淺析科學思維與模型構建的關系

蔡亞麗

摘要：在新高考背景下，高中生物課堂更應該認真貫徹落實“新課標”理念，積極探索、嘗試。本文在課堂上運用模型進行教學上做了探索，以期引導、幫助學生了解并掌握構建模型方法，使學生建立科學的思維。

關鍵詞：模型 思維 新課標 高中生物

《義務教育生物學新課程標準》中提出：生物課程中的科學探究是學生積極主動地獲取生物科學知識、領悟科學研究方法而進行的各種活動。這些活動包括：觀察、實驗、調查、制作模型、收集和分析資料等。《普通高中生物課程標準》第二部分課程標準中明確提出：獲得生物學基本事實、概念、原理、規律和模型等方面的基礎知識，知道生物科學和技術的主要發展方向和成就，知道生物科學發展史上的重要事件。明確將獲得生物學模型的基本知識作為課程目標之一，并在內容標準或活動建議部分做了具體的規定。這是我國中學生物學課程發展歷史上首次如此重視“模型”。

一個好的模型的構建和使用可以使教學事半功倍。模型方法的習得有助于學生培養創造性思維。在生物學教學中，學生掌握了模型方法就能更加透徹地理解學科知識。學生如果能夠將模型方法轉化為自己的認知模式，就能使自己的認知水平發生質的飛躍。因此，作為一名高中生物教師，我們應該認真貫徹落實“新課標”理念，積極探索、嘗試，在課堂上運用模型進行教學，引導、幫助學生了解并習得模型方法，使學生建立科學的思維形式。

模型法受到前所未有的重視，且有如此之多的“好處”，我們很多教師就感覺是一個非常神秘高深的東西，只可遠觀而不可褻玩焉。其實，這種顧慮是多余的。模型在教學、生活中隨處可見。

究竟模型是什么呢？模型是人們按照特定的科學研究目的，在一定的假設條件下，再現原型客體某種本質特征（如結構特性、功能、關系、過程等）的物質形式或思維形式的類似物。模型作為一種認識手段和思維方式，是科學認識過程中抽象化與具體化的辯證統一。建立模型的過程，是一個思維與行為相統一的過程。通過對科學模型的研究來推知客體的某種性能和規律，借助模型來獲取、拓展和深化對于客體的認識的方法，就是科學研究中常用的模型方法。按照模型的表現形式可以分為物理模型、數學模型、結構模型和仿真模型。物理模型也稱實體模型，又可分為實物模型，如DNA的雙螺旋結構模型；類比模型，如《性狀分離比的模擬》實驗中的彩球和小桶模型。教師在教學過程中制作的教具就是一種模型；我們為了講述某個概念或者原理所列舉的實物也是一種模型。模型其實并不神秘，我們常常在用“它”，卻不知道“它”就是模型。其實只要用心思考，模型就可以“隨手拈來”。

那么，如何建立生物模型，如何在課堂上有效的使用模型，筆者從以下幾個方面做了探索。

一、第一，高中生物《遺傳與進化》部分的內容大多都是從分子水平對遺傳規律進行研究，對于學生而言，染色體、DNA、基因這些物體無法用肉眼觀察到的微觀結構非常抽象，很難在頭腦中建立直觀印象，所以對于這部分的內容理解起來比較困難。此時我們運用模型法就可以使這個問題迎刃而解。

例如：在遺傳計算題中，用配子法計算配子的基因頻率和子代基因型頻率，容易出現反復練反復錯的現象。出現這種現象的原因在于學生對生物個體內基因的組成情況理解不清，所以在計算群體中配子的總數、配子的基因頻率等容易出錯。例如高中生物必修2第115頁“思考與討論”。此處題目要求建立一個數學模型，但是我們可以先用一個物理模型來幫助學生理解后再建立數學模型。

這里我借鑒“性狀分離比的模擬”實驗的模型來講解。用兩種不同顏色的小球來類比生物體內的等位基因，將此題解讀為：該種群中每個個體攜帶兩個小球，綠色小球代表A基因，褐色小球代表a基因。攜帶有兩個綠色小球的個體為AA基因型；攜帶一個綠色，一個褐色小球的個體為Aa基因型；攜帶兩個褐色小球的為aa基因型。產生配子時，兩個小球會分開，最終形成的每個配子中只含有其中一個小球。所以，整個群體共產生兩種類型的配子，綠色和褐色。這樣，學生就會在頭腦中建立一個基因在個體和種群中分布的直觀影像。在這個基礎之上引導學生計算就很容易理解了。

如果親代基因型的頻率為：AA占30% ，Aa占60%，aa占10%。那么，

整個種群所擁有的小球總數是100%×2=200%，

親代綠色小球的概率=（30%×2+60%）/ 200%=60%

親代褐色小球的概率=（60%+10%×2）/ 200%=40%

子代個體同時拿到兩個綠色小球的概率=60%×60%=36%

子代個體同時拿到兩個褐色小球的概率=40%×40%=16%

子代個體同時拿到一個綠色小球和一個褐色小球的概率=60%×40%×2=48%

子代綠色小球的概率=（36%×2+48%）/ 200%=60%

子代褐色小球的概率=（48%+16%×2）/ 200%=40%

在這個模型的引導下，學生就能很容易地理解到基因分布的一般規律，從而得出計算結果和結論：

A基因的頻率=綠色小球出現的概率=60%

a基因的頻率=褐色小球出現的概率=40%

子代基因型頻率為：

AA=子代個體同時拿到兩個綠色小球的概率==36%

Aa=子代個體同時拿到一個綠色小球和一個褐色小球的概率=48%

aa=子代個體同時拿到兩個褐色小球的概率=16%

子代中：

A基因的頻率=子代綠色小球的概率=60%

a基因的頻率=子代褐色小球的概率=40%

所以，在五個假設條件基礎上，這一種群繁殖若干代以后，其基因頻率不會發生變化。

如果種群產生新的等位基因A2 則表示某些個體手中的小球變成了其他顏色，例如紅色。這樣，種群中的綠色或褐色小球的頻率會發生改變。同理，A或a 基因的頻率會發生變化。

引導學生構建雙色小球模型，可以幫助學生把微觀對象具體化，更透徹地理解科學知識，從而鍛煉了學生的形象思維形式。

第二、，在講授《染色體變異》時，需要與基因突變進行比較，學生對二者的變異結果混淆不清。這里也可以構建模型來幫助學生理解。“同學們手拉手排成一列”這個模型代表在顯微鏡下觀察到的染色體：每個同學相當于一個基因，一列同學就是一條染色體。這個模型構建好以后，就可以啟迪學生們進行思考了。

1、.教師問：“基因中的堿基相當于同學體內的什么結構？為什么？”

學生答案：“細胞，因為都是基本組成單位。”

2、.教師問：“基因突變就是DNA分子中發生堿基對的替換、增添和缺失，而引起的基因結構的改變。該現象對應到這一列同學上相當于發生了什么樣的變化？”

學生答：相當于是某個同學體內的細胞變化、增添和缺失。

3、.教師問：這種變化，我們肉眼能觀察到嗎？

學生答：觀察不到。

教師總結：基因突變在光學顯微鏡下也無法直接觀察到。

4、.教師問：同學甲體內的某些細胞發生變化后，同學甲會不會就變成了同學乙或者丙？

學生答：不會，仍然是同學甲。

教師總結：基因突變本質是基因內部的變化，不改變染色體上基因的數量及所處位置，只改變某一基因的結構及表現形式，產生新基因（等位基因）。

5、.教師問：如果染色體結構改變，例如，染色體中某一片斷缺失、增加、顛倒或者發生移接，相當于是我們的一列同學中發生了什么樣的變化？

學生答：相當于有個別同學缺失、增加、顛倒或者兩列同學之間交換某些同學。

6、.教師問：發生這樣的變換后，我們隊伍中的同學數目或排列順序會發生相應改變。這種變換可以用肉眼觀察到。對應到染色體上可以知道，染色體結構的改變，會使排列在染色體上的基因的數目或排列順序發生改變，而導致性狀的變異。

教師總結：染色體結構的變化是可以用顯微鏡直接觀察到的。同理，染色體數目的增減相當于整體增加或是減少了一列或者N列同學，這種變化也是可以用顯微鏡直接觀察到的。

因為一列同學或者同學個體內的的變化情況是學生非常熟悉也容易想象的模型。同學們對這個模型很感興趣，思考異常活躍。在這個模型的討論過程中，我們把握住節奏，一步步引導、啟迪，用模型鍛煉學生的邏輯思維能力。在模型的基礎之上推理出基因突變和染色體變異的相關內容，有助于學生把要研究的現象、問題從紛繁復雜的交錯關系中明確、清晰地顯示出來，使問題得以簡化和明確化，從而引導學生將模型方法轉化為自己的認知模式，并建立科學的思維方法。

第三、，關于“細胞不能無限長大的原因”教材設計了觀察計算氫氧化鈉在含酚酞的瓊脂塊中的擴散深度的實驗來探究細胞的表面積與體積之比，與物質運輸效率之間的關系。這個實驗科學性強、論證嚴密，可以很好地推導出結論：細胞體積越大，相對表面積越小，細胞的物質運輸效率就越低。但是，學生在記憶這個結論的時候容易出現偏差——細胞體積與相對表面積之間究竟是什么關系呢？如果直接回憶實驗的推導過程，由于科學性較強，不易復制且耗時多——尤其在臨場考試時，心里一緊張，更容易出錯。

這里我們可以利用一些隨手可得的物體來進行類比。例如：粉筆盒。假設一個正方形的粉筆盒每一個面的面積為1個單位，則一個粉筆盒的表面積為6個單位。如果一個細胞的體積正好等于一個粉筆盒，那么兩個這樣大小的細胞的表面積就等于12 個單位。如果一個細胞的體積等于兩個粉筆盒大小，那么這個細胞的表面積就只有10個單位。以此類推可知，細胞體積與相對表面積之間成反相關。

這個樣的模型直觀形象，在解題過程中，即使結論記憶不清，也可以借鑒這個思路，臨時構建粉筆盒模型來推理思考。這樣，只需要稍加思索就能得出正確結論。

在這個種模型的引導下學生還會自發地進行發散式思維：平時我們買蘋果、梨這類需要去掉果皮的水果都喜歡挑個兒大的。原來這也是有科學依據的呀。水果的體積越大，果皮的相對面積就越小，對消費者來講就越劃算呢。通過這個模型的引導，學生的思維極大程度地活躍，一方面體會到建立模型的重要意義，另一方面感受到發散式思維帶來的樂趣，為科學思維方式的建立打下了良好的基礎。

除此以外還有一些經常會用到的模型，例如：

用粉筆來構建中心體模型，每支粉筆代表一個中心粒，兩只粉筆在空間上垂直就代表一個中心體。

用手指來構建一對姐妹染色單體模型：兩個食指彎曲，第二指關節靠在一起，代表一對姐妹染色單體。

電線構建DNA雙螺旋模型：兩根電線反向螺旋纏繞表示DNA雙鏈反向平行的雙螺旋結構。再用此模型進行螺旋化，表示染色質細絲高度螺旋化形成染色體狀態。

……

像這樣的事例還很多，我們身邊的一些物體或者事例都可以構建成模型，用這些模型，我們可以更好地激活學生的思維，幫助學生在習得知識的同時建立科學的思維模式，從而真正做到“授人以漁”。

在模型法的運用過程中，我也產生了一個疑問：可不可以用同一個模型來講解兩個不同的知識點？

例如，在講解氨基酸形成多肽鏈時，關于形成肽鍵數的計算問題，我運用了和講授《染色體變異》時一樣的模型：N個同學手拉手排成一列——每個同學相當于一個氨基酸，一列同學就是一條多肽鏈。把左手當做氨基，右手則為羧基，手拉手的地方就是肽鍵。如果同學排成一條直鏈狀，那么手拉手的地方也就是肽鍵的數目就是N-1，如果同學圍成一圈，那么肽鍵的數目就是N。排成直鏈狀的一列同學一頭一尾有一只空閑的左手和一只空閑的右手；在一條鏈狀多肽鏈中，至少有一個游離的氨基和一個游離的羧基。用這個模型后，學生們對這個知識點豁然開朗。在完成習題時也會自覺的用到這個模型來幫助解題，完成效果非常好。

參考文獻：

1.《普通高中生物課程標準》

2.《聚焦思維》 人民教育出版社課程教材研究所 趙占良

3.《高中生物學新課程中的模型、模型方法及模型建構》人民教育出版社課程教材研究所

4.《高中生物教材分析及教學建議》天津塘沽第一中學 孫國華

5.《模型在生物學中的應用》浙江省縉云縣職業中等專業學校 麻敏珍