浅析科学思维与模型构建的关系

蔡亚丽

摘要：在新高考背景下，高中生物课堂更应该认真贯彻落实“新课标”理念，积极探索、尝试。本文在课堂上运用模型进行教学上做了探索，以期引导、帮助学生了解并掌握构建模型方法，使学生建立科学的思维。

关键词：模型 思维 新课标 高中生物

《义务教育生物学新课程标准》中提出：生物课程中的科学探究是学生积极主动地获取生物科学知识、领悟科学研究方法而进行的各种活动。这些活动包括：观察、实验、调查、制作模型、收集和分析资料等。《普通高中生物课程标准》第二部分课程标准中明确提出：获得生物学基本事实、概念、原理、规律和模型等方面的基础知识，知道生物科学和技术的主要发展方向和成就，知道生物科学发展史上的重要事件。明确将获得生物学模型的基本知识作为课程目标之一，并在内容标准或活动建议部分做了具体的规定。这是我国中学生物学课程发展历史上首次如此重视“模型”。

一个好的模型的构建和使用可以使教学事半功倍。模型方法的习得有助于学生培养创造性思维。在生物学教学中，学生掌握了模型方法就能更加透彻地理解学科知识。学生如果能够将模型方法转化为自己的认知模式，就能使自己的认知水平发生质的飞跃。因此，作为一名高中生物教师，我们应该认真贯彻落实“新课标”理念，积极探索、尝试，在课堂上运用模型进行教学，引导、帮助学生了解并习得模型方法，使学生建立科学的思维形式。

模型法受到前所未有的重视，且有如此之多的“好处”，我们很多教师就感觉是一个非常神秘高深的东西，只可远观而不可亵玩焉。其实，这种顾虑是多余的。模型在教学、生活中随处可见。

究竟模型是什么呢？模型是人们按照特定的科学研究目的，在一定的假设条件下，再现原型客体某种本质特征（如结构特性、功能、关系、过程等）的物质形式或思维形式的类似物。模型作为一种认识手段和思维方式，是科学认识过程中抽象化与具体化的辩证统一。建立模型的过程，是一个思维与行为相统一的过程。通过对科学模型的研究来推知客体的某种性能和规律，借助模型来获取、拓展和深化对于客体的认识的方法，就是科学研究中常用的模型方法。按照模型的表现形式可以分为物理模型、数学模型、结构模型和仿真模型。物理模型也称实体模型，又可分为实物模型，如DNA的双螺旋结构模型；类比模型，如《性状分离比的模拟》实验中的彩球和小桶模型。教师在教学过程中制作的教具就是一种模型；我们为了讲述某个概念或者原理所列举的实物也是一种模型。模型其实并不神秘，我们常常在用“它”，却不知道“它”就是模型。其实只要用心思考，模型就可以“随手拈来”。

那么，如何建立生物模型，如何在课堂上有效的使用模型，笔者从以下几个方面做了探索。

一、第一，高中生物《遗传与进化》部分的内容大多都是从分子水平对遗传规律进行研究，对于学生而言，染色体、DNA、基因这些物体无法用肉眼观察到的微观结构非常抽象，很难在头脑中建立直观印象，所以对于这部分的内容理解起来比较困难。此时我们运用模型法就可以使这个问题迎刃而解。

例如：在遗传计算题中，用配子法计算配子的基因频率和子代基因型频率，容易出现反复练反复错的现象。出现这种现象的原因在于学生对生物个体内基因的组成情况理解不清，所以在计算群体中配子的总数、配子的基因频率等容易出错。例如高中生物必修2第115页“思考与讨论”。此处题目要求建立一个数学模型，但是我们可以先用一个物理模型来帮助学生理解后再建立数学模型。

这里我借鉴“性状分离比的模拟”实验的模型来讲解。用两种不同颜色的小球来类比生物体内的等位基因，将此题解读为：该种群中每个个体携带两个小球，绿色小球代表A基因，褐色小球代表a基因。携带有两个绿色小球的个体为AA基因型；携带一个绿色，一个褐色小球的个体为Aa基因型；携带两个褐色小球的为aa基因型。产生配子时，两个小球会分开，最终形成的每个配子中只含有其中一个小球。所以，整个群体共产生两种类型的配子，绿色和褐色。这样，学生就会在头脑中建立一个基因在个体和种群中分布的直观影像。在这个基础之上引导学生计算就很容易理解了。

如果亲代基因型的频率为：AA占30% ，Aa占60%，aa占10%。那么，

整个种群所拥有的小球总数是100%×2=200%，

亲代绿色小球的概率=（30%×2+60%）/ 200%=60%

親代褐色小球的概率=（60%+10%×2）/ 200%=40%

子代个体同时拿到两个绿色小球的概率=60%×60%=36%

子代个体同时拿到两个褐色小球的概率=40%×40%=16%

子代个体同时拿到一个绿色小球和一个褐色小球的概率=60%×40%×2=48%

子代绿色小球的概率=（36%×2+48%）/ 200%=60%

子代褐色小球的概率=（48%+16%×2）/ 200%=40%

在这个模型的引导下，学生就能很容易地理解到基因分布的一般规律，从而得出计算结果和结论：

A基因的频率=绿色小球出现的概率=60%

a基因的频率=褐色小球出现的概率=40%

子代基因型频率为：

AA=子代个体同时拿到两个绿色小球的概率==36%

Aa=子代个体同时拿到一个绿色小球和一个褐色小球的概率=48%

aa=子代个体同时拿到两个褐色小球的概率=16%

子代中：

A基因的频率=子代绿色小球的概率=60%

a基因的频率=子代褐色小球的概率=40%

所以，在五个假设条件基础上，这一种群繁殖若干代以后，其基因频率不会发生变化。

如果种群产生新的等位基因A2 则表示某些个体手中的小球变成了其他颜色，例如红色。这样，种群中的绿色或褐色小球的频率会发生改变。同理，A或a 基因的频率会发生变化。

引导学生构建双色小球模型，可以帮助学生把微观对象具体化，更透彻地理解科学知识，从而锻炼了学生的形象思维形式。

第二、，在讲授《染色体变异》时，需要与基因突变进行比较，学生对二者的变异结果混淆不清。这里也可以构建模型来帮助学生理解。“同学们手拉手排成一列”这个模型代表在显微镜下观察到的染色体：每个同学相当于一个基因，一列同学就是一条染色体。这个模型构建好以后，就可以启迪学生们进行思考了。

1、.教师问：“基因中的碱基相当于同学体内的什么结构？为什么？”

学生答案：“细胞，因为都是基本组成单位。”

2、.教师问：“基因突变就是DNA分子中发生碱基对的替换、增添和缺失，而引起的基因结构的改变。该现象对应到这一列同学上相当于发生了什么样的变化？”

学生答：相当于是某个同学体内的细胞变化、增添和缺失。

3、.教师问：这种变化，我们肉眼能观察到吗？

学生答：观察不到。

教师总结：基因突变在光学显微镜下也无法直接观察到。

4、.教师问：同学甲体内的某些细胞发生变化后，同学甲会不会就变成了同学乙或者丙？

学生答：不会，仍然是同学甲。

教师总结：基因突变本质是基因内部的变化，不改变染色体上基因的数量及所处位置，只改变某一基因的结构及表现形式，产生新基因（等位基因）。

5、.教师问：如果染色体结构改变，例如，染色体中某一片断缺失、增加、颠倒或者发生移接，相当于是我们的一列同学中发生了什么样的变化？

学生答：相当于有个别同学缺失、增加、颠倒或者两列同学之间交换某些同学。

6、.教师问：发生这样的变换后，我们队伍中的同学数目或排列顺序会发生相应改变。这种变换可以用肉眼观察到。对应到染色体上可以知道，染色体结构的改变，会使排列在染色体上的基因的数目或排列顺序发生改变，而导致性状的变异。

教师总结：染色体结构的变化是可以用显微镜直接观察到的。同理，染色体数目的增减相当于整体增加或是减少了一列或者N列同学，这种变化也是可以用显微镜直接观察到的。

因为一列同学或者同学个体内的的变化情况是学生非常熟悉也容易想象的模型。同学们对这个模型很感兴趣，思考异常活跃。在这个模型的讨论过程中，我们把握住节奏，一步步引导、启迪，用模型锻炼学生的逻辑思维能力。在模型的基础之上推理出基因突变和染色体变异的相关内容，有助于学生把要研究的现象、问题从纷繁复杂的交错关系中明确、清晰地显示出来，使问题得以简化和明确化，从而引导学生将模型方法转化为自己的认知模式，并建立科学的思维方法。

第三、，关于“细胞不能无限长大的原因”教材设计了观察计算氢氧化钠在含酚酞的琼脂块中的扩散深度的实验来探究细胞的表面积与体积之比，与物质运输效率之间的关系。这个实验科学性强、论证严密，可以很好地推导出结论：细胞体积越大，相对表面积越小，细胞的物质运输效率就越低。但是，学生在记忆这个结论的时候容易出现偏差——细胞体积与相对表面积之间究竟是什么关系呢？如果直接回忆实验的推导过程，由于科学性较强，不易复制且耗时多——尤其在临场考试时，心里一紧张，更容易出错。

这里我们可以利用一些随手可得的物体来进行类比。例如：粉笔盒。假设一个正方形的粉笔盒每一个面的面积为1个单位，则一个粉笔盒的表面积为6个单位。如果一个细胞的体积正好等于一个粉笔盒，那么两个这样大小的细胞的表面积就等于12 个单位。如果一个细胞的体积等于两个粉笔盒大小，那么这个细胞的表面积就只有10个单位。以此类推可知，细胞体积与相对表面积之间成反相关。

这个样的模型直观形象，在解题过程中，即使结论记忆不清，也可以借鉴这个思路，临时构建粉笔盒模型来推理思考。这样，只需要稍加思索就能得出正确结论。

在这个种模型的引导下学生还会自发地进行发散式思维：平时我们买苹果、梨这类需要去掉果皮的水果都喜欢挑个儿大的。原来这也是有科学依据的呀。水果的体积越大，果皮的相对面积就越小，对消费者来讲就越划算呢。通过这个模型的引导，学生的思维极大程度地活跃，一方面体会到建立模型的重要意义，另一方面感受到发散式思维带来的乐趣，为科学思维方式的建立打下了良好的基础。

除此以外还有一些经常会用到的模型，例如：

用粉笔来构建中心体模型，每支粉笔代表一个中心粒，两只粉笔在空间上垂直就代表一个中心体。

用手指来构建一对姐妹染色单体模型：两个食指弯曲，第二指关节靠在一起，代表一对姐妹染色单体。

电线构建DNA双螺旋模型：两根电线反向螺旋缠绕表示DNA双链反向平行的双螺旋结构。再用此模型进行螺旋化，表示染色质细丝高度螺旋化形成染色体状态。

……

像这样的事例还很多，我们身边的一些物体或者事例都可以构建成模型，用这些模型，我们可以更好地激活学生的思维，帮助学生在习得知识的同时建立科学的思维模式，从而真正做到“授人以渔”。

在模型法的运用过程中，我也产生了一个疑问：可不可以用同一个模型来讲解两个不同的知识点？

例如，在讲解氨基酸形成多肽链时，关于形成肽键数的计算问题，我运用了和讲授《染色体变异》时一样的模型：N个同学手拉手排成一列——每个同学相当于一个氨基酸，一列同学就是一条多肽链。把左手当做氨基，右手则为羧基，手拉手的地方就是肽键。如果同学排成一条直链状，那么手拉手的地方也就是肽键的数目就是N-1，如果同学围成一圈，那么肽键的数目就是N。排成直链状的一列同学一头一尾有一只空闲的左手和一只空闲的右手；在一条链状多肽链中，至少有一个游离的氨基和一个游离的羧基。用这个模型后，学生们对这个知识点豁然开朗。在完成习题时也会自觉的用到这个模型来帮助解题，完成效果非常好。

参考文献：

1.《普通高中生物课程标准》

2.《聚焦思维》 人民教育出版社课程教材研究所 赵占良

3.《高中生物学新课程中的模型、模型方法及模型建构》人民教育出版社课程教材研究所

4.《高中生物教材分析及教學建议》天津塘沽第一中学 孙国华

5.《模型在生物学中的应用》浙江省缙云县职业中等专业学校 麻敏珍