例谈高中生物新课程中模型方法的教学策略 陈欣

例谈高中生物新课程中模型方法的教学策略 陈欣1    郑 琳2
（1 福建教育学院   福建福州   350025）
 （2 福州第四中学   福建福州   350025）

 摘要：本文尝试以“DNA分子的结构”一节的教学为例，探讨高中生物新课程教学中如何有效地运用模型方法教学策略引导学生构建形象化、具体化的实物模型并归纳出抽象化、简化的数学模型和概念模型，促进学生自主地建构知识；体验科学方法、科学思维与科学精神；提高探究能力和生物科学素养。
 关键词：  模型方法  教学策略  DNA分子的结构  高中生物新课程
 中图分类号：Ｇ632.4　　　文献标识码：Ａ
 
 高中生物学新课程十分重视模型方法教学，把模型和生物学基本事实、概念、原理、规律并列为必须获得的生物学基础知识，同时将培养学生的包括模型方法在内的科学方法、科学思维及科学精神等生物科学素养视为高中生物课程标准的首要基本理念与核心任务。在以往的高中生物课堂教学中，对于如何应用实物、标本、模型、挂图、投影、幻灯、电视、录像、计算机等直观教具或手段，通过一定的方式与方法向学生展示，丰富学生的感性认识、加深对知识的理解，达到提高学习的效率和效果等方面即直观教学的作用已做了深入的研究、积累了丰富的教学经验。但如何应用模型方法，让学生构建模型的同时自主建构知识、提高生物科学探究能力和生物科学素养，是高中生物学新课程教学中值得研究的重要课题之一。本文尝试以《遗传与变异》模块中第三章第二节的“DNA分子的结构”一节的教学为例，探讨高中生物学新课程中模型方法的教学策略。
1 模型与模型方法
 模型或称科学模型是人们按照科学研究的特定目的，在一定的假设条件下，借助具体的实物、其他形象化的手段或思维形式等抽象的形式再现原型客体的某种本质特征，诸如关于客体的某种结构（整体的或部分的）、功能、属性、关系、过程等等。总之，模型是对认识对象进行定性或定量的简化的概括性的描述。模型方法是现代科学研究和人们的实践中经常运用的具有相当普遍性的分析研究事物和解决问题的方法之一，它是一种科学方法也是一种思维方法。[1]
 根据模型的性质及其构建方法主要有下列两大类型。[2]
 物质模型：实物模型、模拟模型
         物理模型    
 思想模型：具象模型、理想模型
 模型 
 数学模型：确定性模型、随机性模型
 人教版普通高中生物课程标准实验教科书具有十分丰富的模型方法教学资源，如尝试制作真核细胞的三维结构模型、制作生物膜模型、探究细胞大小与物质运输的关系的模拟实验、血糖调节模型的模拟活动、设计并制作生态缸等物质模型建构；建立减数分裂中染色体数目和行为变化的模型、制作DNA双螺旋结构模型、重组DNA分子的模拟操作等具象模型建构；呼吸作用过程图解、光合作用过程图解、池塘生态系统图解、人体细胞与外界环境的物质交换模型、以碳循环为例，分析生态系统中物质循环等理想模型建构；酶促反应的反应速率、酶活性的变化 、有丝分裂染色体和DNA的数量的变化、性状分离比的模拟、用数学方法讨论基因频率的变化、描述种群增长速度与种群密度的关系逻辑斯蒂增长模型、分析种群基因频率的遗传平衡定律等数学模型建构。                                           
2 模型方法教学策略在“DNA分子的结构”教学中的应用
2．1 “DNA分子的结构”教材分析
 人教版“DNA分子的结构” 一节首先以讲故事的形式引导学生了解DNA双螺旋结构模型的构建历程；在此基础上简单明了地概述了DNA分子的结构；最后是让学生制作DNA双螺旋结构模型。教科书这样安排突出了科学家沃森和克里克的研究历程，学生通过DNA双螺旋结构的发现史学习DNA双螺旋结构的特点；体会科学方法、科学思想和科学精神；并通过动手制作DNA双螺旋结构模型加深对DNA双螺旋结构的认识。[3]但这样安排容易造成科学知识和科学实验相脱离，不易激起学生学习科学知识的兴趣、无法突现科学方法特别是模型方法的重要作用、从而不利于有效地发挥培养学生科学探究能力的作用。
2．2 “DNA分子的结构”教学设计思路
 将课本中DNA双螺旋结构模型的科学研究历程整合为若干条资料制作为ppt，并设计一系列问题串，引导学生根据科学家的建构DNA结构模型的过程制作模型。DNA结构模型建构的教学顺序是：构建脱氧核苷酸的结构模型—脱氧核苷酸链的结构模型—DNA的平面结构模型（解决构成DNA分子链的条数、碱基与磷酸-脱氧核糖骨架的排向、碱基的配对方式等问题）—DNA的空间结构模型。模型建构过程引导学生思考、讨论与解决的问题有：组成DNA分子的单位是什么？它是由什么构成的？有几种？脱氧核苷酸是怎样连成脱氧核苷酸长链的？沃森和克里克是如何根据英国科学家富兰克林拍摄的A型DNA X射线衍射图谱推算组成DNA的链数、DNA平面结构及分子直径？碱基与磷酸-脱氧核糖骨架是怎么分布的？奥地利化学家查哥夫的实验结果与结论表明碱基是如何配对连接的？富兰克林拍摄的B型DNA X射线衍射图谱说明了什么？大家制作的模型与其相符吗？再引导学生根据自己构建的DNA分子结构模型以及DNA分子的平面和立体结构示意图思考、讨论和归纳DNA分子结构的特点以及DNA分子的性质。最后，以沃森和克里克1953年的论文中的一句重要的话：我们还注意到我们所提出的特殊配对模式提供了遗传物质可能的复制机制。作为本节课的结束语，为下一节“DNA的复制”埋下伏笔。
2．3 “DNA分子的结构”教学策略
2．3．1 DNA分子结构的实物模型建构
   本节课教学中突出模型方法的教学，首先引导学生按点—线—面—立体的顺序构建DNA双螺旋结构的实物模型，即构建———。模型构建过程应用A型DNA X射线衍射图谱、奥地利化学家查哥夫的实验结果、B型DNA X射线衍射图谱等科学实验数据以及创设一系列问题情境，指导学生分析自己制作的模型正确与否，并纠错，如磷酸、碱基分别与脱氧核糖连接位置、构成基本骨架的磷酸和脱氧核糖如何交替连接、DNA为何是双链不是由单链和三链组成、DNA的两条链是反向平行的、碱基是排在两条链内侧的原因、碱基不能同型或同类配对、必须A-T，G-C配对的原因、DNA双螺旋的方向与螺距等。学生通过亲手制作模型，能够十分形象、生动地掌握：组成DNA分子的基本单位是脱氧核苷酸，1分子脱氧核苷酸是由1分子脱氧核糖、1分子磷酸和1分子碱基组成的，共有4种脱氧核苷酸；脱氧核苷酸长链是通过相邻脱氧核苷酸的核糖和磷酸脱水缩合形成的；DNA分子是由两条链组成的，这两条链按反向平行方式排列的；DNA分子的主链是由脱氧核糖和磷酸交替连接组成的，它们排列在外侧，构成基本骨架； DNA分子中的碱基排列在内侧，两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对，对应碱基的互补关系是：A-T、C-G；双股DNA链围绕一个假想的共同轴心形成向右盘绕成双螺旋结构，螺旋直径是2．0nm，螺距是3．4nm，每个螺距有10对碱基。这样通过DNA分子结构的实物模型再现课堂教学中难以直接观察到的DNA分子的结构，加深了学生对DNA分子结构特点的认识和理解，并体验了模型形象化、具体化的过程。
2．3．2  DNA分子结构性质的数学模型及概念模型建构
 通过比较不同小组构建的DNA模型有什么不同？碱基对数量（n）和碱基对排列方式之间有什么关系？DNA作为主要的遗传物质，其遗传信息蕴藏在哪儿?在亲子鉴定和案件侦破中，是如何识别身份的，为什么？DNA稳定性的特点体现在哪里？等问题引导学生对DNA分子结构的实物模型进行分析，归纳总结出各小组构建的DNA模型因碱基排列顺序的不同而异， 推导出碱基对数量（n）和碱基对排列方式的数学模型是4n和DNA双螺旋结构具有多样性、特异性与稳定性的概念模型，有效地帮助学生完成由感性到理性、由具体到抽象的认知过程，这是模型归纳、抽象、简化、舍去非本质属性的过程。
 通过DNA双螺旋结构的实物模型建构—遗传信息多样性数学模型的构建—DNA双螺旋结构性质的概念模型建构，有效地帮助学生逐步深入地建构起对DNA分子结构特点和性质的全面、完整、真实的认识。同时，让学生在模型构建过程中遇到与科学家曾遇到的相似的问题，在教师的引导下通过积极思考、小组讨论加以解决，这样不仅能促进学生对DNA结构的知识的学习和深入理解，而且能够学习到科学家善于捕获、分析信息和严谨的思维品质及持之以恒的科研精神，还能缩短科学家研究与高中学生研究之间的距离，借此激励学生勇敢、自信地走上科学研究之路。
 总之，“DNA分子的结构”一节模型方法教学努力使得模型建构过程成为一个思维与行为相统一的过程[4]、独立思考与小组合作相统一的过程、不断构建、修改、分析、评价模型的过程以及知识的获得与探究能力的提高、情感态度体验相统一的过程。
2．4 “DNA分子的结构”教学中存在的问题
  由于DNA分子的结构模型是利用模型盒提供的材料构建的，白色小球代表磷酸、蓝色小球代表脱氧核糖、带凹凸的圆柱代表碱基、粗棒和细棒代表化学键，球体、圆柱、粗细棒等标有所代表物质的字样及插槽，具有明显的暗示作用，造成部分学生未根据有关背景资料、仅凭课本上的DNA分子的结构模式图“造葫芦画瓢”式地、十分迅速地“拼建”DNA分子的双螺旋结构，弱化了模型建构时应有的思维过程，降低了模型方法在提高学生探究能力方面的作用。此外，教师要在45分钟的一节课内指导全班学生建立既形象生动又符合科学事实的实物模型以及建立简化、抽象化的数学模型和概念模型并非易事，需要深刻领会高中生物课程理念内涵、深厚的专业知识积淀以及娴熟的教学技能方可驾驭整个课堂教学，有效地实施模型方法的教学并达到预期的教学目标。
 在高中生物新课程的教学过程中，如何利用不同类型的模型建构过程引导学生探究、解决生物学问题，使模型成为学生认识生物世界的工具，通过对模型的分析、批判与创造性地建构，提高学生的探究能力和思维能力，培养学生的生物科学素养，尚需要我们努力实践模型方法教学策略，在课堂教学中发现问题、解决问题，积累更多的教学经验。

参考文献
[1] 李建华．科学哲学．北京：中共中央党校出版社．2004，367-371
[2] 生物课程标准研制组．普通高中生物课程标准（实验）解读．南京：江苏教育出版社．2004，237-238
[3] 人民教育出版社，课程教材研究所，生物课程教材研究开发中心．普通高中生物课程标准实验教科书—生物必修2—遗传与进化．北京：人民教育出版社．2007，47-50
[4] 谭永平．高中生物学新课程中的模型、模型方法及模型建构．生物学教学，2009(1)，

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