探索物理模型在高中生物教學中的應用

孫銘文　王波

摘 要：高中新課改鐘聲的敲響，很多新的信息脫穎而出，教師需要把新舊知識及信息有效整合到一起。在高中生物教學中，模型及模型方法應用很實際并受用，已經成為一種不可缺少，十分有利的教學手段。

關鍵詞：物理模型 高中生物教學

一、物理模型的概念及分類

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。《標準》已將模型納入基礎知識范疇，并且將模型方法規定為高中學生必須掌握的科學方法之一。

模型的形式很多，包括物理模型、概念模型、數學模型等。以實物或圖畫形式直觀地表達認識對象的特征，這種模型就是物理模型。物理模型既包括靜態的結構模型，如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。

二、高中生物物理模型建構的探索

1.有絲分裂細胞中染色體變化物理模型的建構

（1）教學背景分析

有絲分裂的內容可以說是學生對細胞的結構和功能理解和掌握的延伸，對染色質與染色體、染色體（單體）與DNA的關系的理解，在有絲分裂的學習中有著重要作用，只有很好的理解細胞核的結構和功能才能真正體會到有絲分裂的意義。由于細胞分裂這一現象的特殊性──整個過程是一動態變化，而這一過程又是學生用肉眼所不能直接觀察到的，要讓學生具體把握這個過程中細胞內部所發生的變化，特別是遺傳物質的變化，這一內容是本節課教學的難點。以往利用多媒體網絡課件，模擬細胞分裂的動態過程，學生有如過往云煙的感覺，而我們把微觀、抽象的過程建構成實際看得見、摸的著的物理模型，讓學生仿佛親眼看到有絲分裂過程中的各種變化。

（2）學情分析

高中二年級學生，生物學經過兩年的擱置，在記憶中已經所剩不多。在此教學背景下，看似很簡單的問題，理解起來需要一定時間。構建物理模型的情境體驗式教學，創設情境，營造學生在“做中學”的全新學習模式，能夠體現學生參與實踐的必要性，達到“過目不忘”的效果。

（3）教學資源：

每個班級有40名學生，5人一組，共8組。每組選出一名組長，課前實際動手做模型。8塊長方形木板（模擬植物細胞），每塊木板四周貼上彩色膠條（模擬植物細胞壁），每塊木板上放有細線（模擬紡錘絲），牽引著暗扣（模擬著絲點）連接著的布條（模擬染色體）4條。用黃色布條模擬制作兩條來自母方的非同源染色體，每條染色體又分別連著兩條姐妹染色單體，中間暗扣代表著絲點，在兩條染色體的位置不同。用綠色布條模擬制作兩條來自父方的非同源染色體，其他過程同上。木板兩側開有小孔，便于在木板下方牽引紡錘體（細線），控制染色體（布條）的行為變化。制作過程學生積極性很高，大家團結協作共同完成。

（4）教學過程

采用多媒體播放知識過程，并用染色體模型、剪貼圖來講解。理論知識講解之后，每組發一個模型。請同學們動腦思考，實際動手模擬有絲分裂過程。學生一看到自己構建的模型教具，都感到很新奇、興奮，開始積極動手模擬操作起來。模擬過程中有互相之間積極的討論，有互相之間熱情的講解，有互相之間取長補短的改錯過程。全班學生都主動參與到情境學習中，在腦海中真正理解有絲分裂各時期的變化，尤其是對染色質與染色體、染色體（單體）與DNA的關系的理解。教師到各組觀看、交流、指導。最后請各組代表同學陳述自己的實驗結果。教師鼓勵學生自己發現問題，解決問題。最后請幾名同學拿著木板及染色體來到前面再演示一遍分裂期各時期染色體的變化。整節課堂中學生的廣泛參與，團結合作的氛圍，真正體現學生的主體地位，主動探究的意識，使得抽象難懂的微觀圖像仿佛栩栩如生，歷歷在目。沒有再出現教師反復講，學生反復問，最后還不能理解透徹的情況。

（5）教后反思及模型構建的意義

通過植物有絲分裂過程的模型建構活動，引導學生通過思考、合作、討論，根據自身的知識、經驗主動地去建構模型，培養學生的合作、表達能力。學生通過這一建構活動，體驗到學習的樂趣，更好地理解有絲分裂過程，加深了生命活動現象的本質的認識，明確了模型建構的方法和意義，培養和發展思維能力和抽象概括能力。

2.重組DNA分子物理模型的模擬構建

（1）教學背景分析

選修三第一章第一節中的內容，主要是介紹DNA重組技術的三種基本工具及其作用。基因工程目前是現代生物前端科技，涉及高端、復雜、難操作的實際操作技術。學生接觸得少，又難于理解，如果教師采用直白、平淡的方式介紹，不利于知識的掌握及應用，也不利于調動學生學習的積極性，更不利于學生科學素養的全面提高。為此，教學內容的另一種呈現方式是形象化。在文字描述感到抽象時，課文中會配以插圖，力爭圖文并茂。再通過學生實際動手模擬制作DNA重組模型，使其更加“形象化”。

（2）教學資源

剪刀代表EcoRI酶，透明膠條代表DNA連接酶。

選兩種顏色的等寬硬紙板，這里選擇白色紙板和綠色紙板。在白色紙板上和綠色紙板上依次等距離用電腦打上大寫英文字母來代表四種脫氧核苷酸的含氮堿基，分別代表如下：A--腺嘌呤 ， G--鳥嘌呤， C--胞嘧啶，T--胸腺嘧啶。

白色紙板：然后兩邊環繞折成環狀并用透明膠粘好，代表一個環形質粒。

ATAGCATGCTATCCATGAATTCGGCAATGCAGTACGTGGGCATAGATAC

TATCGTACGATAGGTACTTAAGCCGTTACGTCATGCACCCGTATCTATG

綠色紙板：代表外源基因，外源基因上面有我們需要的目的基因。

TCCTAGAATTCTCGGTATGAATTCCATAC

AGGATCTTAAGAGCCATACTTAAGGTATG

（3）教學過程

抽象的黏性末端的敘述以及磷酸二酯鍵的部位，與直觀的模型協同運用，可使學生準確地理解切割或連接部位，理解“黏性”的內涵。DNA連接酶是“縫合”磷酸二酯鍵的，在重組DNA過程中到底體現在何處，結合模型會易于理解。但是這些在學生的腦海里都是一些感性認識，就像看不見摸不到的空氣、能量一樣。學生親自動手操作，拿來EcoRI酶，拿來DNA連接酶，手捏環狀質粒，找來外源基因，尋找切口，大膽剪下去，并按照需要連接起來。這些抽象、微觀的事物仿佛已經具體化，明朗化。再緊密結合質粒載體結構的模式圖，也將使學生對構建載體條件的有關內容變得容易理解。

在模擬制作DNA重組模型時，單純動手剪紙板只能算是手工勞動，而模擬制作是富含科學內涵的動手過程。當拿來剪刀時，首先意識到這是一把EcoRI的特異剪刀，應去尋找G —A—A—T—T—C的堿基序列，然后從G和A之間剪開。當剪“環狀質粒”時，此時就會體會到EcoRI酶上下共切了兩下，但只有一個切口。再拿來外源基因找到目的基因并切下來，此時又會體會到同樣的EcoRI酶上下共切了四下，有兩個切口。當拿來不干膠時，意識到只能黏連磷酸二酯鍵處，而不能去黏連堿基對處。如果學生的操作是正確的，不同顏色的黏性末端能互補配對，如果制作的黏性末端不能互補配對，說明學生的操作有失誤。當出現模擬制作失誤時，也要想想，這在真實情況下可能是什么原因所致。

（4）教后反思及模型構建的意義

學生在思索中學習新知識，在實際動手中形成正確的認識。從而引導學生從基因工程的整體思考問題，解決問題。復雜化變得簡單化，抽象化變得具體化。

此時已經不再需要教師反復的嘮叨聲，不會再看到學生迷惑的目光。真正激發了學生的學習生物興趣，體現了學生主動探究意識。

三、物理建模研究的意義

1.提高學生生物學的學習效率和學習興趣。

在生物教學中運用物理模型能有效地縮短人眼對材料的反應時間和識別時間，創造了生動的意象，促進了學生對知識的理解和掌握，從而提高了學習效率。心理學研究表明，人眼對圖畫、中文詞及英文詞3種材料識別加工過程中，圖畫反應時間最短，英文最長，而中文詞居中。

模型本身展示給學生的是非常直觀、生動的印象，它使靜止的或微觀的圖像變得“活躍，生動”，是非常吸引學生，能夠激發學生學習興趣的感性材料。學生在做模型的過程中親身體驗生物學研究過程，領略科學研究的思路，感知到科學研究過程的辛苦，激發學生的學習興趣，促使學生為之感動、興奮，同時體驗到建構探究成功后的喜悅感，自豪感。

2.實現學生自主、合作學習方式。

給學生提供充分的自主學習的空間和時間，教師只是發揮引導的作用，然后放手讓學生獨立思考，讓學生自主建模并不斷修改自己構建的模型，充分發揮每個學生的思維潛力，擴大其思維空間。學生在自主建模的基礎上會和其他同學進行合作交流，通過交流過程使學生能從不同的角度去思考問題，能對自己和他人的成果進行反思，相互啟發、共同發展，培養合作精神和參與意識，創造和諧、愉悅的學習氛圍。

3.可以使物理模型、數學模型、概念模型三者之間自然結合并自然轉換。

在生物教學中可以有效地建立起物理模型、概念模型以及數學模型之間的轉換。提高了學生的應試能力，理解和解決問題的能力。自然科學中最抽象的就是概念。正因為運用物理模型教學創設了一定的情景和創造了生動的意象，使學生對概念和理解變為直覺，形成了正確的知覺，達到了新概念構建的目的。

結語

課程實施是新一輪課程改革能否取得成功的關鍵，教師作為新課程的實施者，創造性的使用教材，重視模型思維和模型能力的培養，設計適合學生自主建構的教學過程，引導學生主動思考、探索，讓學生在模型建構的過程中學習、發展。這需要我們教師及學生繼續積極去探索。