探索物理模型在高中生物教学中的应用

孙铭文　王波

摘 要：高中新课改钟声的敲响，很多新的信息脱颖而出，教师需要把新旧知识及信息有效整合到一起。在高中生物教学中，模型及模型方法应用很实际并受用，已经成为一种不可缺少，十分有利的教学手段。

关键词：物理模型 高中生物教学

一、物理模型的概念及分类

模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所做的一种简化的描述，这种描述可以是定性的，也可以是定量的；有的借助于具体的实物或其他形象化的手段，有的则通过抽象的形式来表达。《标准》已将模型纳入基础知识范畴，并且将模型方法規定为高中学生必须掌握的科学方法之一。

模型的形式很多，包括物理模型、概念模型、数学模型等。以实物或图画形式直观地表达认识对象的特征，这种模型就是物理模型。物理模型既包括静态的结构模型，如真核细胞的三维结构模型、细胞膜的流动镶嵌模型等；又包括动态的过程模型，如教材中学生动手构建的减数分裂中染色体变化的模型、血糖调节的模型等。

二、高中生物物理模型建构的探索

1.有丝分裂细胞中染色体变化物理模型的建构

（1）教学背景分析

有丝分裂的内容可以说是学生对细胞的结构和功能理解和掌握的延伸，对染色质与染色体、染色体（单体）与DNA的关系的理解，在有丝分裂的学习中有着重要作用，只有很好的理解细胞核的结构和功能才能真正体会到有丝分裂的意义。由于细胞分裂这一现象的特殊性──整个过程是一动态变化，而这一过程又是学生用肉眼所不能直接观察到的，要让学生具体把握这个过程中细胞内部所发生的变化，特别是遗传物质的变化，这一内容是本节课教学的难点。以往利用多媒体网络课件，模拟细胞分裂的动态过程，学生有如过往云烟的感觉，而我们把微观、抽象的过程建构成实际看得见、摸的着的物理模型，让学生仿佛亲眼看到有丝分裂过程中的各种变化。

（2）学情分析

高中二年级学生，生物学经过两年的搁置，在记忆中已经所剩不多。在此教学背景下，看似很简单的问题，理解起来需要一定时间。构建物理模型的情境体验式教学，创设情境，营造学生在“做中学”的全新学习模式，能够体现学生参与实践的必要性，达到“过目不忘”的效果。

（3）教学资源：

每个班级有40名学生，5人一组，共8组。每组选出一名组长，课前实际动手做模型。8块长方形木板（模拟植物细胞），每块木板四周贴上彩色胶条（模拟植物细胞壁），每块木板上放有细线（模拟纺锤丝），牵引着暗扣（模拟着丝点）连接着的布条（模拟染色体）4条。用黄色布条模拟制作两条来自母方的非同源染色体，每条染色体又分别连着两条姐妹染色单体，中间暗扣代表着丝点，在两条染色体的位置不同。用绿色布条模拟制作两条来自父方的非同源染色体，其他过程同上。木板两侧开有小孔，便于在木板下方牵引纺锤体（细线），控制染色体（布条）的行为变化。制作过程学生积极性很高，大家团结协作共同完成。

（4）教学过程

采用多媒体播放知识过程，并用染色体模型、剪贴图来讲解。理论知识讲解之后，每组发一个模型。请同学们动脑思考，实际动手模拟有丝分裂过程。学生一看到自己构建的模型教具，都感到很新奇、兴奋，开始积极动手模拟操作起来。模拟过程中有互相之间积极的讨论，有互相之间热情的讲解，有互相之间取长补短的改错过程。全班学生都主动参与到情境学习中，在脑海中真正理解有丝分裂各时期的变化，尤其是对染色质与染色体、染色体（单体）与DNA的关系的理解。教师到各组观看、交流、指导。最后请各组代表同学陈述自己的实验结果。教师鼓励学生自己发现问题，解决问题。最后请几名同学拿着木板及染色体来到前面再演示一遍分裂期各时期染色体的变化。整节课堂中学生的广泛参与，团结合作的氛围，真正体现学生的主体地位，主动探究的意识，使得抽象难懂的微观图像仿佛栩栩如生，历历在目。没有再出现教师反复讲，学生反复问，最后还不能理解透彻的情况。

（5）教后反思及模型构建的意义

通过植物有丝分裂过程的模型建构活动，引导学生通过思考、合作、讨论，根据自身的知识、经验主动地去建构模型，培养学生的合作、表达能力。学生通过这一建构活动，体验到学习的乐趣，更好地理解有丝分裂过程，加深了生命活动现象的本质的认识，明确了模型建构的方法和意义，培养和发展思维能力和抽象概括能力。

2.重组DNA分子物理模型的模拟构建

（1）教学背景分析

选修三第一章第一节中的内容，主要是介绍DNA重组技术的三种基本工具及其作用。基因工程目前是现代生物前端科技，涉及高端、复杂、难操作的实际操作技术。学生接触得少，又难于理解，如果教师采用直白、平淡的方式介绍，不利于知识的掌握及应用，也不利于调动学生学习的积极性，更不利于学生科学素养的全面提高。为此，教学内容的另一种呈现方式是形象化。在文字描述感到抽象时，课文中会配以插图，力争图文并茂。再通过学生实际动手模拟制作DNA重组模型，使其更加“形象化”。

（2）教学资源

剪刀代表EcoRI酶，透明胶条代表DNA连接酶。

选两种颜色的等宽硬纸板，这里选择白色纸板和绿色纸板。在白色纸板上和绿色纸板上依次等距离用电脑打上大写英文字母来代表四种脱氧核苷酸的含氮碱基，分别代表如下：A--腺嘌呤 ， G--鸟嘌呤， C--胞嘧啶，T--胸腺嘧啶。

白色纸板：然后两边环绕折成环状并用透明胶粘好，代表一个环形质粒。

ATAGCATGCTATCCATGAATTCGGCAATGCAGTACGTGGGCATAGATAC

TATCGTACGATAGGTACTTAAGCCGTTACGTCATGCACCCGTATCTATG

绿色纸板：代表外源基因，外源基因上面有我们需要的目的基因。

TCCTAGAATTCTCGGTATGAATTCCATAC

AGGATCTTAAGAGCCATACTTAAGGTATG

（3）教学过程

抽象的黏性末端的叙述以及磷酸二酯键的部位，与直观的模型协同运用，可使学生准确地理解切割或连接部位，理解“黏性”的内涵。DNA连接酶是“缝合”磷酸二酯键的，在重组DNA过程中到底体现在何处，结合模型会易于理解。但是这些在学生的脑海里都是一些感性認识，就像看不见摸不到的空气、能量一样。学生亲自动手操作，拿来EcoRI酶，拿来DNA连接酶，手捏环状质粒，找来外源基因，寻找切口，大胆剪下去，并按照需要连接起来。这些抽象、微观的事物仿佛已经具体化，明朗化。再紧密结合质粒载体结构的模式图，也将使学生对构建载体条件的有关内容变得容易理解。

在模拟制作DNA重组模型时，单纯动手剪纸板只能算是手工劳动，而模拟制作是富含科学内涵的动手过程。当拿来剪刀时，首先意识到这是一把EcoRI的特异剪刀，应去寻找G —A—A—T—T—C的碱基序列，然后从G和A之间剪开。当剪“环状质粒”时，此时就会体会到EcoRI酶上下共切了两下，但只有一个切口。再拿来外源基因找到目的基因并切下来，此时又会体会到同样的EcoRI酶上下共切了四下，有两个切口。当拿来不干胶时，意识到只能黏连磷酸二酯键处，而不能去黏连碱基对处。如果学生的操作是正确的，不同颜色的黏性末端能互补配对，如果制作的黏性末端不能互补配对，说明学生的操作有失误。当出现模拟制作失误时，也要想想，这在真实情况下可能是什么原因所致。

（4）教后反思及模型构建的意义

学生在思索中学习新知识，在实际动手中形成正确的认识。从而引导学生从基因工程的整体思考问题，解决问题。复杂化变得简单化，抽象化变得具体化。

此时已经不再需要教师反复的唠叨声，不会再看到学生迷惑的目光。真正激发了学生的学习生物兴趣，体现了学生主动探究意识。

三、物理建模研究的意义

1.提高学生生物学的学习效率和学习兴趣。

在生物教学中运用物理模型能有效地缩短人眼对材料的反应时间和识别时间，创造了生动的意象，促进了学生对知识的理解和掌握，从而提高了学习效率。心理学研究表明，人眼对图画、中文词及英文词3种材料识别加工过程中，图画反应时间最短，英文最长，而中文词居中。

模型本身展示给学生的是非常直观、生动的印象，它使静止的或微观的图像变得“活跃，生动”，是非常吸引学生，能够激发学生学习兴趣的感性材料。学生在做模型的过程中亲身体验生物学研究过程，领略科学研究的思路，感知到科学研究过程的辛苦，激发学生的学习兴趣，促使学生为之感动、兴奋，同时体验到建构探究成功后的喜悦感，自豪感。

2.实现学生自主、合作学习方式。

给学生提供充分的自主学习的空间和时间，教师只是发挥引导的作用，然后放手让学生独立思考，让学生自主建模并不断修改自己构建的模型，充分发挥每个学生的思维潜力，扩大其思维空间。学生在自主建模的基础上会和其他同学进行合作交流，通过交流过程使学生能从不同的角度去思考问题，能对自己和他人的成果进行反思，相互启发、共同发展，培养合作精神和参与意识，创造和谐、愉悦的学习氛围。

3.可以使物理模型、数学模型、概念模型三者之间自然结合并自然转换。

在生物教学中可以有效地建立起物理模型、概念模型以及数学模型之间的转换。提高了学生的应试能力，理解和解决问题的能力。自然科学中最抽象的就是概念。正因为运用物理模型教学创设了一定的情景和创造了生动的意象，使学生对概念和理解变为直觉，形成了正确的知觉，达到了新概念构建的目的。

结语

课程实施是新一轮课程改革能否取得成功的关键，教师作为新课程的实施者，创造性的使用教材，重视模型思维和模型能力的培养，设计适合学生自主建构的教学过程，引导学生主动思考、探索，让学生在模型建构的过程中学习、发展。这需要我们教师及学生继续积极去探索。