浅谈高中生物各种模型的构建和转换

浅谈高中生物各种模型的构建和转换刘建峰（广东省汕头市澄海区苏北中学515829）实行新课标之后，在全国高考生物科考试大纲考试内容部分考核目标与要求中，关于实验与探究能力有如下要求：具有对一些生物学问题进行初步探究的能力，包括运用观察、实验与调查、假说演绎、建立模型与系统分析等科学研究方法。其中建立模型是新课标探究教学中一个难点。下面就模型的种类、构建和转换特点进行具体的分析。1．模型的概念和种类必修1教材对模型的定义是：“模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所做的一种简化的描述，这种描述可以是定性的，也可以是定量的；有的借助于具体的实物或其他形象化的手段，有的则通过抽象的形式来表达”。《美国国家科学教育标准》中的表述是：“模型是与真实物体、单一事件或一类事物对应的而且具有解释力的试探性体系或结构。关于模型的形式或种类，不同论著中的说法有所相同。人教版新教材中所说的三种模型的含义如下：物理模型是指以实物或图画形式直观地表达认识对象特征的模型，如人工制作或绘制的DNA分子双螺旋结构模型、真核细胞三维结构模型等；概念模型是指以文字表述来抽象概括出事物本质特征的模型，如对真核细胞结构共同特征的文字描述、光合作用过程中物质和能量的变化的解释、达尔文的自然选择学说的解释模型等；数学模型是指用来描述一个系统或它的性质的数学形式，如“J”型种群增长的数学模型Nt=N0λt。应该指出，物理模型既包括静态的结构模型，如真核细胞的三维结构模型、细胞膜的流动镶嵌模型等；又包括动态的过程模型，如教材中学生动手构建的减数分裂中染色体变化的模型、血糖调节的模型等。下面这道试题就是要求学生判断模型种类的：（2008年汕头市一模，10．）模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所作的一种简化的概括性的描述。模型的形式有多种，下列各项中正确的是：A．沃森和克里克的DNA双螺旋结构模型属于物理模型B．种群增长模型属于生物模型C．血糖调节模型属于化学模型D．生物膜的流动镶嵌模型属于概念模型（参考答案与解析：种群增长模型属于数学模型，血糖调节模型属于动态物理模型，生物膜的流动镶嵌模型属于物理模型；选A）２.模型的构建和重建我们在课本上可以看到许多模型构建的具体实例，如尝试制作真核细胞的三维结构模型，利用废旧物品制作生物膜模型，建立动态的血糖调节的模型，培养液中酵母菌种群数量的变化模型等。通过具体的构建体验，可以加深对模型特点的认识，理解模型在反映事物或过程方面的简化和直观性。下面是笔者在细胞呼吸部分复习呼吸方式判断时，与学生一起构建的有氧呼吸和无氧呼吸同时进行时，两者比例关系的数学模型：生物同时进行有氧呼吸和无氧呼吸时，假设两者氧化分解葡萄糖为M，释放的总能量为QkJ，则有：①有氧呼吸和酒精生成途径消耗葡萄糖物质的量的比：XC6H12O6--------2870XkJ(有氧呼吸)；YC6H12O6--------222YkJ(酒精生成途径)。则：X+Y=M；2870X+222Y=Q。X/Y=QMMQ2870222。即：y=kx(k=MQQM2222870)②有氧呼吸和乳酸生成途径消耗葡萄糖物质的量的比：XC6H12O6--------2870XkJ(有氧呼吸)；YC6H12O6--------196.65YkJ(乳酸生成途径)。则：X+Y=M；2870X+196.65Y=Q。X/Y=QMMQ287065.196。即：y=kx(k=MQQM65.1962870)在原有模型的基础上，为了进一步加深或拓展对重点问题的认识，可以适当进行典型模型的进一步分析和重建，以提高学生对相关模型的认知能力。以种群数量变化曲线为例，课本上的数学模型是反映种群数量随时间的变化特点（左上图）。在重建模型时可以考虑将种群数量改为种群数量增长率，就可以分析得出右上图所示的数学模型。在实际解题过程中遇到数学曲线模型分析和重建的情况也非常多。下面是两个典型的例子：（汕头市2008年一模，13．）下图中，如果横坐标改变，则曲线的变化趋势最大的是A．①将横坐标的“光照强度”改为“CO2浓度”B．②将横坐标的“温度”改为“O2浓度”C．③将横坐标的“有丝分裂”改为“减数分裂第二次分裂”D．④将横坐标的“血糖浓度”改为“内环境温度”不难看出，本题的命题意图就是要通过数学模型的重新构建来考察学生对相关内容的掌握情况。如果能够按要求准确画出下面的数学模型，是不难做出正确选择的。（汕头市2008年一模，16．）将一盆栽植物横放于地，则其水平方向的主根近地一侧生长素浓度变化的曲线为：（图中虚线表示对根生长既不促进也不抑制的生长素浓度）许多同学在解题时都选择了C,其主要原因在于没有注意到模型的重建，错误地将生长素浓度看做生长素浓度对根生长的影响。其实正确选项A就是下面数学模型的变形：３.模型间的转换采用不同的模型来简化特定生物学问题，帮助学生深刻认识问题的变化规律和实质，是非常有效的一种表达手段。利用模型间的转换来考察学生对相关生物学问题的认识水平，也越来越频繁地出现在高考试题中。例如：（2007年，全国卷I）5、下图表示用3H—亮氨酸标记细胞内的分泌蛋白，追踪不同时间具有放射性的分泌蛋白颗粒在细胞内分布情况和运输过程。其中正确的是()显然，该题是将课本上的相关物理模型（见必修1第48页资料分析：豚鼠胰腺腺泡细胞分泌物形成过程图解）转换成了数学模型，考察学生的模型转换能力。类似地，在下面这道题目中中也做了同样的考察：（2008年佛山市普通高中高三教学质量检测(一)，2．）科学家提供踮S标记的氨基酸培养哺乳动物的乳腺细胞，测量细胞合成并分泌乳腺蛋白过程中各种膜结构的面积变化，结果如下图。下列选项表示a、b、c所代表的膜结构名称以及放射性标记出现的先后顺序，正确的是：A．a核糖体→b内质网→c高尔基体B．a内质网→b高尔基体→c细胞膜C．a高尔基体→c内质网→b细胞膜D．a内质网→c高尔基体→b细胞膜（参考答案：D）不难看出，模型的特点就是以简化和直观的形式来显示复杂事物或过程。数学模型和物理模型都是通过图解的形式将事物的特点或变化规律勾画出来，也都能够定性和定量地准确描述。但是，数学模型在定量描述上更加直观；而物理模型则在定性描述上更加形象。概念模型由于是文字性高度的概括和归纳，可以很好地帮助我们全面理解相关问题的实质。例如在细胞呼吸的概念中（指有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他产物，释放出能量并生成ATP的过程。），点明了关于细胞呼吸的反应物，反应场所，反应性质，反应产物，能量变化等特点。培养学生进行必要的模型构建、分析和重建，以及尝试进行同一模型不同表达形式或不同模型间的转换，无疑是提高学生科学素养的有效手段。在教学中，如果能够较好地结合课本上各种模型的讲解，有目的的进行模型构建分析、重建和转换专题训练，学生完全可以掌握通过模型构建解决实际问题的科学探究方法。参考文献：赵占良,人教版高中生物课标教材中的科学方法体系,《中学生物教学》2007年第3期。