龐四喜

生命科學(xué)研究離不開模型?！读x務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》中對(duì)生物模型及其建構(gòu)有明確的要求，部分描述如下：“運(yùn)用示意圖或模型等方式，展示和說明細(xì)胞各結(jié)構(gòu)的功能及其相互關(guān)系”“運(yùn)用圖示或模型表示生態(tài)系統(tǒng)中各生物成分之間的營養(yǎng)關(guān)系”“發(fā)展學(xué)生的建模思維”“通過繪圖或模型等形式呈現(xiàn)各個(gè)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)”“結(jié)合學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，通過模型或?qū)嵨镎故尽薄纱丝梢娔Ｐ图澳Ｐ徒?gòu)在生物學(xué)教學(xué)中的重要性。模型模擬的是被研究事物（原型）的結(jié)構(gòu)形態(tài)、生理形態(tài)或運(yùn)動(dòng)形態(tài)，是原型的某個(gè)表征和特征，也是對(duì)原型的抽象和概括。模型不包括原型的全部特征，但能體現(xiàn)原型的本質(zhì)特征。

下面筆者以蘇教版初中生物學(xué)教材為例，對(duì)生物學(xué)教材中的模型加以介紹。

一、初中生物學(xué)教材中的生物模型

生物模型的形式很多，包括物理模型、概念模型、數(shù)學(xué)模型等。依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，可以對(duì)模型進(jìn)行不同的分類。

1.物理模型

物理模型就是根據(jù)相似原理，把真實(shí)事物按比例放大或縮小制成的模型。它可以模擬真實(shí)事物的某些功能和性質(zhì)。生物學(xué)中的實(shí)物模型（如生物體細(xì)胞結(jié)構(gòu)的模型）就是一種物理模型。［1］更準(zhǔn)確地說，以實(shí)物或圖畫形式直觀地表達(dá)認(rèn)識(shí)對(duì)象的特征，這種模型就是物理模型。［2］例如，DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型就是立體的三維物理模型。在平面上用簡單的圖畫表示研究對(duì)象也是一種物理模型。例如，七年級(jí)上冊中的“植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能示意圖”“人和動(dòng)物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)示意圖”“草履蟲的形態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖”“番茄的結(jié)構(gòu)層次示意圖”等。

2.概念模型

概念模型是指用文字、符號(hào)、圖示等將有一定關(guān)聯(lián)的名詞或過程連接起來，體現(xiàn)生命活動(dòng)規(guī)律、機(jī)理等的一種模型，包括流程圖模型和概念圖模型等。概念模型有利于學(xué)生掌握生物學(xué)概念之間的聯(lián)系，助推學(xué)生掌握生命活動(dòng)規(guī)律。例如，七年級(jí)上冊“植物光合作用的實(shí)質(zhì)”一節(jié)中光合作用的反應(yīng)式“二氧化碳+水有機(jī)物+氧氣”就是一個(gè)典型的概念模型。該反應(yīng)式簡單明了地告訴學(xué)生光合作用的原料為二氧化碳和水，產(chǎn)物為有機(jī)物和氧氣，場所為葉綠體，需要光照作為條件。

3.數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型是指用方程式、關(guān)系式、曲線圖、柱形圖等數(shù)學(xué)形式來表達(dá)研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)、功能、發(fā)展規(guī)律。初中生物學(xué)教材中出現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型有很多，例如，七年級(jí)上冊“生物與環(huán)境的關(guān)系”一節(jié)中“草原植物的繁盛和衰亡關(guān)系到鹿群的生活”曲線圖、七年級(jí)下冊“人體的激素調(diào)節(jié)”一節(jié)中的“正常人的血糖含量變化”曲線圖等。除此以外，教材中還有多處要求學(xué)生建構(gòu)數(shù)學(xué)模型。

二、生物模型在教學(xué)中的作用

生物模型簡潔明了、直觀形象、通俗易懂，便于學(xué)生透過現(xiàn)象看本質(zhì)，準(zhǔn)確了解、認(rèn)識(shí)原型。生物模型可使微觀世界“可視化”、復(fù)雜知識(shí)簡單化、抽象知識(shí)具體化，通過建構(gòu)模型，能夠幫助學(xué)生更好地理解、掌握生物學(xué)知識(shí)。

1.生物模型可使微觀世界“可視化”

細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，其結(jié)構(gòu)和功能是初中生物學(xué)中的基礎(chǔ)知識(shí)。在進(jìn)行七年級(jí)上冊“植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能”“人和動(dòng)物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能”兩節(jié)的教學(xué)時(shí)，由于細(xì)胞微小，肉眼一般無法直接觀察，給教學(xué)帶來一定的不便。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與到知識(shí)的獲取過程，教師可讓學(xué)生先閱讀教材，之后對(duì)照文本內(nèi)容利用身邊材料建構(gòu)植物細(xì)胞模型、動(dòng)物細(xì)胞模型。學(xué)生在建構(gòu)模型中學(xué)習(xí)知識(shí)，并獲得成功體驗(yàn)。例如，學(xué)生用漏斗、紅色毛線、綠色毛線、乳膠管等材料建構(gòu)腎單位結(jié)構(gòu)模型，有利于其深入理解腎的結(jié)構(gòu)，為學(xué)習(xí)“尿液的形成”打下基礎(chǔ)。

2.生物模型可使復(fù)雜知識(shí)簡單化

初中生物學(xué)教材中有些知識(shí)較為復(fù)雜，學(xué)生一時(shí)難以理解。例如，在學(xué)習(xí)七年級(jí)下冊“人體的血液循環(huán)”一節(jié)時(shí)，對(duì)體循環(huán)、肺循環(huán)過程大部分學(xué)生一時(shí)搞不清楚。在這種情況下，教師可引導(dǎo)學(xué)生嘗試用文字、箭頭等表示循環(huán)過程，如“肺循環(huán)：右心室→肺動(dòng)脈→肺部毛細(xì)血管網(wǎng)→肺靜脈→左心房”，也可采用同樣的方法來表示體循環(huán)過程。通過這樣處理，繁雜的知識(shí)顯得清晰明了，學(xué)生更容易掌握體循環(huán)、肺循環(huán)的過程。

3.生物模型可使抽象知識(shí)具體化

在學(xué)習(xí)八年級(jí)上冊“生物圈中的各種生態(tài)系統(tǒng)”這一節(jié)時(shí)，部分學(xué)生對(duì)“生態(tài)系統(tǒng)具有自我調(diào)節(jié)能力”感到不解。教師可借助一個(gè)典型的數(shù)學(xué)模型來解決這一難題。教師先介紹美國黃石公園滅狼與引狼入園事件，再結(jié)合“某生態(tài)系統(tǒng)中狼和鹿的數(shù)量變化曲線圖”（見下頁圖1），引導(dǎo)學(xué)生分析狼和鹿的數(shù)量變化關(guān)系。這樣便可使抽象的知識(shí)具體化，學(xué)生很容易理解“生態(tài)系統(tǒng)具有自我調(diào)節(jié)能力”，也很容易理解生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力是有限的，進(jìn)而得出：生態(tài)系統(tǒng)中的生物種類越多，食物鏈和食物網(wǎng)越復(fù)雜，生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力就越強(qiáng)。

（圖1）

三、生物模型的理性建構(gòu)

教育的藝術(shù)不在于傳授本領(lǐng)，而在于鼓舞和喚醒。要想讓學(xué)生學(xué)得好，必須設(shè)法讓他們真正動(dòng)起來，讓他們參與到知識(shí)的獲取過程中。

1.建構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)做中學(xué)

學(xué)習(xí)金字塔理論告訴人們，采用不同的學(xué)習(xí)方式，兩周以后能記住的內(nèi)容（平均學(xué)習(xí)保持率）不同，平均學(xué)習(xí)保持率較高的有：教他人、做中學(xué)、小組討論。因此，教師可通過建構(gòu)模型等活動(dòng)的開展，讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)做中學(xué)、學(xué)中做。通過生物模型的建構(gòu)，加深學(xué)生對(duì)原型的認(rèn)識(shí)，幫助其更好地理解生物學(xué)知識(shí)、掌握生物學(xué)原理。通過具體生物模型的建構(gòu)，讓學(xué)生掌握建構(gòu)模型的一般方法，并能運(yùn)用生物模型解決相關(guān)問題。

2.科學(xué)建構(gòu)生物模型

在設(shè)計(jì)、制作生物模型時(shí)，教師首先要考慮的是模型的科學(xué)性。例如，在學(xué)習(xí)“生命的誕生”一節(jié)時(shí)，要求學(xué)生用文字、箭頭等表示生命起源的過程，有學(xué)生寫成“無機(jī)小分子→有機(jī)小分子→有機(jī)大分子→原始生命→原始單細(xì)胞生物”這樣的書寫是不科學(xué)的。原始大氣與現(xiàn)在的大氣成分不同，含有甲烷、氨、氫氣、水蒸氣等，其中甲烷屬于有機(jī)物，因此將“無機(jī)小分子→有機(jī)小分子”改為“原始大氣→有機(jī)小分子”，更科學(xué)合理。

3.規(guī)范建構(gòu)生物模型

生物模型的建構(gòu)除了要科學(xué)、準(zhǔn)確以外，還應(yīng)注重規(guī)范性。實(shí)物或圖畫的大小、比例要適中，應(yīng)力求直觀形象、通俗易懂；圖示要直觀，箭頭、符號(hào)、文字要簡潔、準(zhǔn)確、清晰；數(shù)學(xué)表達(dá)式、關(guān)系式、曲線圖、柱形圖等要科學(xué)規(guī)范。初中生物學(xué)教材中出現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型有很多，僅要求學(xué)生建構(gòu)曲線圖、柱形圖就有多處，例如，七年級(jí)上冊“植物種子的萌發(fā)”一節(jié)要求依據(jù)數(shù)據(jù)，繪出種子發(fā)芽情況曲線；七年級(jí)下冊“關(guān)注生物圈 環(huán)境在惡化”一節(jié)中，要求依據(jù)數(shù)據(jù)繪制中國大陸人口增長曲線；八年級(jí)上冊“保護(hù)生物多樣性的艱巨使命”一節(jié)中，要求根據(jù)數(shù)據(jù)，繪制該地區(qū)哺乳類和鳥類受到威脅或?yàn)l危的原因的柱狀圖；八年級(jí)下冊“遠(yuǎn)離煙酒”一節(jié)中，要求繪制“清水和不同濃度的酒精對(duì)水蚤心率的影響”曲線圖。教師要引導(dǎo)學(xué)生在繪制曲線圖、柱形圖時(shí)要認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)，注意圖形的規(guī)范性。

在生物學(xué)課堂教學(xué)中教師要充分利用好物理模型、概念模型、數(shù)學(xué)模型等生物模型，以提高教學(xué)有效性。通過引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)模型，改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的發(fā)生，提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)。