巧用易得材料，建構物理模型

何焱

建構主義教學理論認為，將知識組織起來最理想的方式是知識結構，而知識結構的最典型呈現形式就是典型的圖解、模型、知識樹和系統圖。建構物理模型不僅是一種有效的教學手段，而且是知識結構呈現的理想形式。然而對于建構高中生物學的物理模型，學生感到困惑不堪。所以在高中生物模型建構教學中，怎樣幫助學生克服心理障礙，引導學生把抽象化的知識在物理模型中具體化是難點之一。筆者試圖通過具體實例，談談如何巧妙地利用易得材料，建構物理模型，以及在建構物理模型中的注意事項。

1 認識物理模型

1.1 物理模型的概念

以實物或圖畫形式直觀反映認識對象的形態結構和三維結構，這類實物或圖畫即為物理模型。物理模型包括靜態物理模型和動態物理模型。

1.2 物理模型的特點

物理模型具有3個基本特點：（1） 對識記對象的模仿和抽象；（2） 體現組成認識對象系統中的主要因素；（3） 反映主要因素之間的關系。概括地說“形似”、“意真”和“相關聯”是物理模型必備的三個基本特點。寄生關系模型就是對這三個基本特點的完美體現（見圖1）。

在“寄生”模型中，兩個圓圈A、B表示兩種生物，它們內切或外切，分別代表著體內寄生或體表寄生。模型既“形似”地反應了兩種寄生方式，又科學地表達了寄生生物之間的內在聯系，做到了“意真”與“相關聯”。

2 建構物理模型

建構物理模型不僅要找到原型的本質，關鍵還要選擇用什么來描述對象的本質？怎樣具體描述？選取什么材料進行建構？以什么形式進行建構？認真思考這些問題后，就可以開始著手建構物理模型了。

2.1 變廢為寶，巧選建模材料

只要教師善于利用生活中的很多廢棄物，均可以為建構物理模型提供良好的材料。筆者及同事在進行“模擬性狀分離比”的實驗中，受彩票搖獎的啟發，用礦泉水瓶、黑白小球、水芯筆蓋等廢棄材料，對實驗進行了改進，建構了一個創新實驗的動態物理模型（圖2）。

在“模擬性狀分離比”的實驗模型中，甲、乙兩礦泉水瓶代表雌雄生殖器官，黑白小球代表雌、雄器官產生的兩種配子。實驗時，將搖勻后的甲、乙兩瓶瓶體倒置過來就會有一小球進入水芯筆蓋，記錄兩瓶黑白小球搖出情況。正立后搖勻，重復多次，統計分析即可完成實驗。這樣，學生既學到了知識，又能體驗了成功建立物理模型的喜悅，感悟建構物理模型材料的易得。

在生物學教學中，科學引導學生利用各種廢棄材料建構物理模型的實例很多，如圖3、圖4所示的用橡皮泥、棉線等材料建構的動、植物細胞亞顯微結構模型。

2.2 觀察生活細節，巧獲建模靈感

諾貝爾文學獎獲得者莫言說過：好作品是靈感與生活的結合。在建構物理模型時，可以從生活細節中尋求建構靈感。如：關于酶作用機理的教學中，學生很難理解酶只降低化學反應的活化能，不提供活化能，而加熱卻能提供活化能。筆者從學校正在舉行的跳高比賽中得到啟示，在上課時引導學生建構了“降低活化能”的物理模型（圖5）。

在這一“降低活化能”的模型中，彈簧跳板相當于為化學反應提供活化能，跳高的高度相當于化學反應所需的活化能，跳高相當于化學反應。通過模型的比較分析，學生很容易理解加熱為化學反應提供了活化能（圖5-甲），加無機催化劑（圖5-乙）和加酶（圖5-丙）只是降低化學反應的活化能。通過模型對比分析，學生很自然地理解了酶具有高效性的原因。在建模過程中，學生的自信心得到了增強，真正體會到生物學物理模型的建構并不是遙不可及，只需通過對生活細節的仔細觀察，細心加工就可以完成。

2.3 購買簡易材料，巧建物理模型

細胞的有絲分裂和減數分裂是高中生物的教學重難點，學生難理解，教師難講解。在教學中，教師可以利用彩紙剪制染色（單）體、小磁鐵代表著絲點的方法進行動態物理模型的建構。筆者在進行有絲分裂的高考復習時，引導學生在黑板上建構了如圖6所示的動態物理模型。整個建構過程就是一個小型的情景劇，兩位學生在黑板上演示分裂過程中染色體的變化，第三位學生在旁進行同步“畫外音”解說各時期的特點及染色體、染色單體、DNA變化規律。

通過建構這樣的物理模型，很巧妙地完成了教學互動，同時有助于學生對相關重難點知識的理解和記憶，培養了學生的動手建模能力和語言表達能力，使呆板沉悶的高考復習課堂生動有趣。

2.4 利用教學用具，巧建物理模型

教室內的很多用具是建構物理模型的理想材料。筆者在教學中曾利用粉筆、黑板刷、無蓋粉筆盒等材料，來建構“噬菌體侵染大腸桿菌”的實驗模型（圖7）。

在這一模型中，無蓋粉筆盒模擬大腸桿菌、黑板刷模擬噬菌體的蛋白質外殼、粉筆模擬噬菌體的DNA分子、白色粉筆表示未被標記、紅色粉筆代表被標記，黑板刷正面（絨面）表示未標記，背面表示標記。教師在模擬過程中，用手將粉筆與黑板刷握緊，當噬菌體侵染時，教師松手讓粉筆掉入粉筆盒，模擬噬菌體的DNA注入大腸桿菌，而蛋白質外殼未進入大腸桿菌。通過這樣的模擬，學生很容易理解噬菌體侵染大腸桿菌的過程，同時也能很好地理解該實驗的結果與分析，能更深入地理解“DNA是噬菌體的遺傳物質”這一核心知識。

粉筆頭和粉筆盒也可用來建構“標志重捕法”的物理模型，幫助學生理解標志重捕法的原理與計算方法。具體模擬過程是：在粉筆盒中放入白色粉筆頭若干（N），然后從中隨機抓取一把粉筆頭計數為（M），將這M個粉筆頭換成同等大小的彩色粉筆頭（相當于做好標記），放回原粉筆盒，此時可以引導學生分析彩色粉筆頭占盒中總粉筆頭的比例（M/N），搖勻后再隨機抓取一把粉筆頭（n），其中彩色粉筆頭（含標記）為m。教師引導學生分析這一把粉筆頭中彩色粉筆頭所占的比例（m/n）。由于是搖勻后再隨機抓取的，所以應該存在M/N=m/n。這樣學生就可以輕松理解“標志重捕法”的原理與計算方法。

3 巧用易得材料，建構物理模型的啟示與建議

3.1 建構物理模型要做到“意真”

“意真”是物理模型的核心要求。建構物理模型要盡量真實、形象地反映研究對象，不能憑自己的主觀臆斷隨意建構，要具有科學性。在選材上，教師要考慮“易得”，在建構過程中要考慮“可操作性”，不要讓學生建構過于復雜的模型，否則會挫傷學生的積極性，從而不利于物理模型的推廣。

3.2 建構物理模型要力求“形美”

“形美”是物理模型的追求目標。物理模型美觀，具有可觀賞價值，才能吸引學生的眼球，才能真正做到為教學服務。所以在建構過程中，教師可引導學生不斷完善模型，在不斷完善的過程中進行思維的碰撞，激發學生的創新意識，培養學生嚴謹的科學精神。

3.3 建構物理模型要關注學生“發展”

教師在引導學生選擇“易得材料”，進行物理模型的建構過程中，要注意培養學生之間的合作互助能力，從多方面多角度促進學生的全面發展，讓建模成為學生終身學習的一項有效策略。通過不斷建構物理模型，培養學生的建模能力，逐步形成科學的思維習慣，在今后的學習、生活中遇到抽象的概念、理論、規律時，都能嘗試用建構簡易物理模型的方法進行思考，從而變復雜為簡單，變抽象為形象，提高學習的有效性。

總之，司空見慣的材料很多，當教師給予適當的加工，就可以建構出很好的、很實用的物理模型。這些物理模型也將成為教師教學的好道具，學生學習的好幫手。筆者堅信：只要教師適當地引導，積極地鼓勵學生去思考、去行動，就一定會建構出理想的物理模型。