通過模型建構打造生物高效課堂

陳莎莎　李洪育

人教版高中生物必修1教材對模型的定義是：“模型是人們為了某種特定目的而對認識對象所做的一種簡化的描述，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物或其他形象化的手段，有的則通過抽象的形式來表達”。《美國國家科學教育標準》中的表述是：“模型是與真實物體、單一事件或一類事物對應的而且具有解釋力的試探性體系或結構”。關于模型的形式或種類，不同論著中的說法有所不同，人教版教材中將模型分成物理模型、概念模型、數學模型三種形式。

1 建構物理模型，使知識形象化、直觀化、給力生物高效課堂

1.1 物理模型的概念及作用

物理模型是指以實物或圖片形式直觀地表達認識對象特征的模型，既包括靜態的結構模型，如人工制作或繪制的DNA分子雙螺旋結構模型、真核細胞的三維結構模型、細胞膜的流動鑲嵌模型等；又包括動態的過程模型，如教材中學生動手構建的減數分裂中染色體變化的模型、血糖調節的模型等。教師引導學生建構物理模型可以使研究對象形象化、直觀化，使相關知識便于學生理解，在有限的教學時間完成更多的教學內容，給力高效課堂。

1.2 物理模型給力生物高效課堂的實例

如人教版《遺傳與進化》模塊中的“DNA分子的結構”一節，重在引導學生模仿科學家建立DNA結構的模型。在教學中，教師先引導學生復習DNA分子的組成單位——脫氧核糖核苷酸及其結構組成；然后分發制作堿基、磷酸和脫氧核糖的材料如紙板、泡沫塑料，用訂書釘、大頭針代替氫鍵的連接物，DNA分子骨架的連接物用粗細適當的鐵絲代替；由學生分組建構4種脫氧核糖核苷酸的模型，隨后建構脫氧核苷酸長鏈模型。在此過程中，教師提示脫氧核苷酸之間靠3′-5′磷酸二酯鍵連接，并糾正學生的錯誤。之后教師引導學生閱讀教材中P47～48的閱讀材料，讓學生知道當時沃森和克里克據DNA衍射圖譜推算出DNA分子應呈雙螺旋結構，讓學生繼續建構模型。最后再引導學生從材料中得到“DNA中堿基A與T配對，G與C配對”的信息，讓學生修改完成模型。建構DNA模型的過程既讓學生高效率的學習DNA分子的雙螺旋結構特點，又培養了學生的創新思維能力及合作探究能力。

在生物課堂上用到更多的是模擬實物的圖片物理模型，比如人教版必修一《分子與細胞》模塊中“探究酵母菌細胞呼吸的方式”一節中的圖片模型（圖1），此模型的建構要注意兩個問題：① 設計了兩組實驗，一組探究有氧呼吸，一組探究無氧呼吸；② 該實驗模型的設計遵循了單一變量原則、等量原則、對照原則。此模型可幫助學生在較短時間達成以下目標，實現生物教學的高效課堂：① 判斷酵母菌的呼吸方式類型；② 判斷酵母菌的有氧呼吸和無氧呼吸是否都產生二氧化碳；③ 計算酵母菌有氧呼吸和無氧呼吸產生二氧化碳量的多少；④ 判斷酵母菌的有氧呼吸和無氧呼吸是否都產生酒精。

2 建構概念模型，展現知識間內在關系，助力生物高效課堂

2.1 概念模型的概念及作用

概念模型是美國康乃爾大學學者諾瓦克和戈爾提出的，也叫概念圖法，是以文字表述來抽象概括出事物本質特征的模型。一般方法是將一系列相關概念置于方框或圓圈中，再以各種連線將相關的概念連接，是一種由概念節點和連線組成的結構化表征，其中的連線則表示各種概念間的內存邏輯關系。如蛋白質結構層次的表述、蛋白質多樣性和生物多樣性的關系的文字描述、物質跨膜運輸方式的模型、現代生物進化理論的概念圖、中心法則概念圖、內環境穩態概念圖、種群基本特征概念圖、生態系統結構模型等。概念模型可以使學生深入理解基礎知識，辨析知識點之間的聯系與區別，使知識結構化，同時有利于培養學生的歸納、概括和語言表述能力。

2.2 概念模型助力生物高效課堂的實例

比如人教版《遺傳與進化》模塊中的“現代生物進化理論”一節，涉及的新概念較多且比較難懂，與生活實際聯系不多，學生學習起來晦澀難懂，教師的講解也比較枯燥。借助于概念模型的構建（圖2），學生會明確現代生物進化理論核心內容的相互關系。該模型內容簡單，各觀點間的相關關系明了，易于學生掌握。通過對生物學核心概念的探究和學習，能有效提高學生對生物學知識的認知能力、理解能力及創新運用能力，切實提高生物教學效率，助力生物高效課堂。

再比如人教版《分子與細胞》模塊中“生命活動的主要承擔者——蛋白質”一節，關于蛋白質結構層次的講解中新的概念名詞較多，如果單純用文字描述講解，學生一定感覺非常的凌亂且搞不懂各層次之間的關系。如果教師用概念圖的形式（圖3）呈現蛋白質結構層次，可以非常清晰地將各概念的關系展現在學生面前，對學生的學習起到事半功倍的效果。

3 建構數學模型，揭示問題本質、打造生物高效課堂

3.1 數學模型的概念及作用

數學模型是指用來描述一個系統或它的性質的數學形式，是聯系實際問題與數學的橋梁，具有解釋、判斷、預測的功能。數學模型建構的一般步驟為：觀察研究對象，提出問題→提出合理的假設→根據實驗數據，用適當的數學形式對事物的性質進行表達→通過進一步的實驗或觀察等對模型進行檢驗或修正。比如種群增長規律的數學模型、基因頻率與基因型頻率計算的數學模型、蛋白質相關計算，遺傳病發病率計算的數學模型，DNA分子復制中有關計算等。教師引導學生建構數學模型，有利于學生透過現象解釋本質的洞察能力。

3.2 數學模型打造生物高效課堂的實例

比如人教版《遺傳與進化》模塊中DNA分子復制中的有關計算。若一親代DNA分子含有某種脫氧核苷酸m個，經過n次復制需要消耗該脫氧核苷酸數為m×（2n-1）個，第n次復制需要消耗該脫氧核苷酸數為m×2n-1個。

【例1】 一個DNA分子中有1 000個堿基對，其中腺嘌呤占堿基總數的20%，如果連續復制兩次，需要游離的胞嘧啶脫氧核苷酸的總數是（ ）

A. 600 B. 1 200 C. 1 800 D. 2 400

再比如人教版《遺傳與進化》模塊中遺傳病發病率計算的數學模型。該模型的建構過程：假設某對夫婦的子代中患甲病的概率是m，患乙病的概率是n。則他們的子代中只患甲病的概率是m×（1-n），只患乙病的概率是n×（1-m），只患一種病的概率是m×（1-n）+n×（1-m）=m+n-2mn，兩病兼發的概率是mn，完全正常的概率是（1-m）（1-n），患病概率是1-（1-m）（1-n）。

【例2】 有一對表現型正常的表兄妹婚配，生了一個既有白化病（基因a）又有色盲（基因b）的小孩。這位表兄妹再生一個小孩患兩種病的概率是（ ）

A. 1/16 B. 1/8 C. 1/32 D. 1/64

分析：此題的概率計算可以用乘法原則來解決。由表現型正常生出既有白化病又有色盲的小孩，可以推測父母的基因型分別為AaXBY、AaXBXb，他們再生一個小孩患兩種病的概率是1/4×1/4=1/16。

通過建構數學模型可以對生命現象進行量化，以數量關系描述生命現象，再運用邏輯推理、求解和運算等，達到對生命現象進行研究的目的。在建構過程中使學生能從現象中揭示出本質和規律，可以培養學生的分析、推理與綜合的能力，便于學生迅速地理解新知識，提高學習效率，打造高效課堂。

建立模型的過程是一個科學探究的過程，可以讓學生置身于探索生物學現象、發現生命規律的活動中，在建立模型中，學會觀察和統計的方法、實驗的方法、歸納與演繹的方法、假設的方法等。教師在生物課堂中不斷進行模型建構思想的滲透，加強師生間的互動，充分發揮學生的主觀能動性，在新授課、復習課、習題課中都可以靈活使用，能起到事半功倍的效果。endprint