模型建構在高中生物課程中的應用

馮 珠

模型建構是一種重要的科學方法，也是高中生物新課程中首次提出要求重視的一種能力。人教版新教材含有豐富的模型建構的素材。筆者結合這套教材，對如何建構模型進行了積極的嘗試。[1]

一、解讀模型和模型建構的價值

該套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?！本唧w包括物理模型、數學模型、概念模型。物理模型通過借助實物或圖畫來描述對象特征，數學模型和概念模型則需要用抽象的形式表達對象特征，前者用數學表達式，后者用文字和連接線等。概念模型旨在清楚呈現相關概念間的邏輯關系，如基因表達中遺傳信息的傳遞模型。

高中生物課程中的模型建構活動，是根據課程標準要求設計，為學生學習具體生物學內容而進行的建立模型的活動，它與科學研究中的建立模型不完全等同。高中生物學課程中的模型建構活動，其主要價值是讓學生通過嘗試建立模型，獲得或鞏固有關生物學概念，體驗建立模型過程中的思維過程，并領悟模型方法。[2]

二、模型建構在教學中的實踐

(一)通過構建模型掌握新概念

就“基因的表達”這部分內容來說教學的難點就是眾多的概念，有以前學過的概念：基因、DNA和RNA的結構，遺傳信息，脫水縮合；有待學習的概念：轉錄、翻譯、密碼子、反密碼子、tRNA、RNA聚合酶。概念的集中出現會使學生“消化不良”。在構建物理模型的過程中，若能合理安排這些概念的出場順序，再通過動手操作，表達交流，掌握這些新概念可以事半功倍。[3]

現就“轉錄”過程，談談具體的教學策略：

1.回憶之前學過的概念：先通過填表完成DNA和RNA結構和組成的比較，為后續轉錄的原則和需要的原材料做好鋪墊。然后通過圖片比較RNA的三種不同類型。

2.播放轉錄過程的視頻，借助視頻這種物理模型生成轉錄的動態過程，然后截取轉錄過程中間的圖片，拋出問題：(1)找出轉錄的模板、原料、產物、酶；(2)確定轉錄的方向；(3)該過程的特點。通過對問題的研究，學生對轉錄的模型有了較深層的理解。

3.學習小組成員合作，利用磁性貼剪出的各部件以及水筆在磁性白板上模擬轉錄的過程，構建轉錄的物理模型。然后教師組織學生展示本組構建的模型并做簡要的說明。展示中學生會暴露對概念理解的偏差或錯誤，通過大家的討論、交流，糾正錯誤，修正模型。修正模型的過程其實就是再次理解概念的過程。

上述學習綜合運用了視頻、圖片、實物這些物理模型，他們各有優勢。視頻在展示動態過程時有效性最高，圖片則更利于仔細分析問題，實物構建則強調動手動腦，反饋對對象的認識。這三種物理模型從不同側重點，幫助學生掌握了轉錄過程中出現的新概念，組間交流更是在語言表達上對這些概念進行了復習。因此學生對轉錄中出現的概念建立起相應的聯系，自然就 “水到渠成”了！

(二)通過構建模型領悟和運用模型方法

在教學中我們往往重視對模型結論的運用，而忽視了模型方法的傳授。其實，“授之以魚不如授之以漁”， 掌握了模型方法才擁有認識世界的工具。所謂模型方法就是抓住原型的本質特征，舍去一些次要的細節，以簡化和理想化的形式再現原型。思維方法上遵循化繁為簡的原則，目的在于把復雜的實際問題轉化為理想的簡單問題。下面以“種群數量的變化”一課為例談談模型方法的教學策略。

1.模型準備

控制有害細菌繁殖可防止疾病發生，但需首先要找出細菌增殖的規律。

2.模型假設

(展示細菌的繁殖圖)影響細菌增殖的因素有很多，所有因素一起考慮較復雜，假設“在理想環境條件下，即資源和空間無限的環境中，細菌的增殖不受種群密度增加的影響，一直以二分裂方式增殖, 且每20分鐘繁殖一代”。試推算不同時間內一個細菌的繁殖情況，完成表格。這個假設是對研究對象的一種簡化,這是模型方法的基本思想體現。

時間(分鐘)20406080100120140160180細菌數量

N表示細菌數量，n表示繁殖產生細菌的代數，寫出n代細菌數量的計算公式。同時根據相關數據，以時間為橫軸，以數量為縱軸，畫出細菌種群數量增長的曲線。

3.模型建立

學生得出數學公式： N=2n。進一步討論：能不能根據細菌增長的方程式推導成一個反映一般的種群和細菌種群增長類似的種群增長的方程式？Nt表示t時間后該種群的數量。種群的起始數量不是1而是以N0表示起始數量。每繁殖一代的時間是確定的，用t表示為時間。每經過一個繁殖期后，子代種群數量是原來的λ倍為年均增長率。

圖1 細菌種群的增長曲線圖

學生討論完成，并展示成果。(Nt=N0λt)

4.模型檢驗

已經建立的模型需要實驗檢驗。課前安排興趣小組做酵母菌的培養實驗。由小組成員匯報實驗及其結果：使用提純的酵母菌種群放在50ml的燒杯中，用肉湯培養液培養，每天定時進行觀察并記數、作好記錄，記錄后馬上分裝到更大的容器中，并添加新的肉湯培養液，連續記錄6天，結果如下表:

時間第一天第二天第三天第四天第五天第六天個數10016027842812082100

展示根據以上數據繪制的曲線圖。

根據比對，實驗結果和假設不謀而合，說明假設是正確的。當然，若結果和假設不符，則需重新假設，重新論證。我們可以總結種群“J”型增長的模型構建過程：觀察對象，提出問題→簡化對象，提出假設→表達對象，構建模型→實驗對象，檢驗模型。

5.模型完善

(1)自然界影響種群增長的因素很多，那么其增長規律會有何不同呢？坐標圖呈現高斯培養草履蟲的實驗結果。這和剛才的實驗結果有何不同？什么因素導致了這些差異？

我們把理想狀態下種群增長模型稱為“J”型曲線。自然狀態下的種群增長模型稱為“S”型曲線。師生共同分析討論，比較這兩種數學模型：

項目J型增長曲線S型增長曲線模型假設食物和空間條件充裕、氣候適宜、沒有敵害等(即理想的環境條件)有限的環境條件建立模型Nt=N0λtK為環境容納量種群增長率不變下降

(2)在有限的環境條件下，種群數量最后是不是能穩定地維持在K值呢？(看圖：東亞飛蝗種群數量的變化)學生討論得出：在自然界，影響種群數量的因素很多，如氣候、食物、天敵、傳染病等，因此，大多數種群的數量總是在波動中。有的是不規則波動，有的是周期性波動。

(3)閱讀課文“鯊魚的種群數量變化”。學生討論得出：種群數量下降，原因是海洋環境的改變，還有主要原因是人的捕獲量越來越大。隨著人口的增長，科技水平的提高，人類活動范圍的擴大，人類活動對自然界中群數量變化的影響越來越大，有時候甚至成為決定性的因素。

6.模型應用

討論：對于家鼠等有害動物我們應采取什么措施？對于大熊貓、華南虎等珍稀動物，我們又應采取什么措施？這些措施實際上是影響了種群增長的什么方面？

綜上所述，我們不難發現，構建模型的過程就是一個科學探究的過程?！按竽懠僭O，小心求證”的科學思維貫穿其中。建模過程中以學生為主體，教師為主導。教師通過設立有效的提問，培養學生主動探究的能力及團結協作的精神。

[1]汪忠，等.高中生物課程標準(實驗)解讀[Z].南京：江蘇教育出版社，2004.

[2]趙占良.人教版高中生物課標教材中的科學方法體系[J].中學生物教學，2007(3).

[3]張新海，梁厚芝.試論高中生物生物教學中的建模策略[J].學周刊理論與實踐，2015(9)：136.