高中生物学新课程中的模型、模型方法及模型建构

洪启燕

(苏州市吴江区汾湖高级中学 江苏苏州 215200)

在高中生物课程教学中，模型构建的方法是常用的辅助手段，其主要目的为帮助学生深入理解生物知识，帮助学生全面分析生物理论内容，引导学生形成简化思维的能力与方法，能够将抽象的生物问题进行具象化处理。在实际的教学过程中，部分教师缺乏这种建模教学的意识与方法，起不到提升学生的作用，甚至对学生的正常学习产生干扰。因此，如何有效地将生物模型及其构建方法融入教学环节、推广建模思路与经验、引导学生了解建模的一般规律是重要的生物教学议题，具有极强的现实效用。

一、概念解析

(一)模型

模型，即基于科学探究以及合理猜想所总结出的一般性、概括性的物质或思维形式。模型是事物的真实表征，具有试探性与解释性，既是抽象的高度概括，又是具象的规律总结；既可以是定性描述，又可以是定量分析。在高中生物教学中，模型是基于特定目的而进行的一种简化描述。

(二)模型方法

模型方法是指借助模型这种简洁的手段来认识、分析物质或过程的本质、特征的科学研究方法。在科学研究方法体系中，模型方法属于思维方法的一种。

(三)模型建构

在建构性学习方式中，模型建构是一种有效的实现途径，通过构建相应的模型，辅助学生直观地理解某一物质、某一现象或是某一动态过程。值得注意的是，高中生物中的模型构建与普通科学研究中的模型构建存在一定的相似性，同时也有区别，两者存在思维过程中存在契合点，但在模型的建构目的、背景方面存在差异性。

二、高中生物中的常见模型

模型的原意为“样本”或“标准”，可以用来解释现象以及变化过程。具体而言，高中生物涉及的模型方法有很多，可以总结为以下几种：

(一)物理模型

物理模型常常用来表征物质的三维结构，经常在描述极其微小或庞大的物质时使用。高中生物中典型的物理模型有细胞结构模型、DNA与RNA分子结构模型、生物膜的流动镶嵌模型等。

(二)概念模型

概念模型的作用就是解决文字表述过于抽象的问题，进而引导学生更加直观地认识到生物状态及过程，如血糖的平衡调节模型，通过生物现象的生理学过程内核构建模型，将生物过程具象化表达，便于学生的理解。

(三)数学模型

顾名思义，数学模型就是借助数学公式、符号等要素来表示某些生物现象或过程的规律，比如种群的发展变化模型，通过构建“S”型曲线和“J”型曲线来揭示种群发展的规律及其影响因子。

三、模型建构案例解析——以“DNA分子结构”模型构建为例

在高中生物教学过程中，构建模型往往包含分析、建构、修正、应用四个步骤。

“分析”是指对生物物质或过程原型本质特征的梳理，重点描述其中的本质属性，弱化边缘特征。例如，在构建真核细胞三维结构模型之前，需要对细胞膜、细胞核等的形状大小、结构特征、区域分布、功能属性等本质特征进行总结。

“建构”模型时，一般按照由点及面、从部分延伸至整体、由简单到复杂的原则进行。以上述教学过程为例，在构建完整的整合细胞结构模型之前，需要将其拆分成数个个体，如细胞膜、细胞核等，分别构建这些细胞器的物理模型，最终整合成一个完整的真核生物细胞结构模型。

在构建完模型之后，教师与学生需要共同评价模型构建的结果，如果存在问题，就需要进一步修正，保证所构建的模型可以科学、准确地反映所研究的物质或过程。

(一)教学内容分析

“DNA分子结构”一节的内容主要包括DNA的结构特征，即四种脱氧核糖核酸组成两条反向平行的碱基链，具有碱基互补配对的重要特征，其中碱基的排列顺序就表征了遗传信息。在这一节的教学过程中，主要涉及了“DNA分子结构”以及“DNA双螺旋结构模型”的构建，前者为教学重点，后者为本节教学的难点。

(二)模型构建过程

1．情境创设

DNA是一种重要的遗传物质，之所以能作为承载遗传信息的媒介，就是因为其分子结构的相对稳定性。在这节课之前，我们已经学习过脱氧核糖核酸的相关内容，本节课我们要探究的就是DNA的分子结构。

2．模型构建

DNA分子的基本构成单位是脱氧核糖核苷酸，而一分子脱氧核糖核苷酸由什么组成呢？教师可以引导学生构建脱氧核糖核苷酸的物理模型。经过交流与总结，学生会将脱氧核糖核苷酸划分为三部分，即磷酸(圆形A)、脱氧核糖(五边形B)以及碱基(矩形C)。

在构建脱氧核糖核苷酸的物理模型之后，需要思考这样一个问题：脱氧核糖核苷酸分子是如何连接到一起的呢？这时，教师可以给学生一些提示，补充一些关于碱基连接以及双螺旋结构的背景知识，在此基础上让学生大胆猜想脱氧核糖核酸的分子结构。

A.碱基对连接

在进行构建脱氧核糖核苷酸单个分子模型之后，可以参考蛋白质的结构。1951年，富兰克林在鲍林研究蛋白质分子结构的基础上，经过实验分析得出了单个脱氧核糖核苷酸分子是由其中一个核苷酸分子的磷酸基团与另一个核苷酸分子脱氧核糖上的3号碳原子连接而成的。

查戈夫研究DNA分子时，发现各种生物DNA分子中的碱基含量都有这样一个特征：A=T，C=G；多纳休通过实验得出，碱基之间是通过氢键连接的，并且满足：A、T之间由双键连接，C、G之间由三键连接。

B.双螺旋结构

1952年，威尔金斯和富兰克林通过X射线观察DNA的有关结构，推断DNA分子呈现螺旋状。但是，这种螺旋链式结构并不是简单的单链，也不是三链甚至是更复杂的多链。经过一段时间的实验与分析，最终得出DNA分子的空间结构呈现出双螺旋结构。

经过以上的辅助讲解，学生可以理清楚两个问题：首先，DNA分子是双螺旋结构，由两条脱氧核糖核苷酸链相连而成；其次，这两条脱氧核糖核苷酸链是通过碱基进行连接的，连接方式为A与T通过双氢键连接，C与G之间通过三氢键连接。在此基础上，学生对DNA的空间结构有了进一步的认识，教师可以安排学生构建含有12个脱氧核糖核苷酸的DNA分子。

(四)教学反思总结

通过本节课的教学，学生能加深对高中生物学科中物理模型的构建形成更深层次的理解，在活动中学生的注意力也更加集中，教学效果更好。同时，构建模型的过程也是探究与合作学习的过程，整体上看，在这种寓教于乐的氛围中，学生可以更加投入到学习中去。

四、结语

综上所述，高中生物教学中的模型方法需要通过构建模型来实现。在模型建构的基础上，教师还需要引导学生观察生物现象及其过程，将其与已有的生物学理论知识相结合，充分归纳，合理演绎，实现对复杂问题的简化，抽象出其中的本质属性。