淺析尺度模型在高中生物教學中的應用方法

潘鈺 祝志安

摘?要：尺度模型是模型中的重要一類，在高中生物教學中應用廣泛。學生可在構建尺度模型中，通過觀察、制作、評價和修正等一系列建模活動，加深對生物學知識的理解。

關鍵詞：尺度模型;模型構建;高中課堂教學

模型是在問題情境中形成的實體、符號或抽象表征的過程和產物，在中學生物教學中應用廣泛。高中生物學教學中經常會用到一些模型，來描述那些難以直接觀測到的結構、系統或現象，幫助學生推理和解決問題。趙萍萍博士、劉恩山教授在《生物學建模教學研究及啟示》一文中提到的尺度模型就是常見的一種。

一、 尺度模型的內涵和功能

尺度模型是指聚集在實物的結構上，按實物比例進行放大或縮小的模型，主要關注的是實物的外部特征和內部結構。它的主要功能在于描述事物、現象以及可視化。雖然尺度模型主要關注的是模型的結構，跟以往的物理模型有點類似，但尺度模型更注重的是通過建構過程，體會事物結構和功能間的關系，加深對知識的了解，例如“制作DNA分子雙螺旋結構模型”。僅有2D圖片，DNA分子模型不足以讓學生充分理解DNA的多樣性、特異性以及攜帶遺傳信息等概念，而通過尺度模型構建，最大限度可視化確認模型的結構特點以及功能間的關系，因而尺度模型構建，不是簡單的手工制作。

二、 尺度模型的構建

模型的構建是動態、復雜的過程。尺度模型的構建也不例外，在實際課堂教學中需要師生共同配合來完成。主要步驟有以下幾點。

（一）首先要明確模型建構的目的

教師要權衡所構建的尺度模型，是與實物外形結構間的相似性，還是與實物功能間的相似性。例如DNA分子結構，通過模型構建既可以使學生了解DNA分子的總體外形，也可以讓學生了解DNA分子的基本組成單位——脫氧核苷酸的組成。面對不同的建構目的，構思設計和所選用的材料等是不同的，應根據建構的目的，討論并選擇構建模型需要的相關材料，提供于課前準備。如DNA分子結構中代表堿基的長方形卡片，長度應該不一等等。

（二）選擇模型表征形式

尺度模型的表征形式一般有兩種：①視覺的方式即2D圖畫的方式，如DNA分子的平面結構模型圖、外形模式圖;②實物的方式即3D實物，使用一些材料進行模型建構，如DNA分子雙螺旋結構模型，如果選擇實物表征的方式，可在建構模型過程，將模型的結構、功能、特點、使用材料等填入表格（表1），便于厘清思路和后續評價。

（三）模型構建

以“DNA分子結構”為例，選用膠帶、釘書釘、不同顏色的導線、球形、五邊形、不同長度長方形且顏色不同塑料片等材料和用具，參照教材上的“DNA分子平面結構模式圖”，指導學生構建DNA分子結構模型。

（四）模型評價

1. 不同小組所構建的模型結構一致嗎？存在什么問題？

2. 針對相同的結構所采用的材料一致嗎？使用該材料的優缺點是什么？

3. 基于模型評價材料，給出你的評價等級，并簡要說明理由。

（五）模型修正

1. 模型設計思路發生怎樣的變化？

2. 原先使用材料和現在使用材料是否一致？如有不同，調整材料的主要理由是什么？可將變化的內容填入表格。（表略）

三、 尺度模型構建的案例

以人教版必修二生物“DNA分子的結構”為例。本節課主要通過對DNA分子結構模型構建，達成“DNA分子具有特定的結構，是遺傳信息的載體”這一重要概念。它在充分理解DNA的分子組成、遺傳規律、基因對性狀的控制及其生物進化等章節知識，直到承上啟下的樞紐作用，對于形成“DNA是主要遺傳物質”的生命觀念，具有推進意義。學生要實現的學習目標如圖：

其中脫氧核苷酸、脫氧核苷酸長鏈及其堿基互補配對是學生學習過程中要突破的難點。因此在教學中可以通過指導學生構建脫氧核苷酸分子、脫氧核苷酸長鏈和DNA分子模型，在逐步構建過程中，讓學生觀察、演示、構建、體會、領悟堿基互補配對原則及DNA分子結構特點。基于以上建構目的，教學以“基本單位——單鏈——平面雙鏈——立體空間結構”逐步深入，我們選擇實物的方式通過將DNA分子的結構模型推倒與尺度模型的建構來達到理解DNA分子結構特點的教學目的。

首先，“推倒”模型來感性認識DNA分子結構。教師提供一個DNA模型讓學生來觀察外形特點并著手拆分了解內部結構，從“空間結構——平面結構——單鏈結構——基本單位”順序進行觀察、思考、分析，即從立體到平面，由大分子到組成單位，使學生逐步認識到DNA分子的空間結構、平面結構以及化學組成。

其次，在“推到”模型過程中學生獲得到一定感性認識的基礎上，鼓勵學生嘗試自己動手重建DNA模型。分三步走：構建模型一，脫氧核苷酸;構建模型二，脫氧核苷酸鏈;構建模型三，DNA雙螺旋結構。構建模型一，教師PPT展示脫氧核苷酸模型，學生兩人一組拿出課前準備好的圓形、長方形（四種顏色，長度不一）、五邊形和不同顏色的導線，分別代表脫氧核苷酸的磷酸基團、四種含氮堿基、脫氧核糖和化學鍵。學生觀察討論后動手合作構建模型，小組間交流模型互相評價，達成模型共識。啟發思考：脫氧核苷酸有幾種？區別在哪里？構建模型二，先讓學生在紙上畫出四種脫氧核苷酸連接成脫氧核苷酸鏈的方式，隨機抽取兩位學生在黑板上畫，讓其他學生進行點評，最后教師進行確認正確與否，PPT展示脫氧核苷酸鏈模型圖，學生兩人一組開始構建模型，同時提醒學生注意相鄰脫氧核苷酸鏈連接的位置，鼓勵每個小組制作至少含有六個脫氧核苷酸以上的鏈，小組間進行相互比較，看看不同制作出來脫氧核苷酸鏈上脫氧核苷酸排列順序是否一樣？這又代表什么意思？構建模型三，問1：DNA分子一般是由幾條脫氧核苷酸鏈組成的？是雙螺旋還是三螺旋？問2：堿基位于螺旋的外側還是內側？問3：堿基是如何配對的？指導學生閱讀P48課文內容。動畫展示DNA雙螺旋結構模型，學生開始分組制作，然后抽取幾組，派組長上講臺展示說明，其他組的成員進行評價。

最后教師展示DNA分子結構的平面結構模型和雙螺旋結構模型，讓學生觀察總結出DNA分子的結構特點。

評析：本節課鼓勵學生在探究和觀察獲取的事實證據及經驗的基礎上，通過尺度模型構建進行模擬探究，互動交流，體會事物結構和功能之間的關系，類比推理，修正前概念，自行嘗試使用新知道回答最高提出的問題，抽象概括并形成重要概念“DNA分子的結構特點”。通過模型構建、行動體驗、實踐分析，傳遞概念，嘗試應用概念解釋新的問題，樹立“結構與功能相適應”的生物學觀點。

評價標準要更多地具有可操作性和實用性：

1. 依據模型的功能是否滿足建模目的（描述、解釋、提供信息回答問題、提供例子、體現數據等）。

2. 模型的表現力如何。即模型是否能讓別人清楚地明白所表征的事物是否包括了必要的信息（清晰、聚集、有組織性、順序性、可觀性、具體細節性、復雜性等）。

3. 模型的外觀組成是否可幫助模型表現事物，是否有欠缺或冗余等（圖片、文字、表格、標簽、箭頭、視覺、題目、繪畫等）。

4. 模型是否滿足證據要求，是否科學可靠（模型是否有證據等其他支持、支持的質量、支持的數量、論證等）。

5. 其他（解釋或描述信息的數量、趣味性等）。

當然，在尺度模型構建過程中還要注意：教師應了解學生對模型和建模的哪些方面存在不當認識。教師自身能否對模型的功能進行合理的選擇和評價？還要關注學生建模之前和建模之中的討論、建模之后的討論和對模型的評價。能否將合作學習、探究教學等進行整合使用，有效融入建模教學課堂，是實現本課教學目標的關鍵。

（通訊作者：祝志安）

參考文獻：

[1]魏秀珍，祝志安.建模教學在高中生物學教學中的實踐與思考[J].福建基礎教育，2016（8）.

[2]趙萍萍，劉恩山.科學教育中模型定義及其分類研究述評[J].教育學報，2015（1）.

作者簡介：潘鈺，一級教師，福建省福州市，福清康輝中學;祝志安，高級教師，福建省福州市，福清第二中學。