例谈高中生物教学中物理模型的构建

石玲华

[摘   要]物理模型的最大优点是形象直观，能够将微观的物质、动态的变化过程更加形象地呈现出来。在构建物理模型的过程中，应遵循“先大后小，先简单后复杂”的原则，从表面到内部，从框架到细节逐步构建，同时教师要正确引导。

[关键词]物理模型;高中生物;三维结构模型

[中图分类号]    G633.91        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2019）02-0092-02

《高中生物课程标准（实验）》明确要求：“领悟建立模型等科学方法及其在科学研究中的应用，培养学生的建模思维和建模能力”。模型是针对特定目的知识的简化描述，其有多种形式，包括物理模型、概念模型、数学模型等。其中，物理模型是指依据相似原理，将实物按照一定的比例缩放成一个模型，其状态变量与原物是一致的，但可以模拟事物的性质和功能，更生动地解释生物现象与规律。物理模型的最大优点是形象直观，能够使微观的物质、动态的变化过程更加形象地呈现出来。在高中生物教学中引导学生亲自动手构建物理模型，可使书本上单纯的文字描述变得更加生动，使知识更加容易掌握。

一、物理模型的构建

1.构建细胞器的三维结构模型

在高中生物教材中，典型的物理模型有DNA分子双螺旋结构模型、细胞膜流动镶嵌模型和细胞分裂橡胶泥模型。在实际生物教学中，教师不妨选取一些简单的模型，安排学生进行建模训练，以加深学生对生物概念的理解。

例如，在“几种细胞器的结构和功能”的教学中，教师可要求学生仿照教材中的图片，利用橡皮泥、可乐瓶、乒乓球等器材来构建细胞器模型。在教师的指导下，有一组学生构建的是内质网模型，他們将橡皮泥压平后制作成褶皱的形状，再在模型上喷上色彩，这样简单的内质网模型就构建成了。通过内质网模型的构建，学生认识到内质网是由生物膜构成的相互连接的层状间质或由管状系统构成的单层膜褶皱。在学生构建内质网模型时，教师可将内质网的功能、特性介绍给学生，如内质网是有机物的合成“车间”，也是蛋白质运输的通道。教师会惊奇地发现，学生认识到内质网是蛋白质运输的通道，于是他们会在所构建的橡皮泥模型上扎很多个小孔，这就是学生思维火花迸发的成果。为了提升生物教学的系统性，教师往往继续要求学生进一步深入研究，将内质网中的高尔基体和核膜的相关物理模型也构建出来。通过对物理模型的构建，学生对生物知识有了更加深刻的认识，课堂氛围也得到了活化。

2.构建真核细胞的三维结构模型

“尝试制作真核细胞的三维结构模型”的教学要点是：通过对真核细胞三维结构模型的制作，分析科学家的建模过程，亲身体验构建真核细胞结构模型的过程。本节课，教师旨在引导学生构建真核细胞模型，使学生能够全面地掌握细胞的基本结构和功能，加深对细胞的认识。针对“细胞”这个看不见、摸不着的微观生物引导学生构建细胞模型，可使学生全面掌握细胞的基本知识，理解结构与功能的统一关系。虽然电镜下也可观察到细胞的微观结构，但学生缺乏感性认识。因此，在现有的实验条件下，让学生结合自身的经验来模拟构建“细胞”的三维结构模型，可使细胞从“微观”向“宏观”转变，帮助学生构建完整的知识体系。经过讨论，决定让学生以小组合作的形式完成这项任务。这样，学生可以利用生活中的废旧物品进行模型构建，充分发挥了学生的创造性，也给学生提供了更多的空间。比如在细胞壁材料的选取上，有的学生直接用两个木薯片来代表细胞壁，然后用橡胶泥捏出各种细胞器，有的学生则选择废纸板来做细胞壁的材料，这种材料容易获得，而且具有一定的硬度，易于固定。在选择制作液泡的材料时，有的学生选择橡胶泥来做，有的学生选择用纸折。而以气球做材料既简单易操作，又形象，可收到很好的效果。

3.构建DNA分子结构模型

在教学《DNA分子的结构》这一节时，可先引导学生复习DNA分子的组成单位、脱氧核糖核苷酸及其结构，然后分组制作DNA分子结构模型。模型材料由学生课前准备。在做这个模型之前，学生已有的知识基础是：脱氧核苷酸之间靠3′-5′磷酸二酯键连接，DNA中碱基A与T配对，G与C配对。如右图，这是一个简单的DNA分子模型，所做的主要工作有两个方面，一是关于脱氧核糖、磷酸、碱基的模型，学生主要是用纸板进行裁剪得到，其中五边形表示脱氧核糖，白色的圆形代表磷酸，其他的都是碱基;二是将这三种物质进行连接。学生操作起来比较简单，先将它们的位置正确摆放好后用胶水粘起来，然后用彩色铅笔画出它们之间的连接键。在构建模型的过程中，学生能够理解科学家在构建DNA分子结构过程中所体现出来的科学精神和思维方法，有效培养了创新思维能力和合作探究能力。

4.构建减数分裂过程的模型

教材中学生动手构建的减数分裂过程中染色体形态变化的模型，属于动态的物理模型。减数分裂过程中最难掌握的就是染色体的行为变化，还有一些很相近的概念。在构建减数分裂过程染色体变化的模型时，笔者发现学生对同源染色体、姐妹染色单体等概念比较模糊，对它们的大小、颜色不能很好地把握;另外，对染色体的行为变化也容易出错，比如对前期染色体有联会的这个特点，很多学生会忽略，而是让染色体散乱地分布在细胞内。为了增强学生对该知识的理解，减少构建模型的错误，笔者先在黑板上画出减数分裂过程中染色体的行为变化（这个过程其实就是在模拟建模），然后指导学生进行建模。学生在建模的过程中，笔者再进一步进行指导，比如：同源染色体的大小、形态要一致，颜色要不同;姐妹染色单体大小、形态、颜色都要一致;在减数第一次分裂时，同源染色体被分离，非同源染色体被自由组装，姐妹染色单体在减数第二次分裂中被分离并移动到细胞极。

这种情况是基于染色体减数分裂的研究，这是一个理解困难且易混淆的知识。通过对减数分裂过程中染色体变化的绘制和模拟，建立了减数分裂过程中染色体变化的物理模型。通过建模活动，找到了突破难点知识的方法和途径。该模型的建立，强化了学生对减数分裂过程中染色体变化规律的认识，为学生进一步获取系统知识奠定了基础。引导学生对物理模型进行分析比较、综合处理和转化，目的在于促进学生理解细胞分裂的本质，并能运用模型构建新的知识结构，使模型成为学生认知结构的重要组成部分。

二、构建物理模型的注意事项

构建物理模型的前提是基于客观事实。在构建物理模型之前，我们需要充分了解相关知识，并查阅相关资料，以掌握模型对象的特征。在构建物理模型的过程中，应遵循“先大后小，先简单后复杂”的原则，从表面到内部，从框架到细节逐步构建，同时教师要正确引导。在初步构建模型之后，需要进一步考察模型的科学性和审美性以及它的可保存性，并在此基础上进一步改进与完善，以便客观、真实地反映认知对象的特征。

模型构建完毕，教师要留足时间给学生进行展示，并让学生指出模型的特点，教师要对学生所构建的模型进行审核，指出其错误或不足之处。让学生构建模型，目的是为了加深学生对书本知识的理解，所以学生在构建模型时出现错误，说明他们对书本知识的理解仍有欠缺，对此教师可针对性地进行查漏补缺。

总之，教师作为教学的组织者和指导者，在学生构建物理模型时，应给予正确的引导，为学生搭建探究的台阶，让学生在理论与实践的碰撞中不断获得知识和提升能力。

（责任编辑 黄春香）