模型建构在高中生物课程中的应用

冯 珠

模型建构是一种重要的科学方法，也是高中生物新课程中首次提出要求重视的一种能力。人教版新教材含有丰富的模型建构的素材。笔者结合这套教材，对如何建构模型进行了积极的尝试。[1]

一、解读模型和模型建构的价值

该套教材对模型的定义是：“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。”具体包括物理模型、数学模型、概念模型。物理模型通过借助实物或图画来描述对象特征，数学模型和概念模型则需要用抽象的形式表达对象特征，前者用数学表达式，后者用文字和连接线等。概念模型旨在清楚呈现相关概念间的逻辑关系，如基因表达中遗传信息的传递模型。

高中生物课程中的模型建构活动，是根据课程标准要求设计，为学生学习具体生物学内容而进行的建立模型的活动，它与科学研究中的建立模型不完全等同。高中生物学课程中的模型建构活动，其主要价值是让学生通过尝试建立模型，获得或巩固有关生物学概念，体验建立模型过程中的思维过程，并领悟模型方法。[2]

二、模型建构在教学中的实践

(一)通过构建模型掌握新概念

就“基因的表达”这部分内容来说教学的难点就是众多的概念，有以前学过的概念：基因、DNA和RNA的结构，遗传信息，脱水缩合；有待学习的概念：转录、翻译、密码子、反密码子、tRNA、RNA聚合酶。概念的集中出现会使学生“消化不良”。在构建物理模型的过程中，若能合理安排这些概念的出场顺序，再通过动手操作，表达交流，掌握这些新概念可以事半功倍。[3]

现就“转录”过程，谈谈具体的教学策略：

1.回忆之前学过的概念：先通过填表完成DNA和RNA结构和组成的比较，为后续转录的原则和需要的原材料做好铺垫。然后通过图片比较RNA的三种不同类型。

2.播放转录过程的视频，借助视频这种物理模型生成转录的动态过程，然后截取转录过程中间的图片，抛出问题：(1)找出转录的模板、原料、产物、酶；(2)确定转录的方向；(3)该过程的特点。通过对问题的研究，学生对转录的模型有了较深层的理解。

3.学习小组成员合作，利用磁性贴剪出的各部件以及水笔在磁性白板上模拟转录的过程，构建转录的物理模型。然后教师组织学生展示本组构建的模型并做简要的说明。展示中学生会暴露对概念理解的偏差或错误，通过大家的讨论、交流，纠正错误，修正模型。修正模型的过程其实就是再次理解概念的过程。

上述学习综合运用了视频、图片、实物这些物理模型，他们各有优势。视频在展示动态过程时有效性最高，图片则更利于仔细分析问题，实物构建则强调动手动脑，反馈对对象的认识。这三种物理模型从不同侧重点，帮助学生掌握了转录过程中出现的新概念，组间交流更是在语言表达上对这些概念进行了复习。因此学生对转录中出现的概念建立起相应的联系，自然就 “水到渠成”了！

(二)通过构建模型领悟和运用模型方法

在教学中我们往往重视对模型结论的运用，而忽视了模型方法的传授。其实，“授之以鱼不如授之以渔”， 掌握了模型方法才拥有认识世界的工具。所谓模型方法就是抓住原型的本质特征，舍去一些次要的细节，以简化和理想化的形式再现原型。思维方法上遵循化繁为简的原则，目的在于把复杂的实际问题转化为理想的简单问题。下面以“种群数量的变化”一课为例谈谈模型方法的教学策略。

1.模型准备

控制有害细菌繁殖可防止疾病发生，但需首先要找出细菌增殖的规律。

2.模型假设

(展示细菌的繁殖图)影响细菌增殖的因素有很多，所有因素一起考虑较复杂，假设“在理想环境条件下，即资源和空间无限的环境中，细菌的增殖不受种群密度增加的影响，一直以二分裂方式增殖, 且每20分钟繁殖一代”。试推算不同时间内一个细菌的繁殖情况，完成表格。这个假设是对研究对象的一种简化,这是模型方法的基本思想体现。

时间(分钟)20406080100120140160180细菌数量

N表示细菌数量，n表示繁殖产生细菌的代数，写出n代细菌数量的计算公式。同时根据相关数据，以时间为横轴，以数量为纵轴，画出细菌种群数量增长的曲线。

3.模型建立

学生得出数学公式： N=2n。进一步讨论：能不能根据细菌增长的方程式推导成一个反映一般的种群和细菌种群增长类似的种群增长的方程式？Nt表示t时间后该种群的数量。种群的起始数量不是1而是以N0表示起始数量。每繁殖一代的时间是确定的，用t表示为时间。每经过一个繁殖期后，子代种群数量是原来的λ倍为年均增长率。

图1 细菌种群的增长曲线图

学生讨论完成，并展示成果。(Nt=N0λt)

4.模型检验

已经建立的模型需要实验检验。课前安排兴趣小组做酵母菌的培养实验。由小组成员汇报实验及其结果：使用提纯的酵母菌种群放在50ml的烧杯中，用肉汤培养液培养，每天定时进行观察并记数、作好记录，记录后马上分装到更大的容器中，并添加新的肉汤培养液，连续记录6天，结果如下表:

时间第一天第二天第三天第四天第五天第六天个数10016027842812082100

展示根据以上数据绘制的曲线图。

根据比对，实验结果和假设不谋而合，说明假设是正确的。当然，若结果和假设不符，则需重新假设，重新论证。我们可以总结种群“J”型增长的模型构建过程：观察对象，提出问题→简化对象，提出假设→表达对象，构建模型→实验对象，检验模型。

5.模型完善

(1)自然界影响种群增长的因素很多，那么其增长规律会有何不同呢？坐标图呈现高斯培养草履虫的实验结果。这和刚才的实验结果有何不同？什么因素导致了这些差异？

我们把理想状态下种群增长模型称为“J”型曲线。自然状态下的种群增长模型称为“S”型曲线。师生共同分析讨论，比较这两种数学模型：

项目J型增长曲线S型增长曲线模型假设食物和空间条件充裕、气候适宜、没有敌害等(即理想的环境条件)有限的环境条件建立模型Nt=N0λtK为环境容纳量种群增长率不变下降

(2)在有限的环境条件下，种群数量最后是不是能稳定地维持在K值呢？(看图：东亚飞蝗种群数量的变化)学生讨论得出：在自然界，影响种群数量的因素很多，如气候、食物、天敌、传染病等，因此，大多数种群的数量总是在波动中。有的是不规则波动，有的是周期性波动。

(3)阅读课文“鲨鱼的种群数量变化”。学生讨论得出：种群数量下降，原因是海洋环境的改变，还有主要原因是人的捕获量越来越大。随着人口的增长，科技水平的提高，人类活动范围的扩大，人类活动对自然界中群数量变化的影响越来越大，有时候甚至成为决定性的因素。

6.模型应用

讨论：对于家鼠等有害动物我们应采取什么措施？对于大熊猫、华南虎等珍稀动物，我们又应采取什么措施？这些措施实际上是影响了种群增长的什么方面？

综上所述，我们不难发现，构建模型的过程就是一个科学探究的过程。“大胆假设，小心求证”的科学思维贯穿其中。建模过程中以学生为主体，教师为主导。教师通过设立有效的提问，培养学生主动探究的能力及团结协作的精神。

[1]汪忠，等.高中生物课程标准(实验)解读[Z].南京：江苏教育出版社，2004.

[2]赵占良.人教版高中生物课标教材中的科学方法体系[J].中学生物教学，2007(3).

[3]张新海，梁厚芝.试论高中生物生物教学中的建模策略[J].学周刊理论与实践，2015(9)：136.