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模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所作的一种简化的概括性的描述,这种描述可以是定性的,也可以是定量的,有的借助于具体的实物或其他形象化的手段,有的则通过抽象的形式来表达.模型的形式很多,包括物理模型、数学模型、概念模型等.
数学模型是联系数学与实际问题的桥梁,是数学在各个领域广泛应用的媒介,是数学科学技术转化的主要途径.教学过程中,笔者尝试用数学模型解决有关生物问题,可以提高学生分析问题和解决问题的能力;同时,也使相关复杂的生物问题变得直观、简单和一目了然.
下面就是笔者在实际教学中,通过创建几种数学模型,来解决相关生物问题的几个案例.
1 创建几何模型,解决生物问题
几何模型指通过创建立体几何图形,根据几何图形相关知识(如定理、公理等),直观而形象的解决相关生物问题.
例如:现行高中生物人教版必修1,在介绍细胞不能无限长大时,设计了一个“细胞大小与物质的关系”的实验.该实验的设计,笔者认为值得商榷.原因有以下几点.
(1)纵观整个高中生物教材,在展示细胞形态时,大部分情况下,都是以近似于球形的形态出现,而该实验却偏偏将细胞设计成了类似于边长3cm、2cm、1cm的正方体形状.这一点与学生平时的认知有严重冲突,学生不易理解.
(2)现行教材在实施“细胞大小与物质运输的关系”实验步骤时,是这样设计的:“将3cm、2cm、1cm的正方体放在烧杯内,加入NaOH溶液,将琼脂块淹没,浸泡10min,用塑料勺不时翻动琼脂块,然后用塑料勺将琼脂块从NaOH溶液中取出来,用塑料刀把琼脂块切成两半,观察切面,测量每块上NaOH扩散的深度”.
以上过程在实际操作中存在的问题很多,首要问题是将琼脂块切开了,不一定能看到酚酞浸入,即使能看到酚酞浸入了,但由于扩散速度的不均匀,深度也不易测量和计算.鉴于以上原因,笔者摸索出了通过创建几何模型的方法,直观地向学生阐述:细胞为什么不能无限长大的原因.
首先假设细胞就是球形,那么它的表面积就相当于细胞的细胞膜.根据细胞膜具有控制物质进出的功能,可以将细胞膜的表面积理解为:细胞单位时间所摄人的营养物质的量;则表面积与体积的比值就可以理解为:细胞单位时间单位体积所摄入的营养物质的量.根据球形表面积、体积的数学公式,推出S/V等于4πR2/(4/3πR3)等于3/R,当S/V等于3/R-0时,得出R-+∞.文字含义就可以表示为:细胞单位时间、单位体积摄入营养物质的量为零时,细胞