浅析美国中学生物教科书中的几个模型构建

刘成权

模型是用来显示复杂事物或过程的表现手段，如图画、图表、计算机图象等。建立模型可帮助学生理解生命活动的复杂性，学会研究生物学的科学方法。生物学上通常构建的模型分三种：物理模型、概念模型、数学模型。物理模型常用来代表非常庞大或者极其微小事物的三维结构，如细胞的细微结构、DNA分子的双螺旋结构、生物膜的流动镶嵌结构；概念模型一般用描述性文字表达抽象的过程，使学生建立某些流程，如血糖平衡的调节；数学模型是借助数学方程或曲线表示某些生物数量的变化规律，如“J”、“S”型种群数量变化曲线、符合孟德尔遗传定律的子代性状分离比等。在《普通高中生物课程标准》中也提出了“尝试建立真核细胞的模型、制作DNA分子双螺旋结构模型、建立血糖调节的模型”等模型构建。本文着重分析美国中学教科书中的几个新颖的模型构建活动，以促进教学中新课程的实施。

1 做出正确的预测

1.1 知识背景

通过孟德尔关于一对性状的豌豆杂交实验，学生已经掌握了运用棋盘法和概率的方法来预测子代的基因型和表现型。在自然界，亲代杂交产生子代的时间一般都比较长，学生不能在实验室看到此实验的全过程。

（1） 活动目的：建立一个遗传杂交实验模型，并对结果作出预测。

（2） 活动器材：2个小纸带、记事本、3个蓝色小球、3个白色小球。

（3） 活动步骤：① 在2个纸带上分别标上“袋1，母本”、“袋2，父本”，然后阅读以下三个部分的内容，并预测每次杂交后将产生的子代类型。

第一部分：两个纯合亲本的杂交。

② 把下面的记录表抄在笔记本上，编号为表1。然后在袋1中放入2个蓝色小球。这对小球表示母本的等位基因组合。假定蓝色由显性等位基因控制，用大写字母“B”表示。

③ 在袋2中放入2个白色小球，表示父本的等位基因组合。用小写字母“b”来表示隐性的白色等为基因。

④ 不向袋子里看，从袋1中随机摸出一个小球。把结果记在表中，然后把球放回袋1中。以同样方式从袋2中摸出一个小球，记录结果，再把球放回袋2中。

⑤ 如果拿出的两个小球都是蓝色，就在“子代的等位基因组合”一栏写上“BB”；如果两球都是白色，则写上“bb”；如果是一蓝一白，则写上“Bb”。

⑥ 再将步骤4和5重复几次。

第二部分：纯合亲本与杂合亲本的杂交

⑦ 把两个蓝色小球放在袋1中，把一个蓝色和一个白色的小球放在袋2中。再画一张记录表，编号为表2。

⑧ 将步骤4和5重复10次。

第三部分：两个杂合亲本的杂交

⑨ 在袋1和袋2中均放一蓝一白两个小球。然后再画一张记录表，编号为表3。

⑩ 将步骤4和5重复10次。

（4） 分析：

① 对第一到第三部分中所模拟的杂交实验各作出一个棋盘法图解。

② 根据你在第一部分中获得的结果，当纯合亲代（BB和bb）杂交时，预测会产生多少种不同类型的子代？你用小球模型得到的结果一致吗？有什么启迪呢？

③ 根据第二部分的结果，当纯合亲代（BB）与杂合亲代（Bb）杂交时，子代是纯合的或是杂合的百分比各是多少？和棋盘法分析出的结果一致吗？

④ 根据第三部分的结果，当两个杂合亲代（Bb×Bb）杂交时，产生的子代可能会有哪几种不同的类型？产生每种后代的可能性各占多少百分比？模型得出的结果和棋盘法计算出的一致吗？

⑤ 在第三部分中，如果你重复的次数不是10次而是100次，你的结果是否会更接近棋盘法得出的结果？说说理由。

⑥ 小球模型与棋盘法相比，哪一种方法更好？两种方法各有什么异同点？

1.2 评析

本实验模型遵循了化抽象为具体的原则，把遗传过程转化为直观的简单问题，步骤④、⑤培养了学生模拟生物受精作用过程的能力。问题①将实验过程上升到理论解释水平，实践与理论相结合，加深理解，培养学生思维能力，使学生知道分析模型与实际遗传之间的联系；问题③、④通过思考实验结果与棋盘法的理论值是否一致，体会“概率”一词的深刻含义，认识到数学对于生物学的重要作用，体现各学科知识与方法具有交叉性；问题⑤通过实际操作，让学生从感性认识上升到理性认识，理解遗传学上“精卵细胞随机结合”情况下统计的子代数越多，越接近真实值的事实。

2 大自然在选择

2.1 知识背景

现代进化理论认为种群是进化的基本单位。进化的实质是种群基因频率发生变化的过程。变异为进化提供了原材料，它是不定向的，而自然选择是定向的，选择适合自然界的生物，淘汰不能适应环境的生物。这是长期积累的过程，非几代生物就能看出进化结果。

（1） 活动目的：理解自然选择怎样使一个物种发生演化，在自然选择时遗传和环境因素如何共同对物种起作用的。

（2） 活动器材：剪刀、记号笔、两张不同颜色的硬纸板

第一部分：在白色沙丘的环境中

①先将老鼠卡混匀。

②然后用这些卡片来模拟一群老鼠在白色沙丘的环境中生活的情况。随机抽出两张老鼠卡。如果抽到的是“WW”或“Ww”，则表示一只白色的老鼠；如果是“ww”则表示一只褐色的老鼠。请在记录表中用划“正”字来记下老鼠的颜色。

③再抽取一张事件卡。根据表中含义确定②步骤中老鼠的死活。在记录表中划“正”字记录每一只死去老鼠的颜色。

④如果这只老鼠存活，就把这两张老鼠卡归入“活老鼠”的一组，如果死亡，就把卡片归入“死老鼠”的一组。然后把这张事件卡放到整叠事件卡的最下面。

⑤用剩下的老鼠卡重复步骤②到④，这些实验的结果表示第一代老鼠的存活情况，记录你的结果。

⑥“死老鼠”的卡放在一边不用，把“活老鼠”的卡重新混在一起。把事件卡也重新混匀。

⑦重复步骤②到⑥，这次试验的结果表示第二代老鼠的存活情况。然后再重复②到⑤，研究第三代老鼠的存活情况。

第二部分：在褐色林地的环境中

⑧如果模型中的老鼠在深褐色的林地上，结果会有什么不同？在笔记本上写下你的预测。

⑨重新抄一张记录表，然后再用卡片来验证你的预测。请记住这次“C”卡表示只有白色老鼠会死亡。

（4）分析：

①在第一部分中，每一代各有几只白色老鼠，几只黑色老鼠？在每一代中，哪种颜色的老鼠的死亡率更高？

②如果第一部分实验中发生的事件在自然界是真实的，那么经过一段漫长的时间后，这群老鼠将会有怎样的变化？

③第二部分的结果与第一部分的结果有什么不同？

④这次实验从哪几方面模拟了自然选择过程？又有哪些方面与自然选择有区别？

⑤如果你增加“C”卡的数量，会对模型造成什么样的影响？如果减少“C”卡的数量呢？

2.2评析

本模型的构建有助于理解自然选择的本质及过程，学生以小组为单位，通过合作学习、结果分析，理解现代进化理论的精髓。问题的设置加深学生的思考，培养了思维能力。问题①让学生学会统计实验结果。问题②将实验模型与自然界实际情况联系，理解环境因素对生物种群的选择，导致基因频率定向改变。问题③体会选择是定向的，环境不同选择的结果不一样。问题④将实验实践与进化理论联系，加深对理论的理解。问题⑤训练严谨的思维，培养学生建模时注意细节的能力。

此模型的设计新颖，充分将遗传知识和进化知识联系在一起，使学生“做中学”，培养通过建模来理解理论的能力。

3 广口瓶里的世界

3.1 知识背景

生态系统是由生物群落与它的无机环境相互作用而形成的统一整体。群落中生物与生物之间的关系多样，有斗争、互助、捕食、竞争、寄生、互利共生等。生物依赖一定的无机环境才能生存，同时又影响环境。本模型体会生态系统中的各生物之间关系和生物与环境之间的关系，理解维护生物圈1号稳定性对人类生存和发展有重要作用。

（1）建模目的

理解生物如何在一个封闭的生态系统中生存

（2）材料

水族箱的沙砾、米尺、塑料搅拌棒、长柄的捞鱼网、存放两天的自来水、4颗水生植物、2条虹鳉鱼、4只小田螺、1只约2L容量的有盖子的广口瓶、1只60瓦灯泡

（3）步骤

①将虹鳉鱼、田螺、一些植物一起放在一个盛有水的封闭的广口瓶里。这个生物栖息地能否满足这些生物的生存需要？记下你的预测。

②找一个安全的地方，这个地方应该是远离窗门，光线和温度不会经常变化的。在它的附近应该有一个插座，以便可以使用灯泡照明。

③加一些水族箱里的沙砾到广口瓶里，厚度3 cm左右；再加一些水，水位离瓶口6 cm左右。

④在广口瓶里种一些水生植物。

⑤用长柄的捞鱼网小心地把虹鳉鱼放入水中，然后，再轻轻地把田螺也放入瓶中，盖紧瓶盖。

⑥放好灯泡的位置，以便使灯光能照到广口瓶里。灯泡离广口瓶的距离为15~20 cm。

⑦每天观察这个瓶子，并在笔记本上记下每天的观察结果。

⑧5 d时间里，这只瓶子里的水会慢慢地变绿。绿颜色说明有水藻在生长。如果水变成深绿色，就把灯泡远离瓶子。如果5 d后，水还没有变成绿色，可把灯泡移近瓶子。记下灯泡位置调整后的任何变化。

⑨对这只广口瓶至少再观察一个多星期。

（4）分析

①在广口瓶生态系统中，哪些是生物因素，哪些是非生物因素？

②一些生物和非生物因素能否进入这个封闭的瓶子？如果能，有哪些？

③这些绿色的藻类是从哪里来的？

④画一张瓶内生物和非生物因素相互作用的关系图表。

⑤虹鳉鱼、田螺和水生植物能在分开的瓶子里单独生存吗？为什么？

⑥说明你的广口瓶和瓶中的东西是如何模拟一个生态系统的？你的生态系统模型和地面生态系统有哪些不同？

3.2 评析

生态系统的稳定性是其结构和功能发展协调的重要标志。生态系统的稳定程度，则取决于它的物种组成、营养结构和非生物因素之间的协调关系。问题①识别此淡水生态系统中生物因素和非生物因素，认识此系统的营养结构。问题②理解生态系统相对的稳定性，对于稳定的生态系统，存在物质循环，而能量必须从外界摄入。问题③锻炼学生的观察能力和思维能力。问题④、⑤培养学生联系实际分析问题的能力，从相互关系入手，加深学生对生态系统概念的理解。

通过以上几例模型构建，帮助学生理解抽象的科学理论，丰富学生对科学本质的认识，发展学生观察、分析、比较、操作等能力。教师要充分利用模型构建的方法，通过有效教学，提高学生科学素养，达成课程标准的要求。

参考文献：

［１］ 帕迪利亚．Science Explorer Cells and Heredity（细胞和遗传）．［M］.杭州：浙江教育出版社，2006：94—95，146—147.

［2］ 中华人民教育部．普通高中生物课程标准［M］．北京：人民教育出版社,2003.