在生物学课堂中利用模型方法提升学生理性思维能力的尝试

王毅男+徐丹

2016年，教育部公布了《中国学生发展核心素养（征求意见稿）》。该文件指出，学生发展核心素养是指学生应具备的、能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。在这个精神指导下，高中生物课标修订组将理性思维作为生物学科核心素养的重要内容之一。但是，对于相当一部分学生来说，生物学的成绩是建立在大量机械记忆基础上的。如何让学生能够理性地认识并运用生物学知识，是所有生物教师面临的重要问题。所谓“理性”，是指“依照逻辑推理而不是依照情绪或感觉来行事”。理性思维强调的是逻辑指引下的思考过程，对于生物学科来说，如何清晰地描述生物学逻辑是理性思维的基础。生物学模型是建立在大量生物学事实基础上的一种规律性描述，是对生物学规则的概括与总结。教师在高中生物教学中巧妙地利用生物学模型，对于提高学生理性思维能力将会有重要的作用。

1 高中生物教学中的常用模型

利用“模型”来对生物学知识进行归纳和总结是一种行之有效的方法。

关于“模型”的界定，不同研究者有不同的观点。《美国国家科学教育标准》认为，模型是“统一的科学概念和过程”，这些“概念和过程”包括体系、解释、变化和测量、形式和功能等。而模型构建则是指研究者运用模型的方法将抽象的、不可测的事实或过程借助身边的材料、用具或应用数学方法、图像等加以描述、概括总结的一种活动。在中学生物教学中，涉及的模型大体上可以分为物理模型、数学模型和概念模型等几类。例如，DNA分子结构模型和细胞膜流动镶嵌模型的实物等属于物理模型；种群数量增长的“J”型和“S”型曲线等属于数学模型；而光合作用、呼吸作用的过程等属于概念模型的范畴。大多数模型都是在限定条件下来描述生物学规则的。具体实例与模型吻合的程度取决于其与模型设定之间的相似度，相似度越高，利用模型进行推理时的结果越准确。

利用模型来描述生物学规则可以让学生从庞杂的生物学事实中找到可以用来分析解决问题的“生物学逻辑”，对学生了解生命运行的规则非常有效。但是，教师要强调模型成立的条件（设定），只有这样，才能够让学生客观、准确、理性地形成对生物学概念的认识。在教学过程中，教师要注意引导学生强化对于重要模型的理解。只有真的掌握了这些标准模型，学生才有能力在遇到新情境时进行理性的分析与推理。

2 生物学模型在课堂教学中应用

2.1 数学模型——孟德尔定律

（1） 对模型的描述：

孟德尔定律描述的是染色体基因从亲代向子代传递过程中的一般规律，其特征是会出现诸如3∶1、9∶3∶3∶1等典型的性状分离比，所以笔者将其归于数学模型的范畴。孟德尔定律并不能够解释所有的遗传现象（例如同源染色体上非等位基因由于交叉互换导致的重组），但能够量化描述和解释大多数基因的遗传过程，也可以作为“参考系”的标准。因此，孟德尔定律成为解释遗传现象过程中应用最多的标准模型，这个模型的成立建立在相当多的精确设定的基础上。下面以“基因的分离定律”为例进行说明。

“基因的分离定律”的设定：

① 一对性状由同源染色体上位于同一基因座的等位基因独立控制；

② 不同等位基因之间表现为完全显性；

③ 该基因无致死效应；

④ 无其他原因导致的配子致死或胚胎致死。

只有在符合了上述设定的前提下，杂交后代才可能出现3∶1或1∶1的典型分离比。而学生在试题中常常遇到的1∶2∶1、2∶1等特殊的性状分离比都是由于不符合该定律的设定所致，但是基本规则还是相同的。

（2） 符合模型描述情境的问题解决。

【例1】 （2012西城二模）水稻有香味是受基因控制的，其植株和种子均有香味。研究人员为确定香味基因的显隐性，以有香味的“粤丰B”和无香味“320B”水稻为材料，互为父母本进行如下杂交实验：

请分析回答：

（1） 从实验结果分析，水稻有五香味的性状是由

对基因控制的，其遗传符合 定律，做出上述判断的依据是 ，其中香味基因是 性基因。

教师引导学生利用类比迁移的方式将新情境与模型进行对比，从中发现其共性，培养学生的理性思维。

从题目给出的情境和数据可以看出，P代是两种性状，F1代只表现出一种性状，F2代无香味、有香味之间的比例190∶57基本符合3∶1。这些都与“基因的分离定律”所描述的内容相符合。通过理性的数据处理、逻辑分析和模型对比，学生很容易对上述基因控制性状的规则作出解释：该对性状由位于染色体上的一对等位基因控制，无香味为显性性状。

而F2代无香味的植株中，约有1/3的后代自交后不出现性状分离，有2/3的后代自交后出现性状分离，这也符合分离定律对于F2代显性性状的个体中存在1/3纯合子和2/3杂合子的描述，因此进一步验证了上述的假设。

（3） 偏离模型描述情境问题解决。

【例2】 （2015年朝阳二模）家蚕为二倍体动物。野生型家蚕蚕蛾体色一般为白色，研究发现甲品系的蚕蛾体色雄性均为黑色，雌性均为白色。蚕蛾的该种体色由一对等位基因A、a控制。将甲品系纯合家蚕与乙品系纯合家蚕杂交，结果如下。

请回答下列问题：

（1）上述两种杂交结果 ，表明控制蚕蛾此种体色的基因位于 染色体上。甲品系雌蛾与雄蛾的基因型 ，表现型不同，由此推测，此种体色除受相应基因控制外，还受 影响。

理性的逻辑分析不仅能够在正向的模型拟合中起到重要的作用，而且也是数据偏离模型描述时，学生发现数据与模型发生偏移原因的重要手段。也就是说，如果数据和模型匹配，那么直接利用模型来分析数据；如果数据和模型不匹配（发生偏移），那么就要利用模型来分析发生偏移的原因，而不是否定模型。

从题目给的描述很容易判断出杂交一和杂交二互为正反交。而F1代没有发生性状分离和F2代出现的3∶1的性状分离比也都符合“基因的分离定律”模型的描述，且正反交结果一致，应为常染色体遗传。但是情境中也有和标准模型不符合的现象：

① 杂交一的P代雌性（甲品系）应为黑色，但情境中为白色；

② 正反交中F2代雌性也应该呈现白色∶黑色=3∶1的性状分离比，但情境中全为白色。

在引导学生分析解决问题时，教师首先要肯定“基因的分离定律”模型的正确性，进而引导学生分析情境与标准模型描述发生偏离的原因。发生偏离的两个现象中有一个共同点，就是异常均（只）发生在雌性个体中，而在雄性个体中的体色表现符合标准模型。“基因的分离定律”成立的条件之一是“一对性状由同源染色体上位于同一基因座的等位基因独立控制”，而此情境中的体色表现明显受到性别的影响，说明其基因控制性状的方式偏离了标准模型的这一设定。而除此以外，该情境中其他的规则设定都与标准模型一致，调整设定后仍然可以利用该标准模型进行演绎推理、解决问题。

（4） 小结。

在解决上述问题的过程中，“基因的分离定律”这一数学模型相当于给学生提供了一个可供比较的“参考系”。这个“参考系”相当于一个标准，无论情境符合或偏离这个“参考系”，“参考系”本身不会发生改变。因此学生可以“参考系”描述的规则为依据进行理性的演绎推理，解决遇到的生物学问题。在利用标准模型的过程中，学生充分应用类比推理，这也是对理性思维的一种锻炼。

2.2 数学模型——种群数量增长曲线

（1） 对模型的描述：

种群数量增长的“J”型和“S”型曲线是高中生物学教学中非常有代表性的两个数学模型（见表1）。

这两个模型描述了两个极端情况下的种群增长情况，在自然状态下，几乎没有和这两种曲线完全吻合的种群增长情况。但是任何一种种群的增长过程，可能会在某一阶段更偏向于某一种模型所描述的曲线，这意味着在这个时候该种群所处的环境条件可能更符合该模型成立的设定条件。

模型中呈现的“增长率”和“增长速率”这两个参数在生态学上分别有着自己特有的含义。“增长率”反映的是种群在条件限定的生存压力下的数量增长趋势。对于“J”型增长模型来说，其成立的限定条件是“理想状态”，因此种群能持续地以最大的增长率增长；在“S”型曲线描述的趋势中，由于环境资源有限且恒定，每增加一个个体对于种群内其他个体来说都是一种负向的制约，所以种群的“增长率”会随着种群数量的增加持续下降，直到种群数量达到K值后，增长率也变为1，即种群数量维持不变。而“增长速率”描述的是种群在某一时刻单位时间内增加的个体数量，体现在曲线中就是某一点的斜率。“S”型曲线的增长速率在生产中有着重要的意义，可以通过模型的预估来确定捕鱼的适宜时机等。

（2） 利用模型解释种群的实际增长。

种群数量增长模型的应用对学生思维能力的锻炼主要体现在模型成立条件与种群实际生态环境条件的比较上。学生需要根据材料信息进行理性的归纳、总结和分析，将其转化为和模型成立条件类似的条件描述，进而进行对比，从而对种群实际增长过程进行合理的解释。

从图1中数据分析可知，在K点之前类似于“J”型增长曲线，说明这段时间环境中的资源充足，不是人口增长的限制因子；而虚线表示的是该地区的环境容纳量，也就是资源能够承载的人口上限，所以当人口数量到达O点时，会出现一个明显的下降，直至q点，这说明由于人口过多，使得生存资源不足，环境容纳量下降；而曲线的发展表明，环境资源的变化制约了该地的人口数量，导致人口呈现波动变化。

对上述每一个阶段的分析，都是利用模型来完成的。可以看出，模型呈现的是一种可以用来解释和描述生物学现象的规则。而同样的，这个模型提供了一个可供参考的标尺，可以把实际的生物学现象与之进行比较，从而分析其中体现出来的生命科学运行的规则。在此过程中学生的理性思维能力起到了非常重要的作用，只有进行理性的逻辑分析和推理，才能充分地利用模型来解释实际的生物学现象。

2.3 概念模型——光合作用过程

（1） 对模型的描述。

光合作用的过程是高中生物关于细胞代谢部分的重要内容之一，也是难点部分。

光合作用概念模型的呈现形式有很多种，笔者认为人教版教材中这种形式（图2）是最准确的。这个模型简单、准确地描述了光反应和暗反应过程中物质转化的过程和场所。之所以说它简单，是因为没有包含光合作用的很多细节，比如水分解为[H]和O2是在类囊体膜内完成、光反应向暗反应传递能量的载体除了ATP还包括[H]以及暗反应中复杂的物质转化等内容。笔者认为，对于高中学生来说，这个模型是足够的，只要能够以物质转换为主线清晰地形成对于光合作用的理解，学生有能力在获取信息的基础上解决遇到的绝大部分相关问题。

（2） 利用光合作用模型进行解释和推理。

【例3】 为研究棉花去棉铃（果实）后对叶片光合作用的影响，研究者选取至少具有10个棉铃的植株，去除不同比例棉铃，3天后测定叶片的CO2固定速率以及蔗糖和淀粉含量。结果如图。

（1） 光合作用碳（暗）反应利用光反应产生的ATP和 ，在 中将CO2转化为三碳糖，进而形成淀粉和蔗糖。

（2） 由图1可知，随着去除棉铃百分率的提高，叶片光合速率 。本实验中对照组（空白对照组）植株CO2固定速率相对值是 。

（3） 由图2可知，去除棉铃后，植株叶片中 增加。已知叶片光合产物会被运到棉铃等器官并被利用，因此去除棉铃后，叶片光合产物利用量减少， 降低，进而在叶片中积累。

本题是对光合作用模型考查的典型范例，解题过程对学生理性思维能力有着较高的要求。

问题（1）是对模型内容的简单回溯性考查。问题（2）是对信息获取和实验设计的简单考查，而获取的信息需要与光合作用模型结合，为下面问题的解答作准备。学生需要通过理性的分析，将新信息整合到原有模型中，在限定条件下对原有模型进行补充和完善。问题（3）是对学生理性的分析和推理能力的充分考查。学生需要具备较强的整体分析能力，才能以光合产物的转化与运输为线索将此模型进行重新整理，从而推理出正确的结论。可以说，理性思维能力是学生解决此问题的必要条件。只有通过理性的信息整合和推理去理清此过程中的逻辑主线，才能真正看清本题想呈现给学生的重要概念——光合产物的含量可以反馈调节光合作用过程。

理性思维的形成是科学课教育的重要目的，而“逻辑性”在生物学理性思维中的比重是相当大的。从近年北京高考的理综试题中不难看出，试题更多地考查“科学性”和“逻辑性”。生物学模型的建立有助于学生形成对重要生物学概念和过程的清晰理解，通过模型，教师可以抛开庞杂的生物学事实，建立起类似于数学中“定理”一般的规则描述。而掌握了这样的规则之后，学生就有了解决问题的理论基础，在遇到具体情境时，只要将模型类比迁移到新情境中，再参考具体的设定，就自然能通过逻辑来解决问题。生物学教育的目的并不是让学生记住多少生物学事实，而是让学生掌握利用生物学规则阅读信息、分析推理和解决问题的能力。基于生物学模型的理性思维培养就是实现这个目的的有效方式。

参考文献：

[1] 冯雪，彭凯平.技能和风格：理性思维的两种测量途径[J].心理科学进展，2015（9）：1 550-1 559.

[2] （美国）国家研究理事会著，戢守志等译.美国国家科学教育标准[M].科学技术文献出版社，1999.