模型是人們按照特定的科學研究目的,在一定的假設條件下,再現原型客體某種本質特徵(如結構特性、功能、關係、過程等)的物質形式或思維形式的類似物。作為一種現代科學認識手段和思維方法,模型具有兩方面的含義:一是抽象化,二是具體化。一方面,我們可以從原型出發,根據某一特定目的,抓住原型的本質特徵,對原型進行抽象、簡化和純化,建構一個能反映原型本質聯絡的模型,並進而透過對模型的研究獲取原型的資訊,為形成理論建立基礎。另一方面,高度抽象化的科學概念、假說和理論要正確體現其認識功能,又必須具體化為某個特定的模型,才能發揮理論指導實踐的作用。所以,模型作為一種認識手段和思維方式,是科學認識過程中抽象化與具體化的辯證統一[1]。建立模型的過程,是一個思維與行為相統一的過程。透過對科學模型的研究來推知客體的某種效能和規律,藉助模型來獲取、拓展和深化對於客體的認識的方法,就是科學研究中常用的模型方法[2]。
在現代生物學研究中經常使用模型方法,透過尋找變數之間的關係,構建模型,然後依據模型進行推導、計算,作出預測。dna雙螺旋結構的發現過程就是一個非常典型的例子。
模型方法在科學研究中具有重要作用,它在中學生物學課程中也有著重要的教育意義。美國《國家科學教育標準》指出,學生的探究活動最終應該構造一種解釋或一個模型。中國課程標準也很重視模型的教育意義:在課程目標部分對模型有了明確的要求,在具體內容標準和活動建議部分也列出了“嘗試建立真核細胞的模型”、“嘗試建立數學模型”、“製作dna分子雙螺旋模型”等內容。高中生物學教材中,在用語言表述生命現象和生命活動規律的同時,也經常用模型來進行解釋,模型已經成為高中生物學知識內容的一部分。例如,雜交過程圖解事實上就是一個模型,它按遺傳學規律把雜交過程簡化,用以反映和解釋雜交試驗的過程和結果,並能透過演繹推理來預測某些雜交試驗的結果[3]。人教版高中生物新教材《遺傳與進化》中,用了圖解式解釋模型來闡述達爾文自然選擇學說的要點。在某種意義上,理解模型和進行模型建構活動是學生理解生物學的一把鑰匙。
高中生物學課程中的模型建構活動,則是根據課程標準的要求設計的,讓學生結合具體生物學內容的學習而進行的建立模型的活動。值得注意的是,中學生物學課程中的模型建構與科學研究中的建立模型既有聯絡又不完全等同:前者以後者為基礎,它們的思維過程在本質上應是一致的;但兩者的目的不同,建構背景不同,建構過程也不完全相同。高中學生建構模型時,多數是在背景知識清晰的情況下進行的。例如,沃森和克里克建立dna雙螺旋結構模型的目的,是為了揭示當時並不清楚的dna分子結構。他們的工作是建立當時其他科學家已經發現的事實的基礎上的:dna分子由含有4種鹼基的脫氧核苷酸構成的長鏈,而且a的量總是等於t的量,g的量總是等於c的量;x射線衍射法推算出該分子呈螺旋狀,而且否定了該分子是單鏈或4鏈的可能。根據這些事實,沃森和克里克採用模型方法,試探著揭示dna分子的結構。他們在構建模型的過程中,還始終聯絡該分子的功能,能夠自催化(自我複製)和異催化(能作為模板合成其他分子)。經過緊張而又充滿創造性的工作,他們終於成功構建了完全符合已知科學事實的dna分子結構模型。在揭示dna分子結構的過程中,模型方法實際上起到了研究綱領的作用,並形象地表現出分子結構,以方便對各種假說進行驗證。顯然,建立dna雙螺旋結構模型的過程,既有對已知事實的歸納、抽象、簡化、捨去非本質屬性的過程,也有對頭腦中所構想的模型形象化、具體化的過程。所以,dna雙螺旋結構模型是物理模型和概念模型的統一[4]。高中生物學課程中的“製作dna雙螺旋結構模型”的模型建構活動,主要是對已知dna分子為雙螺旋結構的概念進行具體化,所建立的模型是物理模型;其主要目的顯然不是揭示dna分子的結構,而是透過製作物理模型來再現難以直接觀察到的dna分子的結構,加深對dna分子結構特點的認識和理解,並體驗具體化的模型的作用。
可以看出,高中生物學課程中的模型建構活動,其主要價值是讓學生透過嘗試建立模型,體驗建立模型中的思維過程,領悟模型方法,並獲得或鞏固有關生物學概念。
模型是人們按照特定的科學研究目的,在一定的假設條件下,再現原型客體某種本質特徵(如結構特性、功能、關係、過程等)的物質形式或思維形式的類似物。作為一種現代科學認識手段和思維方法,模型具有兩方面的含義:一是抽象化,二是具體化。一方面,我們可以從原型出發,根據某一特定目的,抓住原型的本質特徵,對原型進行抽象、簡化和純化,建構一個能反映原型本質聯絡的模型,並進而透過對模型的研究獲取原型的資訊,為形成理論建立基礎。另一方面,高度抽象化的科學概念、假說和理論要正確體現其認識功能,又必須具體化為某個特定的模型,才能發揮理論指導實踐的作用。所以,模型作為一種認識手段和思維方式,是科學認識過程中抽象化與具體化的辯證統一[1]。建立模型的過程,是一個思維與行為相統一的過程。透過對科學模型的研究來推知客體的某種效能和規律,藉助模型來獲取、拓展和深化對於客體的認識的方法,就是科學研究中常用的模型方法[2]。
在現代生物學研究中經常使用模型方法,透過尋找變數之間的關係,構建模型,然後依據模型進行推導、計算,作出預測。dna雙螺旋結構的發現過程就是一個非常典型的例子。
模型方法在科學研究中具有重要作用,它在中學生物學課程中也有著重要的教育意義。美國《國家科學教育標準》指出,學生的探究活動最終應該構造一種解釋或一個模型。中國課程標準也很重視模型的教育意義:在課程目標部分對模型有了明確的要求,在具體內容標準和活動建議部分也列出了“嘗試建立真核細胞的模型”、“嘗試建立數學模型”、“製作dna分子雙螺旋模型”等內容。高中生物學教材中,在用語言表述生命現象和生命活動規律的同時,也經常用模型來進行解釋,模型已經成為高中生物學知識內容的一部分。例如,雜交過程圖解事實上就是一個模型,它按遺傳學規律把雜交過程簡化,用以反映和解釋雜交試驗的過程和結果,並能透過演繹推理來預測某些雜交試驗的結果[3]。人教版高中生物新教材《遺傳與進化》中,用了圖解式解釋模型來闡述達爾文自然選擇學說的要點。在某種意義上,理解模型和進行模型建構活動是學生理解生物學的一把鑰匙。
高中生物學課程中的模型建構活動,則是根據課程標準的要求設計的,讓學生結合具體生物學內容的學習而進行的建立模型的活動。值得注意的是,中學生物學課程中的模型建構與科學研究中的建立模型既有聯絡又不完全等同:前者以後者為基礎,它們的思維過程在本質上應是一致的;但兩者的目的不同,建構背景不同,建構過程也不完全相同。高中學生建構模型時,多數是在背景知識清晰的情況下進行的。例如,沃森和克里克建立dna雙螺旋結構模型的目的,是為了揭示當時並不清楚的dna分子結構。他們的工作是建立當時其他科學家已經發現的事實的基礎上的:dna分子由含有4種鹼基的脫氧核苷酸構成的長鏈,而且a的量總是等於t的量,g的量總是等於c的量;x射線衍射法推算出該分子呈螺旋狀,而且否定了該分子是單鏈或4鏈的可能。根據這些事實,沃森和克里克採用模型方法,試探著揭示dna分子的結構。他們在構建模型的過程中,還始終聯絡該分子的功能,能夠自催化(自我複製)和異催化(能作為模板合成其他分子)。經過緊張而又充滿創造性的工作,他們終於成功構建了完全符合已知科學事實的dna分子結構模型。在揭示dna分子結構的過程中,模型方法實際上起到了研究綱領的作用,並形象地表現出分子結構,以方便對各種假說進行驗證。顯然,建立dna雙螺旋結構模型的過程,既有對已知事實的歸納、抽象、簡化、捨去非本質屬性的過程,也有對頭腦中所構想的模型形象化、具體化的過程。所以,dna雙螺旋結構模型是物理模型和概念模型的統一[4]。高中生物學課程中的“製作dna雙螺旋結構模型”的模型建構活動,主要是對已知dna分子為雙螺旋結構的概念進行具體化,所建立的模型是物理模型;其主要目的顯然不是揭示dna分子的結構,而是透過製作物理模型來再現難以直接觀察到的dna分子的結構,加深對dna分子結構特點的認識和理解,並體驗具體化的模型的作用。
可以看出,高中生物學課程中的模型建構活動,其主要價值是讓學生透過嘗試建立模型,體驗建立模型中的思維過程,領悟模型方法,並獲得或鞏固有關生物學概念。