模型建构是一种重要的科学方法

模型建构是一种重要的科学方法，也是课标中首次提出要求重视的一种能力。《美国国家科学教育标准》中也要求学生“运用逻辑和证据来构造和修改科学解释和科学模型”，将其作为进行科学探究所需要的基本能力（9-12年级）。人教版高中生物新教材选择的内容充分体现了这种要求，其中含有丰富的模型建构的素材。用好这些素材,充分发挥模型的作用，渗透模型建构的方法迫在眉睫。

1解读模型和模型建构的价值

必修1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”。模型分三类：物理模型、概念模型、数学模型。物理模型如真核生物的三维结构模型、细胞膜的流动镶嵌模型、DNA分子双螺旋结构模型；概念模型如血糖平衡调节的模型、达尔文的自然选择学说的解释模型等；数学模型如“J”型种群增长的数学模型N t=N0λt 、基因分离与自由组合定律，有丝分裂中DNA含量变化曲线等。

高中生物学中的模型建构活动与科学研究中的建立模型不完全等同，它是为学生更好地掌握具体生物学内容而服务的。例如，沃森和克里克建立DNA双螺旋结构模型的目的，是为了揭示当时并不清楚的DNA分子结构。高中生物学中的“制作DNA双螺旋结构模型”的模型建构活动，主要是对“DNA分子的双螺旋结构”这个结论进行具体化，所建立的模型是物理模型；其主要目的不是探索DNA分子的结构，而是通过制作物理模型来加深对DNA分子的结构的理解，并体验具体化的模型的作用。可见，让学生通过尝试建立模型，掌握或巩固有关生物学概念，体验建立模型过程中的思维过程，并领悟模型方法是高中生物学中的模型建构活动的主要价值。

2.模型建构在教学中的实践

2.1在建构模型中掌握新知识

就《DNA的分子结构》这部分内容来说，DNA、脱氧核苷酸、磷酸、脱氧核糖、含氮碱基等是前概念，但是DNA的双螺旋结构、碱基对、碱基互补配对原则、DNA的基本骨架则是新的概念。在教师引导下，学生通过自己动手，构建物理模型，展示作品进行交流、互评，能有效地掌握相关的概念。

具体教学策略如下：

1.回忆前概念：通过教师提问的方式进行。要使学生能画出脱氧核苷酸的结构，说出脱氧核苷酸的种类和名称，并且能与核糖核苷酸进行区分。

2.学生阅读课本自学DNA的分子结构，初次接触新概念。

3. 将学生分组，小组成员合作，利用现成的材料（磷酸、脱氧核糖、含氮碱基）制作DNA分子模型。教师组织学生讨论、交流。取长补短，完善模型。

学生通过自己制作DNA分子模型，对DNA的分子结构有了感性认识；手脑并用操作“碱基配对”的过程，大大加强了印象；组间的相互交流更是从语言表达上进一步加强了对概念的理解。学生将相关的概念（磷酸、脱氧核糖、含氮碱基、脱氧核苷酸、碱基互补配对原则、DNA子链、DNA分子、复制、双螺旋结构、DNA解旋酶等）建立起相应的联系就自然是“水到渠成”了！

2.2在建构模型中领悟建模的一般方法

在教学中我们往往重视对模型结论的运用，而忽视了建模方法的传授。其实，“授之以鱼不如授之以渔”，掌握了建构模型的方法才拥有认识世界的工具。下面以“种群数量的变化”一课为例谈谈构建模型的教学策略。

1 模型原型：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：假设“在理想环境条件下，细菌二分裂增殖, 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。该假设是对研究对象的一种简化,这是模型方法的基本思想的体现。

时间（分钟）20 40 60 80 100 120 140 160 180 细菌数量

3模型建立：学生得出数学公式： Y=2x，及有关曲线图。

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？学生讨论完成并展示成果。（Nt=N0 λt）

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。实际情况和我们的假设是符合的，说明假设是有效的。

时间第一天第二天第三天第四天第五天第六天个数98 160 278 428 1208 2100

5 模型完善：自然界种群的生活环境和我们假设的情况不同，那么种群增长是何规律呢？展示高斯曾经做过的实验。教师总结：这实际上是两个不同的种群增长模型。比如细菌，我们把它叫做“J”型曲线。比如高斯的实验，我们把它叫做“S”型曲线。

总结种群增长数学模型的建构过程：观察研究对象→提出合理假设→数学表达→检验、修正。综上所述，我们不难发现，模型的建立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。这种思维方法，一旦内化为学生自己的认知图式，就能获得认知水平的飞跃。

2.3增强模型方法的意识，提高解题能力

模型方法就是以研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法。它是连接理论和应用的桥梁。

【例】从一个叶肉细胞的线粒体的基质中扩散出来，进入相邻一个叶肉细胞都叶绿体中，共穿过几层膜？

用模型方法来解决：从原型中抽提出两个植物细胞，线粒体和叶绿体，将提取的元素构建模型如右图。从模型很容易得出，CO2共穿过6层膜。

一般而言，拟题主要是拟题者根据自己头脑中选择的一个理想化的生物学模型，再结合某些生物学事实，给出已知条件，提出需要得出都结论。解题的过程就是还原生物模型的过程，学生若能正确建立生物模型，就能极大地提高解题效率。

3.教学中关于模型建构的体会

3.1防止将模型与原型等同

模型是原型的一种抽象，是在一定条件和范围内建立的，并不是原型本身。随着对原型认识的不断深入，模型需要不断的“建构—解构—再构”。正如同生物膜的流动镶嵌模型，它也正不断被修正着。

3.2注意在教学中教给模型方法

要引导学生认识模型是如何逐步建立的，怎样检验和完善。防止只粗略地介绍模型的知识而忽视模型方法。

3.3生物教科书为模型方法提供了丰富的素材

生物教材中有许多典型的建模案例，如生长素的发现，生物膜的流动镶嵌模型，光合作用的发现过程等，为培养学生的模型思维，提高建模能力提供了丰富的素材。因此，我们要充分挖掘这些范例，培养学生掌握和运用模型方法解决问题的能力。

总之，无论在科学研究还是在学习科学的过程中，模型和模型方法都起着十分重要的作用。在生物课堂中教师应引导学生顺着科学的思路和方法去感知、去思索，从中领悟和形成运用模型建构方法解决问题的能力，在不知不觉中领略科学知识的真谛。

紧密联在生物课堂中渗透挫折教育

一、缘起