运用模型方法解决生物学问题，本文主要内容关键词为：生物学论文,模型论文,方法论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
我国普通高中生物课程标准明确地将生物学模型与生物学基本事实、概念、原理、规律等并列为学科知识的重点[1]。解决生物学问题是巩固、深化、活化生物学知识的途径，是发展学生能力、训练学生掌握科学方法的有效学习活动。生物学模型方法是解决生物学问题的一种逻辑方法。
1 对模型方法的理解
模型方法是以研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法，是逻辑方法的一种特有形式。模型舍去了原型的一些次要的细节、非本质的联系，以简化和理想化的形式去再现原型的各种复杂结构、功能和联系，是连接理论和应用的桥梁[2]。
笔者对高中生物课程中使用的生物学模型进行了分类，并将其归纳为如下：
2 模型方法在生物学问题解决中的教学策略
一般而言，对于生物学问题的拟题，主要是拟题者根据自己头脑中选择的一个理想化的生物学模型，再结合某些生物学事实，给出已知条件，提出需要得出的生物学结论。对于解题者来说，整个解题过程可以说是还原生物模型的过程，学生解题时头脑中所建立的生物模型，应与拟题者拟提供的生物学模型一致。
2.1 运用已经建立的生物学模型解决生物学问题
2.1.1 运用物质模型解决生物学综合问题，增强模型意识。高中生物学研究的是生物的共性，是生命本质的特征。生物学科内的综合是生物学科本身的特点。因此，将相关的知识通过一定的方式有机地组合起来，形成生物学知识的结构和体系是生物学教学的重要方法。运用生物学的物质模型，可以便捷地将相关知识进行综合，提高学生的综合能力，增强学生的模型意识。
例如，有关以生物细胞结构为基础的代谢、生殖、遗传等内容的综合问题，可以引导学生运用细胞结构模型这种物质模拟模型来分析问题。一方面，通过细胞模型来解释生物原型，认识模型与原型的不同（动植物细胞的模型是真实细胞的简约化和抽象化的结果，如蛔虫细胞没有线粒体、根尖细胞一般没有叶绿体是原型的特殊性，并不能由此说明细胞模型的错误）。另一方面，模型是一个有机的系统。一个大的模型中有一些子模型，一个模型的不同方面又有相关模型，它们之间连接成一个模型系统。如细胞模型系统中，各细胞器的结构模型是其子模型，细胞的呼吸作用、矿质元素的吸收、DNA指导蛋白质的合成等生理过程是其相关模型。这样，从整个模型系统来考虑细胞才可能对细胞有一个更全面、更深刻的认识。
2.1.2 合理移植思想模型，活化模型方法。生物体的生理过程，在教学中往往以思想模型形式让学生理解和建构。如何将这些已建立的模型和实际的生物学问题相匹配，既是模型的应用，也是模型的移植过程。因此，在教学中不仅要教会学生了解生物学模型，更要引导学生分析建模范例，体会模型是如何建立的，使学生主动参与用心体验模型的再发现过程。如DNA指导蛋白质合成过程：
这是在绝大部分以DNA为遗传物质的生物的基础上建立的模型，再以少部分以RNA为遗传物质的生物为补充进行完善的。运用这个思想模型不仅可以解决真核细胞、原核细胞等以DNA为遗传物质的生物的基因决定性状的相关问题，而且可以分析以HIV、SARS等为背景的遗传信息传递的有关问题。
2.1.3 将生物事实模型化，挖掘模型的数学特征。生物学计算问题往往是学生最感头痛的问题，究其原因，主要是由于方法问题。生物学计算题一般是基于生物学事实基础上，根据生物学规律进行相关推理、演算，从而得出结果。模型方法可以将生物事实模型化，在模型中挖掘数学特征，从而解决问题，这具有特别的效果，如遗传计算、种群频率计算等。
例题：调查某草原田鼠数量时，在设置1km[2]的调查区内，放置100个捕鼠笼，一夜间捕获鼠32头，将捕获的鼠经标记后在原地释放。数日后，在同一地方再放置同样数量的捕鼠笼，这次共捕获30头，其中有上次标记过的个体10头。问该地区田鼠个体总数为多少？
本题的生物学事实可以转化为标记重捕法计算种群数量的数学模型N:a=b:c（其中N表示种群数量，a表示第一次捕获并标志的数量，b表示第2次捕获数量，c表示第2次捕获的标记个体数量），于是问题也就迎刃而解了，且合理地将生物事实转化为数学模型。在教学中教会学生数学模型方法，可以使学生透过现象抓住事物的本质，较快地解决问题，提高效率。生物学中有许多类似模型，如种群年龄组成的数学模型、种群数量增长的理论计算公式、“J”型增长数学模型、“S”型增长数学模型等等。
2.1.4 理解模型方法，体现模型探究功能。探究性问题以调动学生的思维而见长，越来越被重视。模型方法通过运用抽象化、简化、分析、推理、具象思维等形式去再现原形的各种复杂结构、功能和联系。生物模型的建立是在抽取的生物对象的基础上，寻找生物对象在发生、发展、遗传等生命过程中的定量或定性规律，它对探究思维的形成具有重要作用。解决探究性问题的关键是要理解模型方法，理解模型建立的思维过程。合理运用模型方法，为探究性问题的解决和培养探究性思维都具有促进作用。例如，2003年高考全国卷中对脊蛙神经根功能的探究，根据给定的一定电刺激所作出的反应，判断神经根的功能。该题并不是考查关于脊神经背根和腹根的功能知识，而是要求运用提供的脊髓横切模型，根据电刺激的部位和产生反应的关系，经过分析，推断脊神经背根和腹根的功能。这是一种典型的“黑箱模型”[3]，体现了模型的直观化和简化的科学探究功能。2006年全国高考理综卷Ⅰ的探究题“关于验证叶片在光合作用和呼吸作用过程中有气体的产生和消耗”也是类似的思维方式。
2.2 学会建立模型，并利用模型得出科学的结论，提高建模能力
生物学问题的解决，有的需要学生利用原有生物学模型，重新建立新的模型，并利用该模型进行分析，准确地找出解题的方法。例如，小麦品种是纯合体，生产上用种子繁殖，现要选育矮秆(aa)、抗病(BB)的小麦新品种；马铃薯品种是杂合体（有一对基因杂合即可称为杂合体），生产上通常用块茎繁殖，现要选育黄肉(Yy)、抗病(Rr)的马铃薯新品种。请分别设计小麦品种间杂交育种程序，以及马铃薯品种间杂交育种程序。要求用遗传图解表示并加以简要说明（写出包括亲本在内的前3代即可）。此题实际上要求学生利用所给的条件，建立一个生物学育种模型，考查学生的初步建模能力。首先，将小麦与马铃薯分开考虑，减少一些不必要的干扰。其次，分析相关变量，能从复杂的现象中分析矮秆和高秆、抗病和不抗病、黄肉和非黄肉等相对性状。第三，根据已有的两对相对性状的自由组合模型，确定亲本，建立小麦品种间杂交的生物模型。对于马铃薯的种间杂交育种程序要求在确定亲本基因型基础上，利用自由组合定律模型和营养生殖模型重新建立一个新的育种模型，这就要求考生具有综合性和创造性的建模能力。最后，对结果进行预测。
3 解题教学中运用模型方法的体会
3.1 注意在解题中教给方法
在运用生物学模型方法解题时，要防止只粗略地介绍模型的知识而忽视模型方法。
3.2 防止将模型当作绝对真理或实物去认识和应用
模型是原型的一种抽象，是在一定条件和范围内建立的，并不是原物本身。因此，运用生物模型方法去解决生物学问题时要注意条件或做必要的修正，如基因分离规律模型对于细胞质遗传及无性生殖过程就不能应用。
3.3 生物科学史为模型方法提供了丰富的材料
生物学发展史上许多典型的建模案例，如生长素的发现、DNA是主要的遗传物质、DNA分子结构等，为培养学生生物学模型方法，提高建模能力提供了丰富的素材。因此，充分挖掘教材的建模范例，培养模型方法，是提高解决生物学问题能力的一个有效途径。
生物学模型方法是生物教学的一个重要内容，是进行科学方法教育必须贯彻落实的重要组成部分。运用模型方法解决生物学问题，可以充分、有效地发挥模型方法的功能，提高学生生物学素养。