生物學(xué)中的模型

生物學(xué)中的模型實行新課標(biāo)之后，在全國高考生物科考試大綱考試內(nèi)容部分考核目標(biāo)與要求中，關(guān)于實驗與探究能力有如下要求：具有對一些生物學(xué)問題進(jìn)行初步探究的能力，包括運用觀察、實驗與調(diào)查、假說演繹、建立模型與系統(tǒng)分析等科學(xué)研究方法。其中建立模型是新課標(biāo)探究教學(xué)中一個難點。下面就模型的種類、構(gòu)建和轉(zhuǎn)換特點進(jìn)行具體的分析。1．模型的概念和種類必修1教材對模型的定義是：“模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對認(rèn)識對象所做的一種簡化的描述，這種描述可以是定性的，也可以是定量的；有的借助于具體的實物或其他形象化的手段，有的則通過抽象的形式來表達(dá)”?！睹绹鴩铱茖W(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中的表述是：“模型是與真實物體、單一事件或一類事物對應(yīng)的而且具有解釋力的試探性體系或結(jié)構(gòu)。關(guān)于模型的形式或種類，不同論著中的說法有所相同。人教版新教材中所說的三種模型的含義如下：物理模型是指以實物或圖畫形式直觀地表達(dá)認(rèn)識對象特征的模型，如人工制作或繪制的DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型、真核細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)模型等；概念模型是指以文字表述來抽象概括出事物本質(zhì)特征的模型，如對真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)共同特征的文字描述、光合作用過程中物質(zhì)和能量的變化的解釋、達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說的解釋模型等；數(shù)學(xué)模型是指用來描述一個系統(tǒng)或它的性質(zhì)的數(shù)學(xué)形式，如“J”型種群增長的數(shù)學(xué)模型Nt二NO入t。應(yīng)該指出，物理模型既包括靜態(tài)的結(jié)構(gòu)模型，如真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型、細(xì)胞膜的流動鑲嵌模型等；又包括動態(tài)的過程模型，如教材中學(xué)生動手構(gòu)建的減數(shù)分裂中染色體變化的模型、血糖調(diào)節(jié)的模型等。下面這道試題就是要求學(xué)生判斷模型種類的：（2008年汕頭市一模，10?）模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對認(rèn)識對象所作的一種簡化的概括性的描述。模型的形式有多種，下列各項中正確的是：沃森和克里克的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型屬于物理模型種群增長模型屬于生物模型血糖調(diào)節(jié)模型屬于化學(xué)模型生物膜的流動鑲嵌模型屬于概念模型（參考答案與解析：種群增長模型屬于數(shù)學(xué)模型，血糖調(diào)節(jié)模型屬于動態(tài)物理模型，生物膜的流動鑲嵌模型屬于物理模型；選A）模型的構(gòu)建和重建我們在課本上可以看到許多模型構(gòu)建的具體實例，如嘗試制作真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型，利用廢舊物品制作生物膜模型，建立動態(tài)的血糖調(diào)節(jié)的模型，培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化模型等。通過具體的構(gòu)建體驗，可以加深對模型特點的認(rèn)識，理解模型在反映事物或過程方面的簡化和直觀性。下面是筆者在細(xì)胞呼吸部分復(fù)習(xí)呼吸方式判斷時，與學(xué)生一起構(gòu)建的有氧呼吸和無氧呼吸同時進(jìn)行時，兩者比例關(guān)系的數(shù)學(xué)模型：生物同時進(jìn)行有氧呼吸和無氧呼吸時，假設(shè)兩者氧化分解葡萄糖為M,釋放的總能量為QkJ，則有：有氧呼吸和酒精生成途徑消耗葡萄糖物質(zhì)的量的比：XC6H1206————2870XkJ（有氧呼吸）；YC6H12O6222YkJ（酒精生成途徑）。則：X+Y二M；2870X+222Y二Q。X/Y二。即：y=kx（k=）有氧呼吸和乳酸生成途徑消耗葡萄糖物質(zhì)的量的比：XC6H12O6-一2870XkJ（有氧呼吸）；YC6H12O6196.65YkJ（乳酸生成途徑）。則：X+Y=M；2870X+196.65Y二Q。X/Y二。即：y=kx（k=）在原有模型的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步加深或拓展對重點問題的認(rèn)識，可以適當(dāng)進(jìn)行典型模型的進(jìn)一步分析和重建，以提高學(xué)生對相關(guān)模型的認(rèn)知能力。以種群數(shù)量變化曲線為例，課本上的數(shù)學(xué)模型是反映種群數(shù)量隨時間的變化特點（左上圖）。在重建模型時可以考慮將種群數(shù)量改為種群數(shù)量增長率，就可以分析得出右上圖所示的數(shù)學(xué)模型。在實際解題過程中遇到數(shù)學(xué)曲線模型分析和重建的情況也非常多。下面是兩個典型的例子：（汕頭市2008年一模，13．）下圖中，如果橫坐標(biāo)改變，則曲線的變化趨勢最大的是①將橫坐標(biāo)的“光照強度”改為“C02濃度”②將橫坐標(biāo)的“溫度”改為“02濃度”C?③將橫坐標(biāo)的“有絲分裂”改為“減數(shù)分裂第二次分裂”D.④將橫坐標(biāo)的“血糖濃度”改為“內(nèi)環(huán)境溫度”不難看出，本題的命題意圖就是要通過數(shù)學(xué)模型的重新構(gòu)建來考察學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容的掌握情況。如果能夠按要求準(zhǔn)確畫出下面的數(shù)學(xué)模型，是不難做出正確選擇的。（汕頭市2008年一模，16．）將一盆栽植物橫放于地，則其水平方向的主根近地一側(cè)生長素濃度變化的曲線為：（圖中虛線表示對根生長既不促進(jìn)也不抑制的生長素濃度）許多同學(xué)在解題時都選擇了C,其主要原因在于沒有注意到模型的重建，錯誤地將生長素濃度看做生長素濃度對根生長的影響。其實正確選項A就是下面數(shù)學(xué)模型的變形：模型間的轉(zhuǎn)換采用不同的模型來簡化特定生物學(xué)問題，幫助學(xué)生深刻認(rèn)識問題的變化規(guī)律和實質(zhì)，是非常有效的一種表達(dá)手段。利用模型間的轉(zhuǎn)換來考察學(xué)生對相關(guān)生物學(xué)問題的認(rèn)識水平，也越來越頻繁地出現(xiàn)在高考試題中。例如：（2007年，全國卷丨）5、下圖表示用3H—亮氨酸標(biāo)記細(xì)胞內(nèi)的分泌蛋白，追蹤不同時間具有放射性的分泌蛋白顆粒在細(xì)胞內(nèi)分布情況和運輸過程。其中正確的是（）顯然，該題是將課本上的相關(guān)物理模型（見必修1第48頁資料分析：豚鼠胰腺腺泡細(xì)胞分泌物形成過程圖解）轉(zhuǎn)換成了數(shù)學(xué)模型，考察學(xué)生的模型轉(zhuǎn)換能力。類似地，在下面這道題目中中也做了同樣的考察：（2008年佛山市普通高中高三教學(xué)質(zhì)量檢測（一），2．）科學(xué)家提供踮S標(biāo)記的氨基酸培養(yǎng)哺乳動物的乳腺細(xì)胞，測量細(xì)胞合成并分泌乳腺蛋白過程中各種膜結(jié)構(gòu)的面積變化，結(jié)果如下圖。下列選項表示a、b、c所代表的膜結(jié)構(gòu)名稱以及放射性標(biāo)記出現(xiàn)的先后順序，正確的是：A.a核糖體Tb內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Tc高爾基體B.a內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Tb高爾基體Tc細(xì)胞膜a高爾基體Tc內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Tb細(xì)胞膜D.a內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Tc高爾基體Tb細(xì)胞膜（參考答案：D）不難看出，模型的特點就是以簡化和直觀的形式來顯示復(fù)雜事物或過程。數(shù)學(xué)模型和物理模型都是通過圖解的形式將事物的特點或變化規(guī)律勾畫出來，也都能夠定性和定量地準(zhǔn)確描述。但是，數(shù)學(xué)模型在定量描述上更加直觀；而物理模型則在定性描述上更加形象。概念模型由于是文字性高度的概括和歸納，可以很好地幫助我們?nèi)胬斫庀嚓P(guān)問題的實質(zhì)。例如在細(xì)胞呼吸的概念中（指有機物在細(xì)胞內(nèi)經(jīng)過一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他產(chǎn)物，釋放出能量并生成ATP的過程。），點明了關(guān)于細(xì)胞呼吸的反應(yīng)物，反應(yīng)場所，反應(yīng)性質(zhì)，反應(yīng)產(chǎn)物，能量變化等特點。培養(yǎng)