巧用物理模型 突破生物學教學難點

欒璐

摘要 結合教學實踐案例，概述了生物教學過程中根據不同教學內容建構不同的物理模型來突破教學難點。

關鍵詞 物理模型 模型建構 生物學教學

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

《普通高中生物學課程標準（2017年版）要求培養全體高中學生的生物學學科核心素養。教師可通過培養學生的模型建構能力的培養，從而提高學生的思維與認知水平，進而幫助學生理解與掌握所學的生物學知識。怎樣巧妙建構物理模型來突破教學難點，是值得高中生物學教師研究探討的課題。

1物理模型在生物教學難點突破中的作用

物理模型是以實物或圖畫形式直觀地表達認識對象的特征的模型，可以分為結構模型和過程模型兩種，其中過程模型與概念模型有所交叉，如血糖調節的物理模型。

教師開展建構物理模型教學，能夠讓學生更直觀形象地體驗知識的形成過程，加強學生的感性認識，使學生在從具體到抽象的認識過程中發生認知沖突，從而促進認知水平的發展，大大提高學習的效率。例如，高中生物學《必修1·分子與細胞》基于細胞這一最基本的生命系統展開。細胞體積微小，只能借助顯微鏡觀察到一些結構，這使得學生對一些細胞結構的認識非常抽象和片面。因此，教師引導學生利用生活中的材料如桔子皮、花生、芝麻、綠豆等建構真核細胞的三維結構模型，既生動直觀，又讓學生形象且深刻地認識和理解細胞結構。教師引導學生進行物理模型建構的過程教學也是一種科學探究的過程，要求學生在明確目標的基礎上，由已知去推導未知，遵循科學規律，選擇科學的研究方法，檢驗模型與實際是否相符，從而提升的學生的分析綜合能力、思維推理能力、合作創新能力等，突破教學難點，提升學科核心素養。教師在引導學生建構物理模型的過程中，需要充分研讀教材內容與課程標準，明確相關建模內容，選擇恰當的建模方式進行課堂教學。在此過程中，教師不僅豐富了自身的知識，提升了自身的能力，同時還更新了教學觀念。

2物理模型在生物教學難點突破中的應用

物理模型是實施課堂教學的載體，是否選用物理模型進行教學，選擇何種物理模型，應視教學內容和教學目標達成的需求而定。

2.1巧用物理模型，促進學生從平面到立體地認識相關結構

生物學教學過程，包含許多結構方面的內容，學生只有充分了解相關結構，才能理解其功能。書本只是以平面圖的形式呈現有關結構，大大限制了學生的認知。因此，教師利用物理模型，可以幫助學生從立體的角度更好地了解其結構。

例如，教師利用百變魔尺建構蛋白質的多樣結構。人教版高中生物必修1的“生命活動的主要承擔者——蛋白質”這節內容的難點是蛋白質結構的多樣性。教師利用百變魔尺中不同顏色的三角塊模擬不同的氨基酸。學生通過增減三角塊構建不同的多肽，總結得出：氨基酸的種類、數目、排列順序不同，蛋白質的結構不同。接著，教師引導學生通過百變魔尺不同的折疊方式，讓學生體會蛋白質的二級結構，再在其基礎上進行盤曲折疊形成三級結構，一條或多條肽鏈集合在一起構成具有四級結構的蛋白質分子。學生通過建構蛋白質的四級結構模型，理解“多肽鏈的盤曲折疊方式不同，蛋白質的結構不同”。

又如，學生利用半球形空心泡沫板、有洞乒乓球、牙簽、超輕黏土建構生物膜的結構。在必修1“生物膜的流動鑲嵌模型”這節中，生物膜的結構由幾種成分怎樣構成是其難點。教師先提供有洞乒乓球和牙簽，讓學生建構磷脂分子在水—空氣界面的排布;接著，引導學生思考，建構磷脂分子在水溶液中的排布。學生結合磷脂分子頭部的親水性和尾部的疏水性，會建構出球形的頭部朝外、尾部朝內的結構模型。教師再引導學生思考生物膜上磷脂分子的排布方式，多數學生會排布成磷脂雙分子層的平面結構模型;然后，引導學生思考立體細胞中膜結構如何建構，學生利用提供的半球形空心泡沫板建構立體結構模型。最后，學生將超輕黏土做成的蛋白質整合到已建構的立體結構模型中，從而理解蛋白質的不同分布，如鑲、部分嵌入或全部嵌入、貫穿磷脂雙分子層等。學生通過建構生物膜的立體結構模型充分理解各種成分在膜上的分布。

2.2巧用物理模型，促進學生從現象到本質地理解相關復雜生理過程

生物學教學涉及到許多復雜的生理過程，學生很難通過書本文字和圖片理解其過程。因此，教師利用物理模型，可以幫助學生更好地理解其過程。

例如，教師利用打印模型紙建構蛋白質翻譯過程模型，幫助學生理解“基因指導蛋白質的合成”。教師提供：有堿基排列順序的長條紙模擬mRNA，“倒葫蘆”形帶切口的紙片模擬核糖體，“三葉草”形的紙片模擬tRNA，長方形的紙片模擬氨基酸，回形針模擬形成的肽鍵。學生首先讓核糖體與mRNA結合，通過利用相應tRNA轉運相應氨基酸，氨基酸之間發生脫水縮合，然后核糖體沿著mRNA移動依次讀取密碼子（圖1）。在建構翻譯過程的模型中，學生會產生一些困惑：從哪端開始讀取密碼子？tRNA先與氨基酸結合還是先與mRNA進行互補配對？是核糖體沿著mRNA移動，還是mRNA沿著核糖體移動？讀取到什么密碼子結束？......教師引導學生分析、解答困惑，使學生深入理解翻譯過程，促使學生建構出正確的翻譯過程模型。由于紙片比較容易破壞，建議可以嘗試用薄塑料紙代替，這樣氨基酸和tRNA可以通過雙面膠結合，氨基酸之間也可以連接，并能重復利用。另外，教師還可以讓學生模擬一條mRNA上結合多個核糖體，發現合成出來的多肽鏈相同，并提高翻譯的效率。

2.3巧用物理模型，幫助學生從抽象到具體地理解相關生物技術手段

在學習生物學技術時，這些技術離學生的生活非常遙遠，學生很難理解其技術原理和過程。因此，教師可運用物理模型，幫助學生更好地理解其技術原理和過程。

例如，學習“單克隆抗體”時，教師利用6孔培養板、不同顏色的小球、不同顏色“Y”形紙片、圓孔磁鐵建構克隆化培養和專一抗體檢測模型，幫助學生理解。學生利用不同顏色的小球模擬不同的雜交瘤細胞，通過稀釋到不同的小孔中進而增殖，產生不同顏色的“Y”形抗體，利用帶有圓孔磁鐵的藍色紙片模擬特異性抗原，與相應的帶有磁性的藍色抗體結合，從而篩選出陽性孔中能產生特異性抗體的雜交瘤細胞。學生通過建構克隆化培養和專一抗體檢測模型（圖2），將抽象的生物技術具體化，深入理解其原理和操作要點。由于抗原和抗體的特異性結合是基于兩者結構的互補性和親和性，教師可以將上述抗原和抗體的模型進行改進，不用圓孔磁鐵，就用磁性貼制作抗原和抗體，并在其形狀上體現其互補性，使其更具有科學性。

3物理模型在生物教學難點突破中的延伸

學生不僅可以在建構物理模型的過程中加深對所學難點知識的理解，還能利用已經建構的物理模型來分析問題和解決問題。

例如，學生可在已經建構的生物膜的模型基礎上，結合磷脂分子的特性思考如何分別包裹脂溶性物質和水溶性物質，運用結構與功能觀理解生物膜的功能，從而進一步思考物質如何進出細胞。

運用物理模型突破生物教學難點的實施策略是現今高中生物教學研究的熱點，教師要善于對教材內容進行深度挖掘，多閱讀與教學內容相關的書籍及突破教學難點的不同方法，關心前沿科技的發展，鼓勵學生積極思考，大膽創新，建構科學合理的物理模型，并且不斷地從“建模-析模-修模-用模”中發展學科核心素養。建構物理模型既是教師突破教學難點的重要手段，也是學生積極主動學習成果的展現。

參考文獻：

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