巧用物理模型 突破生物學(xué)教學(xué)難點(diǎn)

欒璐

摘要 結(jié)合教學(xué)實(shí)踐案例，概述了生物教學(xué)過(guò)程中根據(jù)不同教學(xué)內(nèi)容建構(gòu)不同的物理模型來(lái)突破教學(xué)難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 物理模型 模型建構(gòu) 生物學(xué)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào) G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）要求培養(yǎng)全體高中學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。教師可通過(guò)培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力的培養(yǎng)，從而提高學(xué)生的思維與認(rèn)知水平，進(jìn)而幫助學(xué)生理解與掌握所學(xué)的生物學(xué)知識(shí)。怎樣巧妙建構(gòu)物理模型來(lái)突破教學(xué)難點(diǎn)，是值得高中生物學(xué)教師研究探討的課題。

1物理模型在生物教學(xué)難點(diǎn)突破中的作用

物理模型是以實(shí)物或圖畫(huà)形式直觀地表達(dá)認(rèn)識(shí)對(duì)象的特征的模型，可以分為結(jié)構(gòu)模型和過(guò)程模型兩種，其中過(guò)程模型與概念模型有所交叉，如血糖調(diào)節(jié)的物理模型。

教師開(kāi)展建構(gòu)物理模型教學(xué)，能夠讓學(xué)生更直觀形象地體驗(yàn)知識(shí)的形成過(guò)程，加強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，使學(xué)生在從具體到抽象的認(rèn)識(shí)過(guò)程中發(fā)生認(rèn)知沖突，從而促進(jìn)認(rèn)知水平的發(fā)展，大大提高學(xué)習(xí)的效率。例如，高中生物學(xué)《必修1·分子與細(xì)胞》基于細(xì)胞這一最基本的生命系統(tǒng)展開(kāi)。細(xì)胞體積微小，只能借助顯微鏡觀察到一些結(jié)構(gòu)，這使得學(xué)生對(duì)一些細(xì)胞結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)非常抽象和片面。因此，教師引導(dǎo)學(xué)生利用生活中的材料如桔子皮、花生、芝麻、綠豆等建構(gòu)真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型，既生動(dòng)直觀，又讓學(xué)生形象且深刻地認(rèn)識(shí)和理解細(xì)胞結(jié)構(gòu)。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行物理模型建構(gòu)的過(guò)程教學(xué)也是一種科學(xué)探究的過(guò)程，要求學(xué)生在明確目標(biāo)的基礎(chǔ)上，由已知去推導(dǎo)未知，遵循科學(xué)規(guī)律，選擇科學(xué)的研究方法，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際是否相符，從而提升的學(xué)生的分析綜合能力、思維推理能力、合作創(chuàng)新能力等，突破教學(xué)難點(diǎn)，提升學(xué)科核心素養(yǎng)。教師在引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)物理模型的過(guò)程中，需要充分研讀教材內(nèi)容與課程標(biāo)準(zhǔn)，明確相關(guān)建模內(nèi)容，選擇恰當(dāng)?shù)慕７绞竭M(jìn)行課堂教學(xué)。在此過(guò)程中，教師不僅豐富了自身的知識(shí)，提升了自身的能力，同時(shí)還更新了教學(xué)觀念。

2物理模型在生物教學(xué)難點(diǎn)突破中的應(yīng)用

物理模型是實(shí)施課堂教學(xué)的載體，是否選用物理模型進(jìn)行教學(xué)，選擇何種物理模型，應(yīng)視教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)達(dá)成的需求而定。

2.1巧用物理模型，促進(jìn)學(xué)生從平面到立體地認(rèn)識(shí)相關(guān)結(jié)構(gòu)

生物學(xué)教學(xué)過(guò)程，包含許多結(jié)構(gòu)方面的內(nèi)容，學(xué)生只有充分了解相關(guān)結(jié)構(gòu)，才能理解其功能。書(shū)本只是以平面圖的形式呈現(xiàn)有關(guān)結(jié)構(gòu)，大大限制了學(xué)生的認(rèn)知。因此，教師利用物理模型，可以幫助學(xué)生從立體的角度更好地了解其結(jié)構(gòu)。

例如，教師利用百變魔尺建構(gòu)蛋白質(zhì)的多樣結(jié)構(gòu)。人教版高中生物必修1的“生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者——蛋白質(zhì)”這節(jié)內(nèi)容的難點(diǎn)是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的多樣性。教師利用百變魔尺中不同顏色的三角塊模擬不同的氨基酸。學(xué)生通過(guò)增減三角塊構(gòu)建不同的多肽，總結(jié)得出：氨基酸的種類(lèi)、數(shù)目、排列順序不同，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)不同。接著，教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)百變魔尺不同的折疊方式，讓學(xué)生體會(huì)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)，再在其基礎(chǔ)上進(jìn)行盤(pán)曲折疊形成三級(jí)結(jié)構(gòu)，一條或多條肽鏈集合在一起構(gòu)成具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子。學(xué)生通過(guò)建構(gòu)蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)模型，理解“多肽鏈的盤(pán)曲折疊方式不同，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)不同”。

又如，學(xué)生利用半球形空心泡沫板、有洞乒乓球、牙簽、超輕黏土建構(gòu)生物膜的結(jié)構(gòu)。在必修1“生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型”這節(jié)中，生物膜的結(jié)構(gòu)由幾種成分怎樣構(gòu)成是其難點(diǎn)。教師先提供有洞乒乓球和牙簽，讓學(xué)生建構(gòu)磷脂分子在水—空氣界面的排布;接著，引導(dǎo)學(xué)生思考，建構(gòu)磷脂分子在水溶液中的排布。學(xué)生結(jié)合磷脂分子頭部的親水性和尾部的疏水性，會(huì)建構(gòu)出球形的頭部朝外、尾部朝內(nèi)的結(jié)構(gòu)模型。教師再引導(dǎo)學(xué)生思考生物膜上磷脂分子的排布方式，多數(shù)學(xué)生會(huì)排布成磷脂雙分子層的平面結(jié)構(gòu)模型;然后，引導(dǎo)學(xué)生思考立體細(xì)胞中膜結(jié)構(gòu)如何建構(gòu)，學(xué)生利用提供的半球形空心泡沫板建構(gòu)立體結(jié)構(gòu)模型。最后，學(xué)生將超輕黏土做成的蛋白質(zhì)整合到已建構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)模型中，從而理解蛋白質(zhì)的不同分布，如鑲、部分嵌入或全部嵌入、貫穿磷脂雙分子層等。學(xué)生通過(guò)建構(gòu)生物膜的立體結(jié)構(gòu)模型充分理解各種成分在膜上的分布。

2.2巧用物理模型，促進(jìn)學(xué)生從現(xiàn)象到本質(zhì)地理解相關(guān)復(fù)雜生理過(guò)程

生物學(xué)教學(xué)涉及到許多復(fù)雜的生理過(guò)程，學(xué)生很難通過(guò)書(shū)本文字和圖片理解其過(guò)程。因此，教師利用物理模型，可以幫助學(xué)生更好地理解其過(guò)程。

例如，教師利用打印模型紙建構(gòu)蛋白質(zhì)翻譯過(guò)程模型，幫助學(xué)生理解“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”。教師提供：有堿基排列順序的長(zhǎng)條紙模擬mRNA，“倒葫蘆”形帶切口的紙片模擬核糖體，“三葉草”形的紙片模擬tRNA，長(zhǎng)方形的紙片模擬氨基酸，回形針模擬形成的肽鍵。學(xué)生首先讓核糖體與mRNA結(jié)合，通過(guò)利用相應(yīng)tRNA轉(zhuǎn)運(yùn)相應(yīng)氨基酸，氨基酸之間發(fā)生脫水縮合，然后核糖體沿著mRNA移動(dòng)依次讀取密碼子（圖1）。在建構(gòu)翻譯過(guò)程的模型中，學(xué)生會(huì)產(chǎn)生一些困惑：從哪端開(kāi)始讀取密碼子？tRNA先與氨基酸結(jié)合還是先與mRNA進(jìn)行互補(bǔ)配對(duì)？是核糖體沿著mRNA移動(dòng)，還是mRNA沿著核糖體移動(dòng)？讀取到什么密碼子結(jié)束？......教師引導(dǎo)學(xué)生分析、解答困惑，使學(xué)生深入理解翻譯過(guò)程，促使學(xué)生建構(gòu)出正確的翻譯過(guò)程模型。由于紙片比較容易破壞，建議可以嘗試用薄塑料紙代替，這樣氨基酸和tRNA可以通過(guò)雙面膠結(jié)合，氨基酸之間也可以連接，并能重復(fù)利用。另外，教師還可以讓學(xué)生模擬一條mRNA上結(jié)合多個(gè)核糖體，發(fā)現(xiàn)合成出來(lái)的多肽鏈相同，并提高翻譯的效率。

2.3巧用物理模型，幫助學(xué)生從抽象到具體地理解相關(guān)生物技術(shù)手段

在學(xué)習(xí)生物學(xué)技術(shù)時(shí)，這些技術(shù)離學(xué)生的生活非常遙遠(yuǎn)，學(xué)生很難理解其技術(shù)原理和過(guò)程。因此，教師可運(yùn)用物理模型，幫助學(xué)生更好地理解其技術(shù)原理和過(guò)程。

例如，學(xué)習(xí)“單克隆抗體”時(shí)，教師利用6孔培養(yǎng)板、不同顏色的小球、不同顏色“Y”形紙片、圓孔磁鐵建構(gòu)克隆化培養(yǎng)和專(zhuān)一抗體檢測(cè)模型，幫助學(xué)生理解。學(xué)生利用不同顏色的小球模擬不同的雜交瘤細(xì)胞，通過(guò)稀釋到不同的小孔中進(jìn)而增殖，產(chǎn)生不同顏色的“Y”形抗體，利用帶有圓孔磁鐵的藍(lán)色紙片模擬特異性抗原，與相應(yīng)的帶有磁性的藍(lán)色抗體結(jié)合，從而篩選出陽(yáng)性孔中能產(chǎn)生特異性抗體的雜交瘤細(xì)胞。學(xué)生通過(guò)建構(gòu)克隆化培養(yǎng)和專(zhuān)一抗體檢測(cè)模型（圖2），將抽象的生物技術(shù)具體化，深入理解其原理和操作要點(diǎn)。由于抗原和抗體的特異性結(jié)合是基于兩者結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)性和親和性，教師可以將上述抗原和抗體的模型進(jìn)行改進(jìn)，不用圓孔磁鐵，就用磁性貼制作抗原和抗體，并在其形狀上體現(xiàn)其互補(bǔ)性，使其更具有科學(xué)性。

3物理模型在生物教學(xué)難點(diǎn)突破中的延伸

學(xué)生不僅可以在建構(gòu)物理模型的過(guò)程中加深對(duì)所學(xué)難點(diǎn)知識(shí)的理解，還能利用已經(jīng)建構(gòu)的物理模型來(lái)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。

例如，學(xué)生可在已經(jīng)建構(gòu)的生物膜的模型基礎(chǔ)上，結(jié)合磷脂分子的特性思考如何分別包裹脂溶性物質(zhì)和水溶性物質(zhì)，運(yùn)用結(jié)構(gòu)與功能觀理解生物膜的功能，從而進(jìn)一步思考物質(zhì)如何進(jìn)出細(xì)胞。

運(yùn)用物理模型突破生物教學(xué)難點(diǎn)的實(shí)施策略是現(xiàn)今高中生物教學(xué)研究的熱點(diǎn)，教師要善于對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行深度挖掘，多閱讀與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的書(shū)籍及突破教學(xué)難點(diǎn)的不同方法，關(guān)心前沿科技的發(fā)展，鼓勵(lì)學(xué)生積極思考，大膽創(chuàng)新，建構(gòu)科學(xué)合理的物理模型，并且不斷地從“建模-析模-修模-用?！敝邪l(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。建構(gòu)物理模型既是教師突破教學(xué)難點(diǎn)的重要手段，也是學(xué)生積極主動(dòng)學(xué)習(xí)成果的展現(xiàn)。

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