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        應(yīng)用思維進(jìn)階構(gòu)建模型 例談培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維

        2020-11-23 05:25:56新疆
        教學(xué)考試(高考生物) 2020年6期
        關(guān)鍵詞:思維學(xué)生

        新疆

        生物學(xué)課堂要讓學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力、促使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中逐步發(fā)展科學(xué)思維,例如能夠基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)靈活運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律,審視或論證生物學(xué)社會(huì)議題。本文結(jié)合例題,闡述在生物習(xí)題講解中,按照從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的方法,從學(xué)生已知區(qū)入手,在最近發(fā)展區(qū)設(shè)問,運(yùn)用演繹與推理、歸納與概括、模型與建模等方法,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維,形成解決實(shí)際問題的科學(xué)思維和能力,讓生物學(xué)科核心素養(yǎng)落到實(shí)處。

        1.例題呈現(xiàn)

        【例1】某種烷化劑芥子氣能使鳥嘌呤轉(zhuǎn)變?yōu)橥榛B嘌呤(mG),mG 不與胞嘧啶配對(duì)而與胸腺嘧啶配對(duì),某雙鏈DNA 分子中T 占?jí)A基總數(shù)的20%,用芥子氣使DNA 分子中所有鳥嘌呤成為mG 后進(jìn)行復(fù)制一次,其中一個(gè)DNA 分子T 占?jí)A基總數(shù)的30%,則另一個(gè)DNA 分子中T 占?jí)A基總數(shù)的比例是 ( )

        A.15% B.20% C.30% D.40%

        【答案】D

        2.設(shè)起點(diǎn) 讓思維在已知區(qū)點(diǎn)燃

        教師應(yīng)依據(jù)最近發(fā)展區(qū)理論,按照從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的科學(xué)分析方法及思維,在學(xué)生已知區(qū)中找到與新問題相類似的問題,并比較二者的異同。

        學(xué)生對(duì)DNA 組成、結(jié)構(gòu)和復(fù)制有一定的認(rèn)識(shí)和掌握,并具有對(duì)DNA 分子復(fù)制中所需堿基數(shù)目及其他簡(jiǎn)單問題的計(jì)算能力。但大部分學(xué)生面對(duì)此題無從下筆,只能望“題”興嘆。通過分析與比較(如表1),可為學(xué)生思維發(fā)展提供支架(設(shè)問),引導(dǎo)學(xué)生從簡(jiǎn)單入手,設(shè)置思維起點(diǎn),讓思維在已知區(qū)點(diǎn)燃。

        表1 學(xué)生已知區(qū)與未知區(qū)的比較與聯(lián)系

        點(diǎn)燃思維,構(gòu)建支架(設(shè)問):

        【例2】某2 000 個(gè)堿基對(duì)的雙鏈DNA 分子片段,其中1 鏈中T 堿基數(shù)為300 個(gè),2 鏈中T 堿基數(shù)為500 個(gè),(1)1 鏈中T 堿基占該鏈堿基總數(shù)的多少?2 鏈中T 堿基占該鏈堿基總數(shù)的多少?該DNA 分子片段中T 堿基總數(shù)的比例是多少?(2)DNA 分子片段中T 堿基占?jí)A基總數(shù)的比例與單鏈中T 堿基占該單鏈堿基總數(shù)的比例有何數(shù)量關(guān)系?

        圖1

        引導(dǎo)學(xué)生通過作圖的方法,分別作答(如圖1:假設(shè)每條單鏈的堿基總數(shù)為n)。具體分析:(1)1 鏈中T 堿基占該鏈堿基總數(shù)的比例為:300÷2 000=15%;2 鏈中T堿基占該鏈堿基總數(shù)的比例為:500÷2 000=25%;DNA 分子片段中T 堿基總數(shù)的比例為:(300+500)÷(2 000×2)=20%。

        (2)DNA 分子片段中T 堿基總數(shù)的比例為:(300+500)÷(2 000×2)=300÷(2 000×2)+500÷(2 000×2)=15%×1/2+25%×1/2=(15%+25%)×1/2=20%,故DNA 分子片段中T 堿基占?jí)A基總數(shù)的比例=(1 鏈中T 堿基占該單鏈堿基總數(shù)的比例+2 鏈中T 堿基占該單鏈堿基總數(shù)的比例)×1/2。

        通過對(duì)例2 的分析,進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生通過構(gòu)建模型(如圖1)并分析:若DNA 分子中有n 個(gè)堿基對(duì),1 鏈中T 堿基有a 個(gè),2 鏈中T 堿基有b 個(gè),則DNA 分子片段中T 堿基占?jí)A基總數(shù)的比例=(a+b)/2n=a/2n+b/2n=(a/n+b/n)×1/2,其中a/n 為1 鏈中T 堿基占該單鏈堿基總數(shù)的比例,b/n 為2 鏈中T 堿基占該單鏈堿基總數(shù)的比例。故DNA分子片段中T 堿基占?jí)A基總數(shù)的比例=(1 鏈中T 堿基占該單鏈堿基總數(shù)的比例+2 鏈中T 堿基占該單鏈堿基總數(shù)的比例)×1/2=(1 鏈中A+T 占該單鏈堿基總數(shù)的比例)×1/2=(2 鏈中A+T 占該單鏈堿基總數(shù)的比例)×1/2。

        3.作比較 讓思維在最近發(fā)展區(qū)進(jìn)階發(fā)展

        將例2 中(2)中的堿基換成其他堿基,其規(guī)律是否改變?引導(dǎo)學(xué)生對(duì)例1 作圖分析(如圖2),讓學(xué)生的思維在最近發(fā)展區(qū)進(jìn)階發(fā)展。若沒有基因突變的情況下,子代DNA 中T 堿基占?jí)A基總數(shù)的比例為20%??梢?,子代DNA 中T 堿基數(shù)目的增加是模板鏈中突變的mG 引起的,新增T 堿基的數(shù)目等于模板鏈中突變mG 的數(shù)目。將例1 中的問題轉(zhuǎn)化成了DNA 分子中mG 占?jí)A基總數(shù)的比例與單鏈中mG 占該單鏈堿基總數(shù)的比例之間的關(guān)系。

        圖2

        【例3】(改編)某種烷化劑芥子氣能使鳥嘌呤轉(zhuǎn)變?yōu)橥榛B嘌呤(mG),mG 不與胞嘧啶配對(duì)而與胸腺嘧啶配對(duì),某1 000 個(gè)堿基對(duì)的雙鏈DNA 分子中T 堿基占?jí)A基總數(shù)的20%。用芥子氣處理該DNA 分子后,若1 鏈中轉(zhuǎn)變?yōu)閙G 的數(shù)目為200 個(gè),以該鏈為模板復(fù)制的子代DNA 分子中T 堿基占?jí)A基總數(shù)的比例是 ( )

        A.15% B.20% C.30% D.40%

        【分析】若沒有基因突變的情況下,子代DNA 中T堿基占?jí)A基總數(shù)的比例為20%。結(jié)合圖2,1 鏈(模板鏈)中突變的mG 與T 配對(duì),故子代DNA 中新增的T 堿基的數(shù)目=模板鏈中突變mG 的數(shù)目=200 個(gè),將例3 中的問題轉(zhuǎn)化成了DNA 分子中mG 占?jí)A基總數(shù)的比例與單鏈中mG 占該單鏈堿基總數(shù)的比例之間的關(guān)系??傻贸鲎哟鶧NA 中新增的T 堿基占DNA 分子總堿基的比例為(200÷1 000)×1/2=10%,因此子代DNA 分子中T 堿基占?jí)A基總數(shù)的比例是20%+10%=30%。

        【答案】C

        4.建模型 讓思維在未知區(qū)創(chuàng)造性發(fā)展

        通過例2、例3 的鋪墊,學(xué)生的思維將會(huì)在未知區(qū)進(jìn)行創(chuàng)造性發(fā)展。學(xué)生采用歸納與概括的方法,以解決最終問題為目的構(gòu)建數(shù)學(xué)模型,提高了計(jì)算效率。結(jié)合例2,例3 分析,為解決問題構(gòu)建出數(shù)學(xué)模型:DNA 分子中某種堿基(X)占?jí)A基總數(shù)的比例(假設(shè)每條單鏈的堿基總數(shù)為n)=(a+b)/2n=[1 鏈中堿基X 占該單鏈堿基總數(shù)的比例(a/n)+2 鏈中堿基X 占該單鏈堿基總數(shù)的比例(b/n)]×1/2=(1 鏈中堿基X 與其互補(bǔ)堿基之和占該單鏈堿基總數(shù)的比例)×1/2=(2 鏈中堿基X 與其互補(bǔ)堿基之和占該單鏈堿基總數(shù)的比例)×1/2。

        圖3

        由例1 題干信息構(gòu)建物理模型(如圖3)并分析:假設(shè)題干中的某雙鏈DNA 為圖3 中的親代,題干中的DNA復(fù)制后其中一個(gè)DNA 分子為圖3 中的子代1,另一個(gè)DNA 分子為圖3 中的子代2。子代中T 堿基增加的原因?yàn)轼B嘌呤轉(zhuǎn)變?yōu)橥榛B嘌呤(mG)。

        方法一:依據(jù)構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型[即DNA 分子中某種堿基(X)占?jí)A基總數(shù)的比例=(1 鏈中堿基X 占該單鏈堿基總數(shù)的比例+2 鏈中堿基X 占該單鏈堿基總數(shù)的比例)×1/2]可建立以下等式:

        (1)親代DNA 分子中G 堿基數(shù)占總堿基數(shù)的比例:(G1+G2)/2n=(a/n+b/n)×1/2=30%;

        (2)子代1 DNA 分子中增加的T 占總堿基數(shù)的比例:a/2n=10%;

        (3)子代2 DNA 分子中增加的T 占總堿基數(shù)的比例:b/2n;

        (4) 將(2) 代 入(1) 可 得,G2/2n=b/2n=20%,故子代2 DNA 分子中T 堿基占總堿基數(shù)的比例是20%+20%=40%。

        方法二:依據(jù)構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型[即DNA 分子中某種堿基X 占?jí)A基總數(shù)的比例=(1 鏈中堿基X 與其互補(bǔ)堿基之和占該單鏈堿基總數(shù)的比例)×1/ 2=(2 鏈中堿基X 與其互補(bǔ)堿基之和占該單鏈堿基總數(shù)的比例)×1/2]可建立以下等式:

        (1)子代1 中T 堿基占總堿基的比例為1 鏈中(T+A+突變的mG)占該單鏈堿基總數(shù)的比例×1/2=(40%+突變的mG)×1/2=30%,所以1 鏈中突變的mG為20%,2 鏈中突變的mG 為60%-20%=40%;

        (2)子代2 中T 堿基占總堿基的比例為2 鏈中(T+A+突變的mG)占該單鏈堿基總數(shù)的比例×1/ 2=(40%+40%)×1/2=40%。

        可見,通過構(gòu)建物理模型(圖3)和數(shù)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)了邏輯思維的可視化,極大地簡(jiǎn)化了分析過程,優(yōu)化了計(jì)算過程。

        5.運(yùn)模型 應(yīng)用體驗(yàn)

        【例4】(改編)某種烷化劑芥子氣能使鳥嘌呤轉(zhuǎn)變?yōu)橥榛B嘌呤(mG),mG 不與胞嘧啶配對(duì)而與胸腺嘧啶配對(duì)。研究人員為研究某一特定條件下,一定量芥子氣使DNA 分子鳥嘌呤中成為mG 的比例,在T 占?jí)A基總數(shù)的20%某雙鏈DNA 分子中,用芥子氣處理DNA 分子后進(jìn)行復(fù)制一次,子代其中一個(gè)DNA 分子T 占?jí)A基總數(shù)的30%,另一個(gè)DNA 分子中T 占?jí)A基總數(shù)的25%,則芥子氣使DNA 分子鳥嘌呤中成為mG 的比例是 ( )

        A.30% B.40% C.50% D.60%

        【分析】由題干信息分析并結(jié)合物理模型(圖3),假設(shè)題干中的某雙鏈DNA 為圖3 中的親代,題干中的復(fù)制后其中一個(gè)DNA 分子為圖3 中的子代1,題干中的另一個(gè)DNA 分子為圖3 中的子代2。子代中T 堿基增加的原因?yàn)轼B嘌呤轉(zhuǎn)變?yōu)橥榛B嘌呤(mG)。依據(jù)構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型[即DNA 分子中某種堿基X 占?jí)A基總數(shù)的比例=(1 鏈中堿基X 占該單鏈堿基總數(shù)的比例+2 鏈中堿基X占該單鏈堿基總數(shù)的比例)×1/2]可建立以下等式:

        (1)親代DNA 分子中G 堿基占總堿基數(shù)的比例:(G1+G2)/2n=1/2×(G1/n+G2/n)=30%;

        (2)子代1 DNA 分子中增加的T 占總堿基數(shù)的比例(即mG 占總堿基數(shù)的比例):G1/2n=10%;

        (3)子代2 DNA 分子中增加的T 占總堿基數(shù)的比例(即mG 占總堿基數(shù)的比例):G2/2n=5%;

        因?yàn)橛H子代DNA 的總堿基數(shù)相等,故親代DNA 分子中mG 占總堿基數(shù)的比例是10%+5%=15%。則芥子氣使DNA 分子鳥嘌呤中成為mG 的比例是15%÷30%=50%。

        【答案】C

        可見,在習(xí)題講解中,教師應(yīng)將問題與學(xué)情進(jìn)行比較,從學(xué)生已知區(qū)入手,巧設(shè)問題,進(jìn)行鋪墊和思維進(jìn)階發(fā)展,讓學(xué)生的思維在已知區(qū)點(diǎn)燃,在最近區(qū)發(fā)展,在未知區(qū)創(chuàng)造性拓展,從而使學(xué)生掌握科學(xué)的思維方法并具有運(yùn)用知識(shí)創(chuàng)造性解決問題的能力,從真正意義上實(shí)現(xiàn)教師授之以“漁”,學(xué)生“知其然,知其所以然”,有效落實(shí)生物學(xué)科核心素養(yǎng)。

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