生物建模和模拟实验

生物建模和模拟实验

徐红玲

（发表于2007年第6期《生物学通报》）

摘要：构造模型和模拟实验是进行生命科学研究的最常用的一种方法。其本质是对生物结构及生命现象进行模拟。开设生物建模和模拟实验课程，是高中生命科学课程改革的一个大胆尝试，是培养创造型人才的一项有力措施，这项措施必将推动高中生命科学教学改革，有力地促进青少年科技活动的深入开展。

关键词：构造模型模拟实验

构造模型是人们进行科学研究的常用的一种方法。其本质是对研究对象进行模拟。构造模型常建立在学生已有的知识基础之上，生成于认知结构的最高端，不仅能使学生强烈地感受到生物世界的美妙和神奇，而且更能够使学生激发起探索的意识和创新的欲望。普通高中开设生物建模和模拟实验课程，是生命科学课程改革的一个大胆尝试，也是转变继承性教学思想，树立创造性教育观念，培养具有系统思维，实践能力和创新精神的复合型人才的一项有力措施。这项措施必将推动高中生命科学教学改革，有力地促进青少年科技活动的深人开展。将课本中难以理解的内容以及不可能做的实验，设计成构造模型或者模拟实验，将抽象的知识形象化，让学生动手操作，感悟、体验生物结构和生命运动历程，广大教师作了大量的工作，笔者不揣浅陋，对构造模型和模拟实验进行了一些初步思考，以期专家斧正。

1、构造模型

由于研究对象与目的差别，构造模型通常分为以下4种类型。

1.1结构模型

结构模型是指为了解和说明研究对象的结构而设计或构造的模型。最常见的莫过于课本上的生物结构插图了。但是这些插图大多是平面的，缺乏空间感和实物感，而且生物插图在描述生物体的结构时也不能面面俱到，学生在理解插图中各结构之间的位置关系时往往感到困难。然而如果教师能引导学生动手操作建立实物模型，则不但对于学生在头脑中形成空间概念以及达到全面掌握和深刻理解起到事半功倍的作用，而且对于提高学生的动手能力和培养学生对生命科学的兴趣具有及其重要的意义。例如：依据沃森和克里克提出的DNA双螺旋结构，利用硬塑料方框和铁丝作为支架，用圆形、长方形（4种颜色）、五边形塑料片分别代表磷酸基团、4种碱基和脱氧核糖，制作DNA结构模型。再如：利用废旧物品制作生

物膜模型：用球形或接近球形的纽扣穿上一根细线，模拟磷脂分子（纽扣模拟磷脂分子的头部，细线模拟磷脂分子的尾部）;用废旧塑料泡沫剪成圆球形，模拟蛋白质分子。

1.2功能模型

为了解和说明研究对象的功能特点而设计制造的模型。例如：上海二期课改高中《生命科学》高一第1册第2章第3节“生物体内的化学反应”中酶和底物的作用机理模型以及第3章第3节“细胞与外界的物质交换”中，用透析袋做成的细胞膜模型，模拟探究物质的跨膜运输方式等等。

1.3数学模型

为了更好地理解和反映生物之间、生物与环境之间或者某一生理过程中某种物质量的变化等有关的数值变量函数关系，借助数学思想、数学工具和数学方法，构造函数曲线图，这就是数学模型。在生物学上，经典的数学模型有：在理想环境中的种群数量增长模型（又名“马尔萨斯模型”），种群在有限环境中的增长模型（又名“逻辑斯谛模型”）;再如微生物生长曲线图;有丝分裂及减数分裂过程中染色体和DNA的数目随时间的变化曲线图;光照强度、二氧化碳浓度、温度、光质对光合效率影响曲线图等等。

1.4实体模型

这是与研究对象最接近的一种模型。本质上它是研究对象的小样本。通常它还必须具有简单、小型、易控制边界条件、易操作等特点。例如：美国科学家于1984年兴建的一个完全封闭的生态实验室，这个实验室就是模拟生物圈的结构和功能建造的，即“生物圈2号”就是一实体模型。再如：在做完“探究植物细胞外液的浓度与质壁分离的关系”实验后，要求学生依据渗透作用原理，设计一个实体模型，来鉴别2种蔗糖溶液的浓度，并贴上标签（已知2种蔗糖溶液分别为30%和10%的，由于未贴标签而混淆不清）。有些学生设计的实验模型如下图所示，根据刻度玻璃管刻度

中液面高度的变化来判断蔗糖溶液的浓度;也有部分学生设计了不同的实验模型：他们

将等量蔗糖溶液分别装进2个透析袋中，透析袋中各插人1个刻度玻璃生物学管，这2个透析袋放人清水中，再根据2个刻度玻璃管液面上升的高度来判断蔗糖溶液的浓度。在实验设计过程中，不仅让学生巩固、应用之前所学知识，还能让学生充分发挥他们的独创性，能够验证自己的想法，享受实验的乐趣，培养和发展了学生的创新能力。

2模拟试验

模拟试验是根据相似性原理通过模拟的方法制成研究对象的模型，用模型来代替被研究对象，模拟研究对象的实际情况，来进行实验研究。由于生物学中很多研究对象直接用来实验很困难或者不可能，因而模拟实验成为生物学中一个重要的方法。根据实验结果的属性及实验过程的感受，通常也将模拟实验分为现象模拟实验、过程模拟实验、仿真模拟实验和探究模拟实验。

2．1现象模拟实验

就是用简单的实验方法，方便的实验材料，用明显的实验现象来模拟难以操作、难以取材和现象不明显的实验。例：模拟血型的鉴定，模拟材料“A血型”（豆浆），“B血型”（淀粉液），“O血型”（纯净水），“AB血型”（淀粉液+豆浆），A型血清（碘液），B型血清（鲜橙汁）。实验现象如下表：

通过对血型鉴定过程的模拟实验，使学生既掌握了血型鉴定的原理，又锻炼了动手能力。

2.2过程模拟实验（或者体验型模拟实验）

用易于控制，过程简化，又能反应其本质特征的简易实验材料来设计的一种模拟实验叫做过程模拟。如：“性状分离比的模拟实验”、“自然选择对基因频率变化影响的模拟实验”、“细胞增殖和细胞分化的过程模拟实验”、“基因的遗传漂变模拟实验”和“标记重捕法模拟实验”等等;再如：“减数分裂的模拟实验”，从全班48位学生中选出8位，4男4女（分别表示来自父方和母方的染色体），模拟2个四分体，其余的学生手拉手围成一个圆表示细胞膜，模拟一个四分体的2男2女体型和身高接近，2男2女分别纵向排成2列站在一起模拟

联会，2男2女分别手拉手（表示姐妹染色单体）横向排成2行相向站立模拟四分体;2男和2女分开拟同源染色体分离，拉着的手分开模拟着丝点分裂。在整个模拟实验过程中，学生不仅是实验过程的操作者，而且是当局者。

2.3仿真模拟实验

采用时间和空间上放大或者缩小的对象，利用其本质特征，把实验现象直接表达出来的实验方法。例如模拟酸雨对植物种子萌发的影响;观察SO2：对植物的影响;1993年1月，8位科学家走进“生物圈2号”进行的一系列的实验等等，都是仿真模拟实验。再如：模拟工业酸奶的制作，将100mL纯牛奶和20g左右白砂糖放人一次性塑料杯中，用灭过菌的汤勺混匀，再加人约2~3mL酸奶，调匀后用保鲜膜封好杯口，置于37℃的恒温箱中约4h，进行发酵处理。取出后，将杯子置于4℃冰箱，约10h后即可食用。通过模拟工业酸奶的制作，可以使学生了解微生物发酵过程，加深对发酵工程的理解。

2.4探究模拟实验

严格控制实验条件，模型所处的实验条件和研究对象所处的实际环境极为相似，以探究研究对象在当时环境条件下所发生的变化过程。最经典的探究性模拟实验就是1953年美国学者米勒设计的模拟实验，装置中大烧瓶里的混合气体模拟原始大气层中各种小分子物质如NH3、H2O、CH4、H2S等；U形管模拟原始海洋，冷凝管起降温的作用是模拟自然降雨，钨电极放电模拟自然闪电。整个装置模拟原始地球的原始大气层的环境，整个实验模拟探究了在原始地球条件下生命起源的化学进化过程的初始阶段发生的化学反应。在连续7d的火花放电后，在U型管中生成了氨基酸，从而证明了生命起源的第1个化学过程是完全可能的。再如“鱼儿为什么离不开水”的探究实验：把毛笔放在盛有清水的烧杯中，缓缓上下抽动毛笔，模拟鱼在水中游动时鳃丝的活动情况：水中笔毛充分浸润，舒展得象绽放的合欢花;把笔从水中取出，模拟鱼儿离开水后鳃丝的情况：水立刻顺笔锋流下，笔毛自然粘连，再稍加晃动毛笔（鱼儿离开水后都会不断跳动），笔毛就收拢得更紧了。模拟实验后，学生很快明白，离开了水的鱼不能活的原因，是由于鳃丝粘连在一起，大大减少了与空气的接触的呼吸面积，鱼就会因为不能从空气中得到足够的氧气而窒息死亡。

3、构造模型和模拟实验的意义

在教学过程中不难发现，通过建模和模拟实验，以生物学建模和模拟实验活动为突破口，进行中学生命科学教学改革的研究与实践，是培养学生综合科学素质和创新能力的有效途径。具体而言，可统一为以下3点：一是从思维角度而言，可启迪学生的创造意思和创造思维，锻炼创造能力，培养高层次人才的重要途径;二是从认知角度而言，能够培养自主探究、

自我构建的认知能力，提高学生合作学习，处理问题的能力;三是在直觉感知的基础上，逐步完善本身的生物认知结构，激发学生学习生命科学的兴趣和有效提高学习能力。模型通常比实物更加简单，更便于理解和掌握。有时，模型便是研究的结论。