落增長曲線等等，不一而足，無不說明建模思想和方法在學(xué)科建設(shè)和知識普及中的重要性、時效性和必要性。下面就結(jié)合教學(xué)實(shí)際需要，談?wù)劚救擞嘘P(guān)建模的一點(diǎn)具體做法。

一、抓住本質(zhì)，突出主要特征

毋容置疑，氨基酸脫水縮合形成多肽，是高中生物教學(xué)的重點(diǎn)之一，也是主要難點(diǎn)之一。筆者分析認(rèn)為，要讓學(xué)生掌握該過程，應(yīng)讓學(xué)生在頭腦中建構(gòu)模型，使其對化學(xué)變化本質(zhì)有一定認(rèn)識。眾所周知，化學(xué)變化的本質(zhì)，是通過電子轉(zhuǎn)移形成相對穩(wěn)定的化學(xué)鍵。于是筆者設(shè)計如下問題：

問題1、C元素為何是最基本元素？此問旨在讓學(xué)生明確C原子核外最外層有四個電子，能形成四個共價鍵，并由此可形成較長的C鏈及C環(huán)。

問題2、N、H、O等原子分別能形成幾個共價鍵？此問題旨在舉一反三，鞏固化學(xué)鍵的概念，同時為問題3做鋪墊。

問題3、羥基、羧基、氨基的結(jié)構(gòu)符合上述原理嗎？此問旨在讓學(xué)生在問題2的基礎(chǔ)上水到渠成地認(rèn)識并理解該三種原子集團(tuán)的合理性。

問題4、20種氨基酸的結(jié)構(gòu)符合上述原理嗎？此問有在問題3的基礎(chǔ)上引領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識并理解氨基酸的結(jié)構(gòu)，同時涉及到對氨基酸中可能出現(xiàn)的C鏈和C環(huán)的認(rèn)可和理解。

問題5、你能用球棍模型來表示它們嗎？此問旨在通過物理模型鞏固化學(xué)模型，從而在學(xué)生頭腦中建立氨基酸分子的生物模型。

問題6、二肽結(jié)構(gòu)符合上述原理嗎？此問旨在讓學(xué)生根據(jù)前述原理探究脫水縮合的過程。

問題7、你能用球棍模型演示脫水縮合的過程嗎？此問主旨同問題5。

問題8、你能用任意兩個氨基酸組合出二肽、三肽乃至多肽的結(jié)構(gòu)嗎？此問也旨在舉一反三，讓學(xué)生運(yùn)用上述原理解決復(fù)雜問題，鞏固認(rèn)識。

在上例中，筆者首先抓住了化學(xué)變化的電子轉(zhuǎn)移之本質(zhì)，又配套運(yùn)用化學(xué)結(jié)構(gòu)模型和物理模擬模型，從而使電子配對形成化學(xué)鍵的這一化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)主要特征，逐步在學(xué)生頭腦中準(zhǔn)確建模，這一看似簡單的做法，不僅較為輕易地突破了脫水縮合這一難點(diǎn)的教學(xué)，而且?guī)椭鷮W(xué)生在共同探討的過程中較為深刻地理解了生物變化和化學(xué)變化在本質(zhì)上的一致性——這一理解對后面DNA分子結(jié)構(gòu)、細(xì)胞呼吸、光合作用乃至基因工程技術(shù)的學(xué)習(xí)都大有裨益。

二、巧妙設(shè)計，剔除干擾因素

眾所周知，很好理解磷脂分子的分層排列，是掌握生物膜流動鑲嵌模型的基礎(chǔ)。人教版高中生物必修一的教材的做法是，以科學(xué)探究史告訴學(xué)生，細(xì)胞膜中的磷脂分子必然排列為連續(xù)的兩層，并簡要提出，磷脂分子頭部親水而尾部疏水，然后讓學(xué)生加以推導(dǎo)。很明顯編者的處理是較為恰當(dāng)和符合新課標(biāo)要求的。但實(shí)踐表明，由于學(xué)生對疏水性和親水性這一對概念的模糊認(rèn)識，導(dǎo)致該推理過程勉強(qiáng)而不牢固。又由于磷脂分子的分層排列過于微觀，學(xué)生無法直接觀察，所以，教師通常的做法是運(yùn)用多媒體課件模型來輔助教學(xué)。但筆者認(rèn)為，本節(jié)科學(xué)史內(nèi)容較多，用多媒體呈現(xiàn)后必然帶來視覺疲勞，再加上多媒體課件模型因其只能觀察而不能動手體驗(yàn)，使其對該問題的解決存在很多局限，并且，很多教室是沒有多媒體設(shè)備的，所以為學(xué)生著想，筆者運(yùn)用類比建模思維，將物理學(xué)科教學(xué)中常用的磁體引入生物教學(xué)的模型制作，很好地解決了上述問題，具體做法如圖所示：

在中間開圓口的圓形紙板中央圓口中放上若干U形磁鐵，N極（用黑色表示）一律對外。在圓紙板外圍放上若干條形磁鐵，N極（用黑色表示）一律對準(zhǔn)圓紙板中心。

將若干小磁針在紙板上如圖中左上角位置那樣擺放成兩排（可成兩同心圓周），問小磁針的N極（黑色）將如何指向？原因是什么呢？學(xué)生猜想后，由教師按上述要求擺放小磁針，學(xué)生觀察結(jié)果。

用雙面膠在每個小磁針上貼上事先準(zhǔn)備好的磷脂模型紙片（如圖右下角所示），讓學(xué)生觀察其排列特點(diǎn)。

設(shè)問假如把圓紙板內(nèi)外的N極（黑色）分別看成是細(xì)胞內(nèi)外水的環(huán)境，那磷脂分子也能如圖所模擬的那樣排列嗎？

讓學(xué)生親手撥動模型中的表示磷脂的紙片，觀察起擺動和最終靜止方向，并運(yùn)用磷脂分子特性來解釋原因。

本例中，筆者通過與磁極間的相互作用類比的這一模型的設(shè)計，使學(xué)生在饒有興趣的直觀教學(xué)中，體會了磷脂分子的親水與疏水特性，并觀察到磷脂雙分子層的排列。有必要說明的是，該模型的設(shè)計巧妙之處在于，筆者有意將小磁針和磷脂紙片同時呈現(xiàn)在該模型上，從而有效避免了學(xué)生因?yàn)閺奈锢硪?guī)律過渡到生物特性而產(chǎn)生過多的思維干擾過程。

三、篩選提煉，從生活中引模

“落紅不是無情物，化作春泥更護(hù)花”，此為教材中最為經(jīng)典的導(dǎo)入語，它不單創(chuàng)造了意境，引發(fā)了興趣，更重要的是它非常形象地闡釋了物質(zhì)循環(huán)的規(guī)律。有鑒如此，我們可以從生活語言中篩選提煉出有價值的東西，作為闡釋生物現(xiàn)象和規(guī)律的模型。如運(yùn)用“竹籃子打水一場空”的諺語，將植物細(xì)胞壁類比于竹籃子，就輕松地解決了質(zhì)壁分離教學(xué)中學(xué)生對其伸縮性小并具全透性特點(diǎn)認(rèn)識不清的問題；演示一下“鑰匙開鎖”，就輕易地解釋了酶和底物的契合作用；講一下“魔鬼和瓶子”的故事，再用瓶子、瓶身、瓶蓋和進(jìn)出瓶子的魔鬼分別來類比ATP、ADP、Pi和能量，就輕巧地闡明了ATP和能量的關(guān)系；可見，引入這類簡單明了卻有趣又有效的模型的，對教學(xué)是有事半功倍之效的。所以，我們應(yīng)該注意做有心人，隨時隨地從生活寶庫中開發(fā)輔助教學(xué)的新資源。