生物建模和模拟实验

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1、生物建模和模拟实验徐红玲（发表于2007年第6期《生物学通报》）摘要：构造模型和模拟实验是进行生命科学研究的最常用的一种方法。其本质是对生物结构及生命现象进行模拟。开设生物建模和模拟实验课程，是高中生命科学课程改革的一个大胆尝试，是培养创造型人才的一项有力措施，这项措施必将推动高中生命科学教学改革，有力地促进青少年科技活动的深入开展。关键词：构造模型模拟实验构造模型是人们进行科学研究的常用的一种方法。其本质是对研究对象进行模拟。构造模型常建立在学生已有的知识基础之上，生成于认知结构的最高端，不仅能使学生强烈地感受到生物世界的美妙和神奇，而且更能够使学生激发起探索的意

2、识和创新的欲望。普通高中开设生物建模和模拟实验课程，是生命科学课程改革的一个大胆尝试，也是转变继承性教学思想，树立创造性教育观念，培养具有系统思维，实践能力和创新精神的复合型人才的一项有力措施。这项措施必将推动高中生命科学教学改革，有力地促进青少年科技活动的深人开展。将课本中难以理解的内容以及不可能做的实验，设计成构造模型或者模拟实验，将抽象的知识形象化，让学生动手操作，感悟、体验生物结构和生命运动历程，广大教师作了大量的工作，笔者不揣浅陋，对构造模型和模拟实验进行了一些初步思考，以期专家斧正。1、构造模型由于研究对象与目的差别，构造模型通常分为以下4种类型。1.1

3、结构模型结构模型是指为了解和说明研究对象的结构而设计或构造的模型。最常见的莫过于课本上的生物结构插图了。但是这些插图大多是平面的，缺乏空间感和实物感，而且生物插图在描述生物体的结构时也不能面面俱到，学生在理解插图中各结构之间的位置关系时往往感到困难。然而如果教师能引导学生动手操作建立实物模型，则不但对于学生在头脑中形成空间概念以及达到全面掌握和深刻理解起到事半功倍的作用，而且对于提高学生的动手能力和培养学生对生命科学的兴趣具有及其重要的意义。例如：依据沃森和克里克提出的DNA双螺旋结构，利用硬塑料方框和铁丝作为支架，用圆形、长方形（4种颜色）、五边形塑料片分别代表磷

4、酸基团、4种碱基和脱氧核糖，制作DNA结构模型。再如：利用废旧物品制作生物膜模型：用球形或接近球形的纽扣穿上一根细线，模拟磷脂分子（纽扣模拟磷脂分子的头部，细线模拟磷脂分子的尾部）;用废旧塑料泡沫剪成圆球形，模拟蛋白质分子。1.2功能模型为了解和说明研究对象的功能特点而设计制造的模型。例如：上海二期课改高中《生命科学》高一第1册第2章第3节“生物体内的化学反应”中酶和底物的作用机理模型以及第3章第3节“细胞与外界的物质交换”中，用透析袋做成的细胞膜模型，模拟探究物质的跨膜运输方式等等。1.3数学模型为了更好地理解和反映生物之间、生物与环境之间或者某一生理过程中某种物

5、质量的变化等有关的数值变量函数关系，借助数学思想、数学工具和数学方法，构造函数曲线图，这就是数学模型。在生物学上，经典的数学模型有：在理想环境中的种群数量增长模型（又名“马尔萨斯模型”），种群在有限环境中的增长模型（又名“逻辑斯谛模型”）;再如微生物生长曲线图;有丝分裂及减数分裂过程中染色体和DNA的数目随时间的变化曲线图;光照强度、二氧化碳浓度、温度、光质对光合效率影响曲线图等等。1.4实体模型这是与研究对象最接近的一种模型。本质上它是研究对象的小样本。通常它还必须具有简单、小型、易控制边界条件、易操作等特点。例如：美国科学家于1984年兴建的一个完全封闭的生态实

6、验室，这个实验室就是模拟生物圈的结构和功能建造的，即“生物圈2号”就是一实体模型。再如：在做完“探究植物细胞外液的浓度与质壁分离的关系”实验后，要求学生依据渗透作用原理，设计一个实体模型，来鉴别2种蔗糖溶液的浓度，并贴上标签（已知2种蔗糖溶液分别为30%和10%的，由于未贴标签而混淆不清）。有些学生设计的实验模型如下图所示，根据刻度玻璃管刻度中液面高度的变化来判断蔗糖溶液的浓度;也有部分学生设计了不同的实验模型：他们将等量蔗糖溶液分别装进2个透析袋中，透析袋中各插人1个刻度玻璃生物学管，这2个透析袋放人清水中，再根据2个刻度玻璃管液面上升的高度来判断蔗糖溶液的浓度。

7、在实验设计过程中，不仅让学生巩固、应用之前所学知识，还能让学生充分发挥他们的独创性，能够验证自己的想法，享受实验的乐趣，培养和发展了学生的创新能力。2模拟试验模拟试验是根据相似性原理通过模拟的方法制成研究对象的模型，用模型来代替被研究对象，模拟研究对象的实际情况，来进行实验研究。由于生物学中很多研究对象直接用来实验很困难或者不可能，因而模拟实验成为生物学中一个重要的方法。根据实验结果的属性及实验过程的感受，通常也将模拟实验分为现象模拟实验、过程模拟实验、仿真模拟实验和探究模拟实验。2．1现象模拟实验就是用简单的实验方法，方便的实验材料，用明显的实验现象来模拟难以