運用模型方法開展生物學課堂教學

黃立軍

建構模型的方法，是高中課程標準和教材對學生提出的科學方法和探究能力的要求。在高中階段生物學課程的學習中，學生會不斷接觸到各種類型的模型建構，對模型方法會有比較全面的學習和理解。教師在課堂教學中充分運用模型及其方法，會促使學生知識、能力、情感態度和價值觀的發展。

1 模型及模型方法的概念界定

模型是人們為了某種特定目的而對認識對象所作的一種簡化的概括性的描述，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。模型的形式包括物理模型、概念模型、數學模型等。以實物或圖畫形式直觀地表達對象的特征，這種模型就是物理模型。沃森和克里克制作的著名的DNA雙螺旋結構模型，就是物理模型，它形象而概括地反映了所有DNA分子結構的共同特征。

模型方法是以研究模型來揭示原型的形態、特征和本質的科學方法。客觀事物、現象和過程之間存在的相似性是模型方法的客觀依據。模型方法具有可對事過境遷的自然現象進行研究，將自然現象放大或縮小等優點。具體地說，模型方法就是把研究對象的一些次要的細節和非本質的聯系舍去，從而以簡化和理想化的形式去再現原型的各種復雜結構、功能和聯系的一種科學方法。作為一種現代科學認識手段和思維方法，模型具有兩方面的含義，即抽象化和具體化。

2 運用模型方法教學的意義

2．1 促使學生更好地掌握生物學知識

首先，模型是學生學習科學知識的重要手段。學生掌握了模型方法就能更透徹地理解科學知識。以“成熟植物細胞發生滲透作用”的教學來說，先從化學滲透裝置及滲透現象的分析入手，通過分析明確滲透作用發生的條件，再分析成熟植物細胞的結構，通過“簡化”(也是一種模型化)細胞結構并類比，進而推理出“成熟植物細胞相當于一個滲透系統”。而這一滲透系統在不同濃度的溶液中將發生怎樣的變化呢？先讓學生構建成熟植物細胞質壁分離和復原的模型，提出可能發生的變化。再讓學生設計并實施驗證推理的實驗，全面地考慮材料和試劑的選擇、方法與步驟、可能出現的結果及其原因分析等。最后跳出課本，運用模型去解決農作物施肥等實際問題，使理論又回到實踐中去。這種以模型方法為主旋律的設計符合學生認知規律，促使學生更好地掌握生物學知識。

其次，模型方法作為思維方法蘊涵著很高的認知價值。學生一旦將模型方法內化為自己的認知圖式，就能獲得認知水平的躍進。將學生的認知水平逐步從具體向抽象過渡,抓住原型的本質特征，對原型進行抽象，把復雜的原型客體加以簡化和純化，并對抽象的假設或命題進行邏輯轉換，以構建一個能反映原型本質聯系的模型。這種既能聯系具體，又能聯系抽象的性質，正是模型所特有的。模型一方面提供了這種教學情境，同時，又使學生在這種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。如“基因的自由組合定律”一節教學，可以根據“觀察兩對相對性狀遺傳的現象→尋找兩對相對性狀遺傳的特征，建立解釋基因自由組合假設模型→用測交實驗檢驗模型（求證的方法包括理論的推導、實驗驗證和實物查證等三種方法）→運用自由組合模型解釋其它的生產、生活中的遺傳現象”的教學程序展開教學。其中的自由組合假設模型是溝通自由組合定律和現實（現象）的橋梁。然后以一對等位基因的遺傳為基礎，讓學生理解含一對等位基因的雜合體產生的配子種類、子代基因型及表現型的種類和比例，然后借助遺傳圖解和概率計算，推理出兩對位于非同源染色體上的非等位基因的遺傳結果，最后抽象出含ｎ對等位基因(位于ｎ對非同源染色體上)的雜合體的遺傳結果（見表1）。

2．2 有助于培養學生的創造性思維能力

在模型方法教學中，寄希望于把模型方法的要素概括出來，形成系統的方法學知識向學生講授是不切實際的。如在生態系統的功能的教學中，學生對能量金字塔的理解只是局限于課本的理性闡述，而且在實際運用中學生所碰到的不僅僅是能量金字塔，還有生物量金字塔和數量金字塔等。這些生態金字塔是千變萬化的，給學生的理解造成了阻礙。如果能用模型方法展開教學，則效果斐然。教師借助電教手段展示陸地生態系統和湖泊生態系統兩組生物體干重的系列數據，讓學生先根據營養級篩選、統計數據,并繪出生物量金字塔模型。當學生比較兩種生態系統的生物量金字塔時，產生了困惑，陸地生態系統的生物量金字塔典型，而湖泊生態系統的則呈現倒金字塔。利用模型構建中產生的沖突組織學生討論倒金字塔模型中“倒”的原因所在，最后得出結論：微型藻類世代期短,繁殖速度快，只能積累少量有機物，且浮游動物對它們的取食強度大，加之浮游植物個體小，含纖維素少，因此可整個被下一營養級的浮游動物所吞食消化，并迅速轉化為下一營養級的生物量，因此生產者的表觀生物量很小，形成了倒金字塔。如果不運用模型方法展開教學，則其關鍵和奧妙之處是不能外顯的，創造性思維能力難以得到培養和提高。

2．3 培養學生的探究能力

模型方法教學對于學生探究能力的培養有著獨特的作用。模型的建立要根據研究的任務、目的抽象出被研究對象的本質特征，舍去許多次要的細節和非本質的屬性，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，并制訂出解決問題的程序，從而充分地發揮思維的能動作用，達到認識原型的目的。模型的建立過程就是一個科學探究的過程。在這一探究過程中，需要學生自己確定對象，設置已知與未知，運用科學規律，選擇研究方法，檢驗模型是否與實際一致。從這個層面看，構建模型的目的就不只是停留在模型本身的結構與性質的探索上，而是上升到科學能力發展的高度，這對學生探究能力的培養是很有好處的。在教學細胞膜的分子結構及結構特點時，根據生物課程標準中相關內容的要求，在課堂上先通過多媒體展現以下一組科學家的實驗材料：

材料1：1895年，英國細胞生理學家奧弗在研究各種未受精的卵細胞的通透性時,發現脂溶性的物質很容易透過細胞膜,而不溶于脂肪的物質穿透則十分緩慢。

材料2：1925年,美國的高特和戈來德爾使用幾種哺乳動物的紅細胞，用丙酮提取出紅細胞膜上的磷脂,并將它在空氣和水的界面上鋪成單分子層,發現這個單分子層的面積相當于原來紅細胞表面積的2倍。

材料3：通過表面張力的試驗發現，細胞的表面張力比水與油之間的表面張力要小得多。有人在脂肪和水的模型中加入極少量的蛋白質，結果表面張力就降低了很多。

這時引導學生根據材料討論。學生提出了根據相似相溶原理，細胞膜中含有脂類；細胞膜是由兩層脂類分子組成的；細胞膜不單純由脂類構成，可能還含有蛋白質。當自己的結論和科學家的相同時，學生都沉浸在科學發現的驚喜之中，他們仿佛親身經歷了這場探究。這樣細胞膜的雙層結構模型就牢牢地植根于學生的腦海中。然后通過多媒體展現另一組材料：

材料1：回憶白細胞是如何吞噬病菌的？變形蟲的運動及攝食過程如何？

材料2：介紹科學家的“人鼠細胞融合實驗”。用不同的熒光染料標記的抗體分別與小鼠細胞和人細胞的膜抗原相結合，它們能分別產生綠色和紅色熒光。將這兩種細胞融合成一個細胞時，開始一半成綠色，一半成紅色，但在37℃下保溫40 s后，兩種顏色的熒光點便均勻分布了。

引導學生討論并建立細胞膜的流動鑲嵌模型。此時結合例題，把建立起的模型外推到原型上，學生學會了知識的遷移和應用，提高了解決問題的能力。

2．4 培養學生的科學精神、態度和價值觀

模型的建立需要學生有嚴謹、誠實的科學態度和堅韌不拔的意志。因此，模型的建立可培養學生的科學態度和精神。其次，運用模型方法教學不僅可使學生產生躍躍欲試的感覺，對學習產生興趣和需要，同時借助模型進行研究時，考慮到生命活動規律的復雜性和模型的局限性，及時對模型修補校正，這樣又能促進學生樹立辯證唯物主義的觀點。

在教學DNA雙螺旋結構時，美國生物學家沃森和英國物理學家克里克，于1953年4月25日在英國《自然》雜志上登載的一篇論文《核酸的分子結構——脫氧核糖核酸的一個結構模型》，在科學界引起了極大凡響。他們從真正接觸DNA結構的研究，到提出DNA雙螺旋結構，只用了不到兩年的時間，他們有大膽假設、虛心求教、百折不饒的精神和不斷汲取新知識的良好品質。他們精選多種科學方法（主要采用模型方法）是成功的主要途徑。只有在科學教育中把科學精神和人文精神的培養結合起來，從人文價值的視野中來逐步看待和理解科學，才能使學生的身心得到全面的發展。