洪啟燕
(蘇州市吳江區(qū)汾湖高級中學(xué) 江蘇蘇州 215200)
在高中生物課程教學(xué)中,模型構(gòu)建的方法是常用的輔助手段,其主要目的為幫助學(xué)生深入理解生物知識,幫助學(xué)生全面分析生物理論內(nèi)容,引導(dǎo)學(xué)生形成簡化思維的能力與方法,能夠?qū)⒊橄蟮纳飭栴}進行具象化處理。在實際的教學(xué)過程中,部分教師缺乏這種建模教學(xué)的意識與方法,起不到提升學(xué)生的作用,甚至對學(xué)生的正常學(xué)習(xí)產(chǎn)生干擾。因此,如何有效地將生物模型及其構(gòu)建方法融入教學(xué)環(huán)節(jié)、推廣建模思路與經(jīng)驗、引導(dǎo)學(xué)生了解建模的一般規(guī)律是重要的生物教學(xué)議題,具有極強的現(xiàn)實效用。
模型,即基于科學(xué)探究以及合理猜想所總結(jié)出的一般性、概括性的物質(zhì)或思維形式。模型是事物的真實表征,具有試探性與解釋性,既是抽象的高度概括,又是具象的規(guī)律總結(jié);既可以是定性描述,又可以是定量分析。在高中生物教學(xué)中,模型是基于特定目的而進行的一種簡化描述。
模型方法是指借助模型這種簡潔的手段來認識、分析物質(zhì)或過程的本質(zhì)、特征的科學(xué)研究方法。在科學(xué)研究方法體系中,模型方法屬于思維方法的一種。
在建構(gòu)性學(xué)習(xí)方式中,模型建構(gòu)是一種有效的實現(xiàn)途徑,通過構(gòu)建相應(yīng)的模型,輔助學(xué)生直觀地理解某一物質(zhì)、某一現(xiàn)象或是某一動態(tài)過程。值得注意的是,高中生物中的模型構(gòu)建與普通科學(xué)研究中的模型構(gòu)建存在一定的相似性,同時也有區(qū)別,兩者存在思維過程中存在契合點,但在模型的建構(gòu)目的、背景方面存在差異性。
模型的原意為“樣本”或“標(biāo)準(zhǔn)”,可以用來解釋現(xiàn)象以及變化過程。具體而言,高中生物涉及的模型方法有很多,可以總結(jié)為以下幾種:
物理模型常常用來表征物質(zhì)的三維結(jié)構(gòu),經(jīng)常在描述極其微小或龐大的物質(zhì)時使用。高中生物中典型的物理模型有細胞結(jié)構(gòu)模型、DNA與RNA分子結(jié)構(gòu)模型、生物膜的流動鑲嵌模型等。
概念模型的作用就是解決文字表述過于抽象的問題,進而引導(dǎo)學(xué)生更加直觀地認識到生物狀態(tài)及過程,如血糖的平衡調(diào)節(jié)模型,通過生物現(xiàn)象的生理學(xué)過程內(nèi)核構(gòu)建模型,將生物過程具象化表達,便于學(xué)生的理解。
顧名思義,數(shù)學(xué)模型就是借助數(shù)學(xué)公式、符號等要素來表示某些生物現(xiàn)象或過程的規(guī)律,比如種群的發(fā)展變化模型,通過構(gòu)建“S”型曲線和“J”型曲線來揭示種群發(fā)展的規(guī)律及其影響因子。
在高中生物教學(xué)過程中,構(gòu)建模型往往包含分析、建構(gòu)、修正、應(yīng)用四個步驟。
“分析”是指對生物物質(zhì)或過程原型本質(zhì)特征的梳理,重點描述其中的本質(zhì)屬性,弱化邊緣特征。例如,在構(gòu)建真核細胞三維結(jié)構(gòu)模型之前,需要對細胞膜、細胞核等的形狀大小、結(jié)構(gòu)特征、區(qū)域分布、功能屬性等本質(zhì)特征進行總結(jié)。
“建構(gòu)”模型時,一般按照由點及面、從部分延伸至整體、由簡單到復(fù)雜的原則進行。以上述教學(xué)過程為例,在構(gòu)建完整的整合細胞結(jié)構(gòu)模型之前,需要將其拆分成數(shù)個個體,如細胞膜、細胞核等,分別構(gòu)建這些細胞器的物理模型,最終整合成一個完整的真核生物細胞結(jié)構(gòu)模型。
在構(gòu)建完模型之后,教師與學(xué)生需要共同評價模型構(gòu)建的結(jié)果,如果存在問題,就需要進一步修正,保證所構(gòu)建的模型可以科學(xué)、準(zhǔn)確地反映所研究的物質(zhì)或過程。
“DNA分子結(jié)構(gòu)”一節(jié)的內(nèi)容主要包括DNA的結(jié)構(gòu)特征,即四種脫氧核糖核酸組成兩條反向平行的堿基鏈,具有堿基互補配對的重要特征,其中堿基的排列順序就表征了遺傳信息。在這一節(jié)的教學(xué)過程中,主要涉及了“DNA分子結(jié)構(gòu)”以及“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”的構(gòu)建,前者為教學(xué)重點,后者為本節(jié)教學(xué)的難點。
1.情境創(chuàng)設(shè)
DNA是一種重要的遺傳物質(zhì),之所以能作為承載遺傳信息的媒介,就是因為其分子結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定性。在這節(jié)課之前,我們已經(jīng)學(xué)習(xí)過脫氧核糖核酸的相關(guān)內(nèi)容,本節(jié)課我們要探究的就是DNA的分子結(jié)構(gòu)。
2.模型構(gòu)建
DNA分子的基本構(gòu)成單位是脫氧核糖核苷酸,而一分子脫氧核糖核苷酸由什么組成呢?教師可以引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建脫氧核糖核苷酸的物理模型。經(jīng)過交流與總結(jié),學(xué)生會將脫氧核糖核苷酸劃分為三部分,即磷酸(圓形A)、脫氧核糖(五邊形B)以及堿基(矩形C)。
在構(gòu)建脫氧核糖核苷酸的物理模型之后,需要思考這樣一個問題:脫氧核糖核苷酸分子是如何連接到一起的呢?這時,教師可以給學(xué)生一些提示,補充一些關(guān)于堿基連接以及雙螺旋結(jié)構(gòu)的背景知識,在此基礎(chǔ)上讓學(xué)生大膽猜想脫氧核糖核酸的分子結(jié)構(gòu)。
A.堿基對連接
在進行構(gòu)建脫氧核糖核苷酸單個分子模型之后,可以參考蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。1951年,富蘭克林在鮑林研究蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,經(jīng)過實驗分析得出了單個脫氧核糖核苷酸分子是由其中一個核苷酸分子的磷酸基團與另一個核苷酸分子脫氧核糖上的3號碳原子連接而成的。
查戈夫研究DNA分子時,發(fā)現(xiàn)各種生物DNA分子中的堿基含量都有這樣一個特征:A=T,C=G;多納休通過實驗得出,堿基之間是通過氫鍵連接的,并且滿足:A、T之間由雙鍵連接,C、G之間由三鍵連接。
B.雙螺旋結(jié)構(gòu)
1952年,威爾金斯和富蘭克林通過X射線觀察DNA的有關(guān)結(jié)構(gòu),推斷DNA分子呈現(xiàn)螺旋狀。但是,這種螺旋鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)并不是簡單的單鏈,也不是三鏈甚至是更復(fù)雜的多鏈。經(jīng)過一段時間的實驗與分析,最終得出DNA分子的空間結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出雙螺旋結(jié)構(gòu)。
經(jīng)過以上的輔助講解,學(xué)生可以理清楚兩個問題:首先,DNA分子是雙螺旋結(jié)構(gòu),由兩條脫氧核糖核苷酸鏈相連而成;其次,這兩條脫氧核糖核苷酸鏈?zhǔn)峭ㄟ^堿基進行連接的,連接方式為A與T通過雙氫鍵連接,C與G之間通過三氫鍵連接。在此基礎(chǔ)上,學(xué)生對DNA的空間結(jié)構(gòu)有了進一步的認識,教師可以安排學(xué)生構(gòu)建含有12個脫氧核糖核苷酸的DNA分子。
通過本節(jié)課的教學(xué),學(xué)生能加深對高中生物學(xué)科中物理模型的構(gòu)建形成更深層次的理解,在活動中學(xué)生的注意力也更加集中,教學(xué)效果更好。同時,構(gòu)建模型的過程也是探究與合作學(xué)習(xí)的過程,整體上看,在這種寓教于樂的氛圍中,學(xué)生可以更加投入到學(xué)習(xí)中去。
綜上所述,高中生物教學(xué)中的模型方法需要通過構(gòu)建模型來實現(xiàn)。在模型建構(gòu)的基礎(chǔ)上,教師還需要引導(dǎo)學(xué)生觀察生物現(xiàn)象及其過程,將其與已有的生物學(xué)理論知識相結(jié)合,充分歸納,合理演繹,實現(xiàn)對復(fù)雜問題的簡化,抽象出其中的本質(zhì)屬性。