浅析尺度模型在高中生物教学中的应用方法

潘钰 祝志安

摘 要：尺度模型是模型中的重要一类，在高中生物教学中应用广泛。学生可在构建尺度模型中，通过观察、制作、评价和修正等一系列建模活动，加深对生物学知识的理解。

關键词：尺度模型;模型构建;高中课堂教学

模型是在问题情境中形成的实体、符号或抽象表征的过程和产物，在中学生物教学中应用广泛。高中生物学教学中经常会用到一些模型，来描述那些难以直接观测到的结构、系统或现象，帮助学生推理和解决问题。赵萍萍博士、刘恩山教授在《生物学建模教学研究及启示》一文中提到的尺度模型就是常见的一种。

一、 尺度模型的内涵和功能

尺度模型是指聚集在实物的结构上，按实物比例进行放大或缩小的模型，主要关注的是实物的外部特征和内部结构。它的主要功能在于描述事物、现象以及可视化。虽然尺度模型主要关注的是模型的结构，跟以往的物理模型有点类似，但尺度模型更注重的是通过建构过程，体会事物结构和功能间的关系，加深对知识的了解，例如“制作DNA分子双螺旋结构模型”。仅有2D图片，DNA分子模型不足以让学生充分理解DNA的多样性、特异性以及携带遗传信息等概念，而通过尺度模型构建，最大限度可视化确认模型的结构特点以及功能间的关系，因而尺度模型构建，不是简单的手工制作。

二、 尺度模型的构建

模型的构建是动态、复杂的过程。尺度模型的构建也不例外，在实际课堂教学中需要师生共同配合来完成。主要步骤有以下几点。

（一）首先要明确模型建构的目的

教师要权衡所构建的尺度模型，是与实物外形结构间的相似性，还是与实物功能间的相似性。例如DNA分子结构，通过模型构建既可以使学生了解DNA分子的总体外形，也可以让学生了解DNA分子的基本组成单位——脱氧核苷酸的组成。面对不同的建构目的，构思设计和所选用的材料等是不同的，应根据建构的目的，讨论并选择构建模型需要的相关材料，提供于课前准备。如DNA分子结构中代表碱基的长方形卡片，长度应该不一等等。

（二）选择模型表征形式

尺度模型的表征形式一般有两种：①视觉的方式即2D图画的方式，如DNA分子的平面结构模型图、外形模式图;②实物的方式即3D实物，使用一些材料进行模型建构，如DNA分子双螺旋结构模型，如果选择实物表征的方式，可在建构模型过程，将模型的结构、功能、特点、使用材料等填入表格（表1），便于厘清思路和后续评价。

（三）模型构建

以“DNA分子结构”为例，选用胶带、钉书钉、不同颜色的导线、球形、五边形、不同长度长方形且颜色不同塑料片等材料和用具，参照教材上的“DNA分子平面结构模式图”，指导学生构建DNA分子结构模型。

（四）模型评价

1. 不同小组所构建的模型结构一致吗？存在什么问题？

2. 针对相同的结构所采用的材料一致吗？使用该材料的优缺点是什么？

3. 基于模型评价材料，给出你的评价等级，并简要说明理由。

（五）模型修正

1. 模型设计思路发生怎样的变化？

2. 原先使用材料和现在使用材料是否一致？如有不同，调整材料的主要理由是什么？可将变化的内容填入表格。（表略）

三、 尺度模型构建的案例

以人教版必修二生物“DNA分子的结构”为例。本节课主要通过对DNA分子结构模型构建，达成“DNA分子具有特定的结构，是遗传信息的载体”这一重要概念。它在充分理解DNA的分子组成、遗传规律、基因对性状的控制及其生物进化等章节知识，直到承上启下的枢纽作用，对于形成“DNA是主要遗传物质”的生命观念，具有推进意义。学生要实现的学习目标如图：

其中脱氧核苷酸、脱氧核苷酸长链及其碱基互补配对是学生学习过程中要突破的难点。因此在教学中可以通过指导学生构建脱氧核苷酸分子、脱氧核苷酸长链和DNA分子模型，在逐步构建过程中，让学生观察、演示、构建、体会、领悟碱基互补配对原则及DNA分子结构特点。基于以上建构目的，教学以“基本单位——单链——平面双链——立体空间结构”逐步深入，我们选择实物的方式通过将DNA分子的结构模型推倒与尺度模型的建构来达到理解DNA分子结构特点的教学目的。

首先，“推倒”模型来感性认识DNA分子结构。教师提供一个DNA模型让学生来观察外形特点并着手拆分了解内部结构，从“空间结构——平面结构——单链结构——基本单位”顺序进行观察、思考、分析，即从立体到平面，由大分子到组成单位，使学生逐步认识到DNA分子的空间结构、平面结构以及化学组成。

其次，在“推到”模型过程中学生获得到一定感性认识的基础上，鼓励学生尝试自己动手重建DNA模型。分三步走：构建模型一，脱氧核苷酸;构建模型二，脱氧核苷酸链;构建模型三，DNA双螺旋结构。构建模型一，教师PPT展示脱氧核苷酸模型，学生两人一组拿出课前准备好的圆形、长方形（四种颜色，长度不一）、五边形和不同颜色的导线，分别代表脱氧核苷酸的磷酸基团、四种含氮碱基、脱氧核糖和化学键。学生观察讨论后动手合作构建模型，小组间交流模型互相评价，达成模型共识。启发思考：脱氧核苷酸有几种？区别在哪里？构建模型二，先让学生在纸上画出四种脱氧核苷酸连接成脱氧核苷酸链的方式，随机抽取两位学生在黑板上画，让其他学生进行点评，最后教师进行确认正确与否，PPT展示脱氧核苷酸链模型图，学生两人一组开始构建模型，同时提醒学生注意相邻脱氧核苷酸链连接的位置，鼓励每个小组制作至少含有六个脱氧核苷酸以上的链，小组间进行相互比较，看看不同制作出来脱氧核苷酸链上脱氧核苷酸排列顺序是否一样？这又代表什么意思？构建模型三，问1：DNA分子一般是由几条脱氧核苷酸链组成的？是双螺旋还是三螺旋？问2：碱基位于螺旋的外侧还是内侧？问3：碱基是如何配对的？指导学生阅读P48课文内容。动画展示DNA双螺旋结构模型，学生开始分组制作，然后抽取几组，派组长上讲台展示说明，其他组的成员进行评价。

最后教师展示DNA分子结构的平面结构模型和双螺旋结构模型，让学生观察总结出DNA分子的结构特点。

评析：本节课鼓励学生在探究和观察获取的事实证据及经验的基础上，通过尺度模型构建进行模拟探究，互动交流，体会事物结构和功能之间的关系，类比推理，修正前概念，自行尝试使用新知道回答最高提出的问题，抽象概括并形成重要概念“DNA分子的结构特点”。通过模型构建、行动体验、实践分析，传递概念，尝试应用概念解释新的问题，树立“结构与功能相适应”的生物学观点。

评价标准要更多地具有可操作性和实用性：

1. 依据模型的功能是否满足建模目的（描述、解释、提供信息回答问题、提供例子、体现数据等）。

2. 模型的表现力如何。即模型是否能让别人清楚地明白所表征的事物是否包括了必要的信息（清晰、聚集、有组织性、顺序性、可观性、具体细节性、复杂性等）。

3. 模型的外观组成是否可帮助模型表现事物，是否有欠缺或冗余等（图片、文字、表格、标签、箭头、视觉、题目、绘画等）。

4. 模型是否满足证据要求，是否科学可靠（模型是否有证据等其他支持、支持的质量、支持的数量、论证等）。

5. 其他（解释或描述信息的数量、趣味性等）。

当然，在尺度模型构建过程中还要注意：教师应了解学生对模型和建模的哪些方面存在不当认识。教师自身能否对模型的功能进行合理的选择和评价？还要关注学生建模之前和建模之中的讨论、建模之后的讨论和对模型的评价。能否将合作学习、探究教学等进行整合使用，有效融入建模教学课堂，是实现本课教学目标的关键。

（通讯作者：祝志安）

参考文献：

[1]魏秀珍，祝志安.建模教学在高中生物学教学中的实践与思考[J].福建基础教育，2016（8）.

[2]赵萍萍，刘恩山.科学教育中模型定义及其分类研究述评[J].教育学报，2015（1）.

作者简介：潘钰，一级教师，福建省福州市，福清康辉中学;祝志安，高级教师，福建省福州市，福清第二中学。