王毅男+徐丹

2016年，教育部公布了《中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)（征求意見稿）》。該文件指出，學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)是指學(xué)生應(yīng)具備的、能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。在這個(gè)精神指導(dǎo)下，高中生物課標(biāo)修訂組將理性思維作為生物學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容之一。但是，對(duì)于相當(dāng)一部分學(xué)生來說，生物學(xué)的成績(jī)是建立在大量機(jī)械記憶基礎(chǔ)上的。如何讓學(xué)生能夠理性地認(rèn)識(shí)并運(yùn)用生物學(xué)知識(shí)，是所有生物教師面臨的重要問題。所謂“理性”，是指“依照邏輯推理而不是依照情緒或感覺來行事”。理性思維強(qiáng)調(diào)的是邏輯指引下的思考過程，對(duì)于生物學(xué)科來說，如何清晰地描述生物學(xué)邏輯是理性思維的基礎(chǔ)。生物學(xué)模型是建立在大量生物學(xué)事實(shí)基礎(chǔ)上的一種規(guī)律性描述，是對(duì)生物學(xué)規(guī)則的概括與總結(jié)。教師在高中生物教學(xué)中巧妙地利用生物學(xué)模型，對(duì)于提高學(xué)生理性思維能力將會(huì)有重要的作用。

1 高中生物教學(xué)中的常用模型

利用“模型”來對(duì)生物學(xué)知識(shí)進(jìn)行歸納和總結(jié)是一種行之有效的方法。

關(guān)于“模型”的界定，不同研究者有不同的觀點(diǎn)。《美國(guó)國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》認(rèn)為，模型是“統(tǒng)一的科學(xué)概念和過程”，這些“概念和過程”包括體系、解釋、變化和測(cè)量、形式和功能等。而模型構(gòu)建則是指研究者運(yùn)用模型的方法將抽象的、不可測(cè)的事實(shí)或過程借助身邊的材料、用具或應(yīng)用數(shù)學(xué)方法、圖像等加以描述、概括總結(jié)的一種活動(dòng)。在中學(xué)生物教學(xué)中，涉及的模型大體上可以分為物理模型、數(shù)學(xué)模型和概念模型等幾類。例如，DNA分子結(jié)構(gòu)模型和細(xì)胞膜流動(dòng)鑲嵌模型的實(shí)物等屬于物理模型；種群數(shù)量增長(zhǎng)的“J”型和“S”型曲線等屬于數(shù)學(xué)模型；而光合作用、呼吸作用的過程等屬于概念模型的范疇。大多數(shù)模型都是在限定條件下來描述生物學(xué)規(guī)則的。具體實(shí)例與模型吻合的程度取決于其與模型設(shè)定之間的相似度，相似度越高，利用模型進(jìn)行推理時(shí)的結(jié)果越準(zhǔn)確。

利用模型來描述生物學(xué)規(guī)則可以讓學(xué)生從龐雜的生物學(xué)事實(shí)中找到可以用來分析解決問題的“生物學(xué)邏輯”，對(duì)學(xué)生了解生命運(yùn)行的規(guī)則非常有效。但是，教師要強(qiáng)調(diào)模型成立的條件（設(shè)定），只有這樣，才能夠讓學(xué)生客觀、準(zhǔn)確、理性地形成對(duì)生物學(xué)概念的認(rèn)識(shí)。在教學(xué)過程中，教師要注意引導(dǎo)學(xué)生強(qiáng)化對(duì)于重要模型的理解。只有真的掌握了這些標(biāo)準(zhǔn)模型，學(xué)生才有能力在遇到新情境時(shí)進(jìn)行理性的分析與推理。

2 生物學(xué)模型在課堂教學(xué)中應(yīng)用

2.1 數(shù)學(xué)模型——孟德爾定律

（1） 對(duì)模型的描述：

孟德爾定律描述的是染色體基因從親代向子代傳遞過程中的一般規(guī)律，其特征是會(huì)出現(xiàn)諸如3∶1、9∶3∶3∶1等典型的性狀分離比，所以筆者將其歸于數(shù)學(xué)模型的范疇。孟德爾定律并不能夠解釋所有的遺傳現(xiàn)象（例如同源染色體上非等位基因由于交叉互換導(dǎo)致的重組），但能夠量化描述和解釋大多數(shù)基因的遺傳過程，也可以作為“參考系”的標(biāo)準(zhǔn)。因此，孟德爾定律成為解釋遺傳現(xiàn)象過程中應(yīng)用最多的標(biāo)準(zhǔn)模型，這個(gè)模型的成立建立在相當(dāng)多的精確設(shè)定的基礎(chǔ)上。下面以“基因的分離定律”為例進(jìn)行說明。

“基因的分離定律”的設(shè)定：

① 一對(duì)性狀由同源染色體上位于同一基因座的等位基因獨(dú)立控制；

② 不同等位基因之間表現(xiàn)為完全顯性；

③ 該基因無致死效應(yīng)；

④ 無其他原因?qū)е碌呐渥又滤阑蚺咛ブ滤馈?/p>

只有在符合了上述設(shè)定的前提下，雜交后代才可能出現(xiàn)3∶1或1∶1的典型分離比。而學(xué)生在試題中常常遇到的1∶2∶1、2∶1等特殊的性狀分離比都是由于不符合該定律的設(shè)定所致，但是基本規(guī)則還是相同的。

（2） 符合模型描述情境的問題解決。

【例1】 （2012西城二模）水稻有香味是受基因控制的，其植株和種子均有香味。研究人員為確定香味基因的顯隱性，以有香味的“粵豐B”和無香味“320B”水稻為材料，互為父母本進(jìn)行如下雜交實(shí)驗(yàn)：

請(qǐng)分析回答：

（1） 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，水稻有五香味的性狀是由

對(duì)基因控制的，其遺傳符合 定律，做出上述判斷的依據(jù)是 ，其中香味基因是 性基因。

教師引導(dǎo)學(xué)生利用類比遷移的方式將新情境與模型進(jìn)行對(duì)比，從中發(fā)現(xiàn)其共性，培養(yǎng)學(xué)生的理性思維。

從題目給出的情境和數(shù)據(jù)可以看出，P代是兩種性狀，F(xiàn)1代只表現(xiàn)出一種性狀，F(xiàn)2代無香味、有香味之間的比例190∶57基本符合3∶1。這些都與“基因的分離定律”所描述的內(nèi)容相符合。通過理性的數(shù)據(jù)處理、邏輯分析和模型對(duì)比，學(xué)生很容易對(duì)上述基因控制性狀的規(guī)則作出解釋：該對(duì)性狀由位于染色體上的一對(duì)等位基因控制，無香味為顯性性狀。

而F2代無香味的植株中，約有1/3的后代自交后不出現(xiàn)性狀分離，有2/3的后代自交后出現(xiàn)性狀分離，這也符合分離定律對(duì)于F2代顯性性狀的個(gè)體中存在1/3純合子和2/3雜合子的描述，因此進(jìn)一步驗(yàn)證了上述的假設(shè)。

（3） 偏離模型描述情境問題解決。

【例2】 （2015年朝陽(yáng)二模）家蠶為二倍體動(dòng)物。野生型家蠶蠶蛾體色一般為白色，研究發(fā)現(xiàn)甲品系的蠶蛾體色雄性均為黑色，雌性均為白色。蠶蛾的該種體色由一對(duì)等位基因A、a控制。將甲品系純合家蠶與乙品系純合家蠶雜交，結(jié)果如下。

請(qǐng)回答下列問題：

（1）上述兩種雜交結(jié)果 ，表明控制蠶蛾此種體色的基因位于 染色體上。甲品系雌蛾與雄蛾的基因型 ，表現(xiàn)型不同，由此推測(cè)，此種體色除受相應(yīng)基因控制外，還受 影響。

理性的邏輯分析不僅能夠在正向的模型擬合中起到重要的作用，而且也是數(shù)據(jù)偏離模型描述時(shí)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)與模型發(fā)生偏移原因的重要手段。也就是說，如果數(shù)據(jù)和模型匹配，那么直接利用模型來分析數(shù)據(jù)；如果數(shù)據(jù)和模型不匹配（發(fā)生偏移），那么就要利用模型來分析發(fā)生偏移的原因，而不是否定模型。

從題目給的描述很容易判斷出雜交一和雜交二互為正反交。而F1代沒有發(fā)生性狀分離和F2代出現(xiàn)的3∶1的性狀分離比也都符合“基因的分離定律”模型的描述，且正反交結(jié)果一致，應(yīng)為常染色體遺傳。但是情境中也有和標(biāo)準(zhǔn)模型不符合的現(xiàn)象：

① 雜交一的P代雌性（甲品系）應(yīng)為黑色，但情境中為白色；

② 正反交中F2代雌性也應(yīng)該呈現(xiàn)白色∶黑色=3∶1的性狀分離比，但情境中全為白色。

在引導(dǎo)學(xué)生分析解決問題時(shí)，教師首先要肯定“基因的分離定律”模型的正確性，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生分析情境與標(biāo)準(zhǔn)模型描述發(fā)生偏離的原因。發(fā)生偏離的兩個(gè)現(xiàn)象中有一個(gè)共同點(diǎn)，就是異常均（只）發(fā)生在雌性個(gè)體中，而在雄性個(gè)體中的體色表現(xiàn)符合標(biāo)準(zhǔn)模型。“基因的分離定律”成立的條件之一是“一對(duì)性狀由同源染色體上位于同一基因座的等位基因獨(dú)立控制”，而此情境中的體色表現(xiàn)明顯受到性別的影響，說明其基因控制性狀的方式偏離了標(biāo)準(zhǔn)模型的這一設(shè)定。而除此以外，該情境中其他的規(guī)則設(shè)定都與標(biāo)準(zhǔn)模型一致，調(diào)整設(shè)定后仍然可以利用該標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行演繹推理、解決問題。

（4） 小結(jié)。

在解決上述問題的過程中，“基因的分離定律”這一數(shù)學(xué)模型相當(dāng)于給學(xué)生提供了一個(gè)可供比較的“參考系”。這個(gè)“參考系”相當(dāng)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，無論情境符合或偏離這個(gè)“參考系”，“參考系”本身不會(huì)發(fā)生改變。因此學(xué)生可以“參考系”描述的規(guī)則為依據(jù)進(jìn)行理性的演繹推理，解決遇到的生物學(xué)問題。在利用標(biāo)準(zhǔn)模型的過程中，學(xué)生充分應(yīng)用類比推理，這也是對(duì)理性思維的一種鍛煉。

2.2 數(shù)學(xué)模型——種群數(shù)量增長(zhǎng)曲線

（1） 對(duì)模型的描述：

種群數(shù)量增長(zhǎng)的“J”型和“S”型曲線是高中生物學(xué)教學(xué)中非常有代表性的兩個(gè)數(shù)學(xué)模型（見表1）。

這兩個(gè)模型描述了兩個(gè)極端情況下的種群增長(zhǎng)情況，在自然狀態(tài)下，幾乎沒有和這兩種曲線完全吻合的種群增長(zhǎng)情況。但是任何一種種群的增長(zhǎng)過程，可能會(huì)在某一階段更偏向于某一種模型所描述的曲線，這意味著在這個(gè)時(shí)候該種群所處的環(huán)境條件可能更符合該模型成立的設(shè)定條件。

模型中呈現(xiàn)的“增長(zhǎng)率”和“增長(zhǎng)速率”這兩個(gè)參數(shù)在生態(tài)學(xué)上分別有著自己特有的含義?！霸鲩L(zhǎng)率”反映的是種群在條件限定的生存壓力下的數(shù)量增長(zhǎng)趨勢(shì)。對(duì)于“J”型增長(zhǎng)模型來說，其成立的限定條件是“理想狀態(tài)”，因此種群能持續(xù)地以最大的增長(zhǎng)率增長(zhǎng)；在“S”型曲線描述的趨勢(shì)中，由于環(huán)境資源有限且恒定，每增加一個(gè)個(gè)體對(duì)于種群內(nèi)其他個(gè)體來說都是一種負(fù)向的制約，所以種群的“增長(zhǎng)率”會(huì)隨著種群數(shù)量的增加持續(xù)下降，直到種群數(shù)量達(dá)到K值后，增長(zhǎng)率也變?yōu)?，即種群數(shù)量維持不變。而“增長(zhǎng)速率”描述的是種群在某一時(shí)刻單位時(shí)間內(nèi)增加的個(gè)體數(shù)量，體現(xiàn)在曲線中就是某一點(diǎn)的斜率?！癝”型曲線的增長(zhǎng)速率在生產(chǎn)中有著重要的意義，可以通過模型的預(yù)估來確定捕魚的適宜時(shí)機(jī)等。

（2） 利用模型解釋種群的實(shí)際增長(zhǎng)。

種群數(shù)量增長(zhǎng)模型的應(yīng)用對(duì)學(xué)生思維能力的鍛煉主要體現(xiàn)在模型成立條件與種群實(shí)際生態(tài)環(huán)境條件的比較上。學(xué)生需要根據(jù)材料信息進(jìn)行理性的歸納、總結(jié)和分析，將其轉(zhuǎn)化為和模型成立條件類似的條件描述，進(jìn)而進(jìn)行對(duì)比，從而對(duì)種群實(shí)際增長(zhǎng)過程進(jìn)行合理的解釋。

從圖1中數(shù)據(jù)分析可知，在K點(diǎn)之前類似于“J”型增長(zhǎng)曲線，說明這段時(shí)間環(huán)境中的資源充足，不是人口增長(zhǎng)的限制因子；而虛線表示的是該地區(qū)的環(huán)境容納量，也就是資源能夠承載的人口上限，所以當(dāng)人口數(shù)量到達(dá)O點(diǎn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯的下降，直至q點(diǎn)，這說明由于人口過多，使得生存資源不足，環(huán)境容納量下降；而曲線的發(fā)展表明，環(huán)境資源的變化制約了該地的人口數(shù)量，導(dǎo)致人口呈現(xiàn)波動(dòng)變化。

對(duì)上述每一個(gè)階段的分析，都是利用模型來完成的?？梢钥闯?，模型呈現(xiàn)的是一種可以用來解釋和描述生物學(xué)現(xiàn)象的規(guī)則。而同樣的，這個(gè)模型提供了一個(gè)可供參考的標(biāo)尺，可以把實(shí)際的生物學(xué)現(xiàn)象與之進(jìn)行比較，從而分析其中體現(xiàn)出來的生命科學(xué)運(yùn)行的規(guī)則。在此過程中學(xué)生的理性思維能力起到了非常重要的作用，只有進(jìn)行理性的邏輯分析和推理，才能充分地利用模型來解釋實(shí)際的生物學(xué)現(xiàn)象。

2.3 概念模型——光合作用過程

（1） 對(duì)模型的描述。

光合作用的過程是高中生物關(guān)于細(xì)胞代謝部分的重要內(nèi)容之一，也是難點(diǎn)部分。

光合作用概念模型的呈現(xiàn)形式有很多種，筆者認(rèn)為人教版教材中這種形式（圖2）是最準(zhǔn)確的。這個(gè)模型簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確地描述了光反應(yīng)和暗反應(yīng)過程中物質(zhì)轉(zhuǎn)化的過程和場(chǎng)所。之所以說它簡(jiǎn)單，是因?yàn)闆]有包含光合作用的很多細(xì)節(jié)，比如水分解為[H]和O2是在類囊體膜內(nèi)完成、光反應(yīng)向暗反應(yīng)傳遞能量的載體除了ATP還包括[H]以及暗反應(yīng)中復(fù)雜的物質(zhì)轉(zhuǎn)化等內(nèi)容。筆者認(rèn)為，對(duì)于高中學(xué)生來說，這個(gè)模型是足夠的，只要能夠以物質(zhì)轉(zhuǎn)換為主線清晰地形成對(duì)于光合作用的理解，學(xué)生有能力在獲取信息的基礎(chǔ)上解決遇到的絕大部分相關(guān)問題。

（2） 利用光合作用模型進(jìn)行解釋和推理。

【例3】 為研究棉花去棉鈴（果實(shí)）后對(duì)葉片光合作用的影響，研究者選取至少具有10個(gè)棉鈴的植株，去除不同比例棉鈴，3天后測(cè)定葉片的CO2固定速率以及蔗糖和淀粉含量。結(jié)果如圖。

（1） 光合作用碳（暗）反應(yīng)利用光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和 ，在 中將CO2轉(zhuǎn)化為三碳糖，進(jìn)而形成淀粉和蔗糖。

（2） 由圖1可知，隨著去除棉鈴百分率的提高，葉片光合速率 。本實(shí)驗(yàn)中對(duì)照組（空白對(duì)照組）植株CO2固定速率相對(duì)值是 。

（3） 由圖2可知，去除棉鈴后，植株葉片中 增加。已知葉片光合產(chǎn)物會(huì)被運(yùn)到棉鈴等器官并被利用，因此去除棉鈴后，葉片光合產(chǎn)物利用量減少， 降低，進(jìn)而在葉片中積累。

本題是對(duì)光合作用模型考查的典型范例，解題過程對(duì)學(xué)生理性思維能力有著較高的要求。

問題（1）是對(duì)模型內(nèi)容的簡(jiǎn)單回溯性考查。問題（2）是對(duì)信息獲取和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單考查，而獲取的信息需要與光合作用模型結(jié)合，為下面問題的解答作準(zhǔn)備。學(xué)生需要通過理性的分析，將新信息整合到原有模型中，在限定條件下對(duì)原有模型進(jìn)行補(bǔ)充和完善。問題（3）是對(duì)學(xué)生理性的分析和推理能力的充分考查。學(xué)生需要具備較強(qiáng)的整體分析能力，才能以光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化與運(yùn)輸為線索將此模型進(jìn)行重新整理，從而推理出正確的結(jié)論?？梢哉f，理性思維能力是學(xué)生解決此問題的必要條件。只有通過理性的信息整合和推理去理清此過程中的邏輯主線，才能真正看清本題想呈現(xiàn)給學(xué)生的重要概念——光合產(chǎn)物的含量可以反饋調(diào)節(jié)光合作用過程。

理性思維的形成是科學(xué)課教育的重要目的，而“邏輯性”在生物學(xué)理性思維中的比重是相當(dāng)大的。從近年北京高考的理綜試題中不難看出，試題更多地考查“科學(xué)性”和“邏輯性”。生物學(xué)模型的建立有助于學(xué)生形成對(duì)重要生物學(xué)概念和過程的清晰理解，通過模型，教師可以拋開龐雜的生物學(xué)事實(shí)，建立起類似于數(shù)學(xué)中“定理”一般的規(guī)則描述。而掌握了這樣的規(guī)則之后，學(xué)生就有了解決問題的理論基礎(chǔ)，在遇到具體情境時(shí)，只要將模型類比遷移到新情境中，再參考具體的設(shè)定，就自然能通過邏輯來解決問題。生物學(xué)教育的目的并不是讓學(xué)生記住多少生物學(xué)事實(shí)，而是讓學(xué)生掌握利用生物學(xué)規(guī)則閱讀信息、分析推理和解決問題的能力。基于生物學(xué)模型的理性思維培養(yǎng)就是實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的的有效方式。

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