浅析科学思维与模型构建的关系

四川省都江堰市青城山高级中学 蔡亚丽

《义务教育生物学新课程标准》中提出：生物课程中的科学探究是学生积极主动地获取生物科学知识、领悟科学研究方法而进行的各种活动。这些活动包括：观察、实验、调查、制作模型、收集和分析资料等。《普通高中生物课程标准》第二部分课程标准中明确提出：获得生物学基本事实、概念、原理、规律和模型等方面的基础知识，知道生物科学和技术的主要发展方向和成就，知道生物科学发展史上的重要事件。明确将获得生物学模型的基本知识作为课程目标之一，并在内容标准或活动建议部分做了具体的规定。这是我国中学生物学课程发展历史上首次如此重视“模型”。

一个好的模型的构建和使用可以使教学事半功倍。模型方法的习得有助于学生培养创造性思维。在生物学教学中，学生掌握了模型方法就能更加透彻地理解学科知识。学生如果能够将模型方法转化为自己的认知模式，就能使自己的认知水平发生质的飞跃。因此，作为一名高中生物教师，我们应该认真贯彻落实“新课标”理念，积极探索、尝试，在课堂上运用模型进行教学，引导、帮助学生了解并习得模型方法，使学生建立科学的思维形式。

究竟模型是什么呢？模型是人们按照特定的科学研究目的，在一定的假设条件下,再现原型客体某种本质特征的物质形式或思维形式的类似物。模型作为一种认识手段和思维方式,是科学认识过程中抽象化与具体化的辩证统一。建立模型的过程，是一个思维与行为相统一的过程。通过对科学模型的研究来推知客体的某种性能和规律，借助模型来获取、拓展和深化对于客体的认识的方法,就是科学研究中常用的模型方法。

那么，如何建立生物模型，如何在课堂上有效的使用模型，笔者从以下几个方面做了探索。

第一，高中生物《遗传与进化》部分的内容大多都是从分子水平对遗传规律进行研究，对于学生而言，染色体、DNA、基因这些物体无法用肉眼观察到的微观结构非常抽象，很难在头脑中建立直观印象，所以对于这部分的内容理解起来比较困难。此时我们运用模型法就可以使这个问题迎刃而解。

第二，在讲授《染色体变异》时，需要与基因突变进行比较，学生对二者的变异结果混淆不清。这里也可以构建模型来帮助学生理解。“同学们手拉手排成一列”这个模型代表在显微镜下观察到的染色体：每个同学相当于一个基因，一列同学就是一条染色体。这个模型构建好以后，就可以启迪学生们进行思考了。

1.师：基因中的碱基相当于同学体内的什么结构？为什么？

生：细胞，因为都是基本组成单位。

2.师：基因突变就是DNA分子中发生碱基对的替换、增添和缺失，而引起的基因结构的改变。该现象对应到这一列同学上相当于发生了什么样的变化？

生：相当于是某个同学体内的细胞变化、增添和缺失。

3.师：这种变化，我们肉眼能观察到吗？

生：观察不到。

教师总结：基因突变在光学显微镜下也无法直接观察到。

4.师：同学甲体内的某些细胞发生变化后，同学甲会不会就变成了同学乙或者丙？

生：不会，仍然是同学甲。

师总结：基因突变本质是基因内部的变化，不改变染色体上基因的数量及所处位置，只改变某一基因的结构及表现形式，产生新基因（等位基因）。

5.师：如果染色体结构改变，例如，染色体中某一片断缺失、增加、颠倒或者发生移接，相当于是我们的一列同学中发生了什么样的变化？

生：相当于有个别同学缺失、增加、颠倒或者两列同学之间交换某些同学。

6.师：发生这样的变换后，我们队伍中的同学数目或排列顺序会发生相应改变。这种变换可以用肉眼观察到。对应到染色体上可以知道，染色体结构的改变，会使排列在染色体上的基因的数目或排列顺序发生改变，而导致性状的变异。

师总结：染色体结构的变化是可以用显微镜直接观察到的。同理，染色体数目的增减相当于整体增加或是减少了一列或者N列同学，这种变化也是可以用显微镜直接观察到的。

第三，关于“细胞不能无限长大的原因”教材设计了观察计算氢氧化钠在含酚酞的琼脂块中的扩散深度的实验来探究细胞的表面积与体积之比，与物质运输效率之间的关系。这个实验科学性强、论证严密，可以很好地推导出结论：细胞体积越大，相对表面积越小，细胞的物质运输效率就越低。但是，学生在记忆这个结论的时候容易出现偏差——细胞体积与相对表面积之间究竟是什么关系呢？如果直接回忆实验的推导过程，由于科学性较强，不易复制且耗时多——尤其在临场考试时，心里一紧张，更容易出错。这里我们可以利用一些随手可得的物体来进行类比。这样的模型直观形象，在解题过程中，即使结论记忆不清，也可以借鉴这个思路，临时构建粉笔盒模型来推理思考。这样，只需要稍加思索就能得出正确结论。

在这种模型的引导下学生还会自发地进行发散式思维：平时我们买苹果、梨这类需要去掉果皮的水果都喜欢挑个儿大的。原来这也是有科学依据的呀。通过这个模型的引导，学生的思维极大程度地活跃，一方面体会到建立模型的重要意义，另一方面感受到发散式思维带来的乐趣，为科学思维方式的建立打下了良好的基础。

在模型法的运用过程中，我也产生了一个疑问：可不可以用同一个模型来讲解两个不同的知识点？

例如，在讲解氨基酸形成多肽链时，关于形成肽键数的计算问题，我运用了和讲授《染色体变异》时一样的模型：N个同学手拉手排成一列——每个同学相当于一个氨基酸，一列同学就是一条多肽链。把左手当做氨基，右手则为羧基，手拉手的地方就是肽键。如果同学排成一条直链状，那么手拉手的地方也就是肽键的数目就是N-1，如果同学围成一圈，那么肽键的数目就是N。排成直链状的一列同学一头一尾有一只空闲的左手和一只空闲的右手；在一条链状多肽链中，至少有一个游离的氨基和一个游离的羧基。用这个模型后，学生们对这个知识点豁然开朗。在完成习题时也会自觉的用到这个模型来帮助解题，完成效果非常好。