黃立軍

建構(gòu)模型的方法，是高中課程標(biāo)準(zhǔn)和教材對學(xué)生提出的科學(xué)方法和探究能力的要求。在高中階段生物學(xué)課程的學(xué)習(xí)中，學(xué)生會不斷接觸到各種類型的模型建構(gòu)，對模型方法會有比較全面的學(xué)習(xí)和理解。教師在課堂教學(xué)中充分運(yùn)用模型及其方法，會促使學(xué)生知識、能力、情感態(tài)度和價值觀的發(fā)展。

1 模型及模型方法的概念界定

模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對認(rèn)識對象所作的一種簡化的概括性的描述，這種描述可以是定性的，也可以是定量的；有的借助于具體的實(shí)物或其他形象化的手段，有的則通過抽象的形式來表達(dá)。模型的形式包括物理模型、概念模型、數(shù)學(xué)模型等。以實(shí)物或圖畫形式直觀地表達(dá)對象的特征，這種模型就是物理模型。沃森和克里克制作的著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，就是物理模型，它形象而概括地反映了所有DNA分子結(jié)構(gòu)的共同特征。

模型方法是以研究模型來揭示原型的形態(tài)、特征和本質(zhì)的科學(xué)方法?？陀^事物、現(xiàn)象和過程之間存在的相似性是模型方法的客觀依據(jù)。模型方法具有可對事過境遷的自然現(xiàn)象進(jìn)行研究，將自然現(xiàn)象放大或縮小等優(yōu)點(diǎn)。具體地說，模型方法就是把研究對象的一些次要的細(xì)節(jié)和非本質(zhì)的聯(lián)系舍去，從而以簡化和理想化的形式去再現(xiàn)原型的各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)、功能和聯(lián)系的一種科學(xué)方法。作為一種現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)識手段和思維方法，模型具有兩方面的含義，即抽象化和具體化。

2 運(yùn)用模型方法教學(xué)的意義

2．1 促使學(xué)生更好地掌握生物學(xué)知識

首先，模型是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)知識的重要手段。學(xué)生掌握了模型方法就能更透徹地理解科學(xué)知識。以“成熟植物細(xì)胞發(fā)生滲透作用”的教學(xué)來說，先從化學(xué)滲透裝置及滲透現(xiàn)象的分析入手，通過分析明確滲透作用發(fā)生的條件，再分析成熟植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，通過“簡化”(也是一種模型化)細(xì)胞結(jié)構(gòu)并類比，進(jìn)而推理出“成熟植物細(xì)胞相當(dāng)于一個滲透系統(tǒng)”。而這一滲透系統(tǒng)在不同濃度的溶液中將發(fā)生怎樣的變化呢？先讓學(xué)生構(gòu)建成熟植物細(xì)胞質(zhì)壁分離和復(fù)原的模型，提出可能發(fā)生的變化。再讓學(xué)生設(shè)計并實(shí)施驗證推理的實(shí)驗，全面地考慮材料和試劑的選擇、方法與步驟、可能出現(xiàn)的結(jié)果及其原因分析等。最后跳出課本，運(yùn)用模型去解決農(nóng)作物施肥等實(shí)際問題，使理論又回到實(shí)踐中去。這種以模型方法為主旋律的設(shè)計符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，促使學(xué)生更好地掌握生物學(xué)知識。

其次，模型方法作為思維方法蘊(yùn)涵著很高的認(rèn)知價值。學(xué)生一旦將模型方法內(nèi)化為自己的認(rèn)知圖式，就能獲得認(rèn)知水平的躍進(jìn)。將學(xué)生的認(rèn)知水平逐步從具體向抽象過渡,抓住原型的本質(zhì)特征，對原型進(jìn)行抽象，把復(fù)雜的原型客體加以簡化和純化，并對抽象的假設(shè)或命題進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換，以構(gòu)建一個能反映原型本質(zhì)聯(lián)系的模型。這種既能聯(lián)系具體，又能聯(lián)系抽象的性質(zhì)，正是模型所特有的。模型一方面提供了這種教學(xué)情境，同時，又使學(xué)生在這種從具體到抽象的認(rèn)識過程中發(fā)生認(rèn)知沖突，從而促進(jìn)認(rèn)知水平的發(fā)展。如“基因的自由組合定律”一節(jié)教學(xué)，可以根據(jù)“觀察兩對相對性狀遺傳的現(xiàn)象→尋找兩對相對性狀遺傳的特征，建立解釋基因自由組合假設(shè)模型→用測交實(shí)驗檢驗?zāi)Ｐ停ㄇ笞C的方法包括理論的推導(dǎo)、實(shí)驗驗證和實(shí)物查證等三種方法）→運(yùn)用自由組合模型解釋其它的生產(chǎn)、生活中的遺傳現(xiàn)象”的教學(xué)程序展開教學(xué)。其中的自由組合假設(shè)模型是溝通自由組合定律和現(xiàn)實(shí)（現(xiàn)象）的橋梁。然后以一對等位基因的遺傳為基礎(chǔ)，讓學(xué)生理解含一對等位基因的雜合體產(chǎn)生的配子種類、子代基因型及表現(xiàn)型的種類和比例，然后借助遺傳圖解和概率計算，推理出兩對位于非同源染色體上的非等位基因的遺傳結(jié)果，最后抽象出含ｎ對等位基因(位于ｎ對非同源染色體上)的雜合體的遺傳結(jié)果（見表1）。

2．2 有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力

在模型方法教學(xué)中，寄希望于把模型方法的要素概括出來，形成系統(tǒng)的方法學(xué)知識向?qū)W生講授是不切實(shí)際的。如在生態(tài)系統(tǒng)的功能的教學(xué)中，學(xué)生對能量金字塔的理解只是局限于課本的理性闡述，而且在實(shí)際運(yùn)用中學(xué)生所碰到的不僅僅是能量金字塔，還有生物量金字塔和數(shù)量金字塔等。這些生態(tài)金字塔是千變?nèi)f化的，給學(xué)生的理解造成了阻礙。如果能用模型方法展開教學(xué)，則效果斐然。教師借助電教手段展示陸地生態(tài)系統(tǒng)和湖泊生態(tài)系統(tǒng)兩組生物體干重的系列數(shù)據(jù)，讓學(xué)生先根據(jù)營養(yǎng)級篩選、統(tǒng)計數(shù)據(jù),并繪出生物量金字塔模型。當(dāng)學(xué)生比較兩種生態(tài)系統(tǒng)的生物量金字塔時，產(chǎn)生了困惑，陸地生態(tài)系統(tǒng)的生物量金字塔典型，而湖泊生態(tài)系統(tǒng)的則呈現(xiàn)倒金字塔。利用模型構(gòu)建中產(chǎn)生的沖突組織學(xué)生討論倒金字塔模型中“倒”的原因所在，最后得出結(jié)論：微型藻類世代期短,繁殖速度快，只能積累少量有機(jī)物，且浮游動物對它們的取食強(qiáng)度大，加之浮游植物個體小，含纖維素少，因此可整個被下一營養(yǎng)級的浮游動物所吞食消化，并迅速轉(zhuǎn)化為下一營養(yǎng)級的生物量，因此生產(chǎn)者的表觀生物量很小，形成了倒金字塔。如果不運(yùn)用模型方法展開教學(xué)，則其關(guān)鍵和奧妙之處是不能外顯的，創(chuàng)造性思維能力難以得到培養(yǎng)和提高。

2．3 培養(yǎng)學(xué)生的探究能力

模型方法教學(xué)對于學(xué)生探究能力的培養(yǎng)有著獨(dú)特的作用。模型的建立要根據(jù)研究的任務(wù)、目的抽象出被研究對象的本質(zhì)特征，舍去許多次要的細(xì)節(jié)和非本質(zhì)的屬性，把要研究的現(xiàn)象、問題從紛繁復(fù)雜的交錯關(guān)系中明確、清晰地顯示出來，使問題得以簡化和明確化，并制訂出解決問題的程序，從而充分地發(fā)揮思維的能動作用，達(dá)到認(rèn)識原型的目的。模型的建立過程就是一個科學(xué)探究的過程。在這一探究過程中，需要學(xué)生自己確定對象，設(shè)置已知與未知，運(yùn)用科學(xué)規(guī)律，選擇研究方法，檢驗?zāi)Ｐ褪欠衽c實(shí)際一致。從這個層面看，構(gòu)建模型的目的就不只是停留在模型本身的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的探索上，而是上升到科學(xué)能力發(fā)展的高度，這對學(xué)生探究能力的培養(yǎng)是很有好處的。在教學(xué)細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)時，根據(jù)生物課程標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)內(nèi)容的要求，在課堂上先通過多媒體展現(xiàn)以下一組科學(xué)家的實(shí)驗材料：

材料1：1895年，英國細(xì)胞生理學(xué)家奧弗在研究各種未受精的卵細(xì)胞的通透性時,發(fā)現(xiàn)脂溶性的物質(zhì)很容易透過細(xì)胞膜,而不溶于脂肪的物質(zhì)穿透則十分緩慢。

材料2：1925年,美國的高特和戈來德爾使用幾種哺乳動物的紅細(xì)胞，用丙酮提取出紅細(xì)胞膜上的磷脂,并將它在空氣和水的界面上鋪成單分子層,發(fā)現(xiàn)這個單分子層的面積相當(dāng)于原來紅細(xì)胞表面積的2倍。

材料3：通過表面張力的試驗發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞的表面張力比水與油之間的表面張力要小得多。有人在脂肪和水的模型中加入極少量的蛋白質(zhì)，結(jié)果表面張力就降低了很多。

這時引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)材料討論。學(xué)生提出了根據(jù)相似相溶原理，細(xì)胞膜中含有脂類；細(xì)胞膜是由兩層脂類分子組成的；細(xì)胞膜不單純由脂類構(gòu)成，可能還含有蛋白質(zhì)。當(dāng)自己的結(jié)論和科學(xué)家的相同時，學(xué)生都沉浸在科學(xué)發(fā)現(xiàn)的驚喜之中，他們仿佛親身經(jīng)歷了這場探究。這樣細(xì)胞膜的雙層結(jié)構(gòu)模型就牢牢地植根于學(xué)生的腦海中。然后通過多媒體展現(xiàn)另一組材料：

材料1：回憶白細(xì)胞是如何吞噬病菌的？變形蟲的運(yùn)動及攝食過程如何？

材料2：介紹科學(xué)家的“人鼠細(xì)胞融合實(shí)驗”。用不同的熒光染料標(biāo)記的抗體分別與小鼠細(xì)胞和人細(xì)胞的膜抗原相結(jié)合，它們能分別產(chǎn)生綠色和紅色熒光。將這兩種細(xì)胞融合成一個細(xì)胞時，開始一半成綠色，一半成紅色，但在37℃下保溫40 s后，兩種顏色的熒光點(diǎn)便均勻分布了。

引導(dǎo)學(xué)生討論并建立細(xì)胞膜的流動鑲嵌模型。此時結(jié)合例題，把建立起的模型外推到原型上，學(xué)生學(xué)會了知識的遷移和應(yīng)用，提高了解決問題的能力。

2．4 培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神、態(tài)度和價值觀

模型的建立需要學(xué)生有嚴(yán)謹(jǐn)、誠實(shí)的科學(xué)態(tài)度和堅韌不拔的意志。因此，模型的建立可培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和精神。其次，運(yùn)用模型方法教學(xué)不僅可使學(xué)生產(chǎn)生躍躍欲試的感覺，對學(xué)習(xí)產(chǎn)生興趣和需要，同時借助模型進(jìn)行研究時，考慮到生命活動規(guī)律的復(fù)雜性和模型的局限性，及時對模型修補(bǔ)校正，這樣又能促進(jìn)學(xué)生樹立辯證唯物主義的觀點(diǎn)。

在教學(xué)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)時，美國生物學(xué)家沃森和英國物理學(xué)家克里克，于1953年4月25日在英國《自然》雜志上登載的一篇論文《核酸的分子結(jié)構(gòu)——脫氧核糖核酸的一個結(jié)構(gòu)模型》，在科學(xué)界引起了極大凡響。他們從真正接觸DNA結(jié)構(gòu)的研究，到提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，只用了不到兩年的時間，他們有大膽假設(shè)、虛心求教、百折不饒的精神和不斷汲取新知識的良好品質(zhì)。他們精選多種科學(xué)方法（主要采用模型方法）是成功的主要途徑。只有在科學(xué)教育中把科學(xué)精神和人文精神的培養(yǎng)結(jié)合起來，從人文價值的視野中來逐步看待和理解科學(xué)，才能使學(xué)生的身心得到全面的發(fā)展。