高中生物有關(guān)數(shù)學(xué)模型問題分析
高中生物有關(guān)數(shù)學(xué)模型問題分析
生命科學(xué)是自然科學(xué)中的一個重要的分支。在高中生物課程中，它要求學(xué)生具備理科的思維方式。因此在教學(xué)中，教師應(yīng)注重理科思維的培養(yǎng)，樹立理科意識，滲透數(shù)學(xué)建模思想。下面是學(xué)習(xí)啦小編給大家?guī)淼母咧猩镉嘘P(guān)數(shù)學(xué)模型問題分析，供大家參考!
高中生物有關(guān)數(shù)學(xué)模型問題分析
1 高中生物教學(xué)中的數(shù)學(xué)建模
數(shù)學(xué)是一門工具學(xué)科，在高中的物理與化學(xué)學(xué)科中廣泛的應(yīng)用。由于高中生物學(xué)科以描述性的語言為主，學(xué)生不善于運用數(shù)學(xué)工具來解決生物學(xué)上的一些問題。這些需要教師在平時的課堂教學(xué)中給予提煉總結(jié)，并進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。所謂數(shù)學(xué)建模(Mathematical Modelling)，就是把現(xiàn)實世界中的實際問題加以提煉，抽象為數(shù)學(xué)模型，求出模型的解，驗證模型的合理性，并用該數(shù)學(xué)模型所提供的解答來解釋現(xiàn)實問題，我們把數(shù)學(xué)知識的這一應(yīng)用過程稱為數(shù)學(xué)建模。在生物學(xué)科教學(xué)中，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，對理科思維培養(yǎng)也起到一定的作用。
2 數(shù)學(xué)建模思想在生物學(xué)中的應(yīng)用
2.1 數(shù)形結(jié)合思想的應(yīng)用
生物圖形與數(shù)學(xué)曲線相結(jié)合的試題是比較常見的一種題型。它能考查學(xué)生的分析、推理與綜合能力。這類試題從數(shù)形結(jié)合的角度，考查學(xué)生用數(shù)學(xué)圖形來表述生物學(xué)知識，體現(xiàn)理科思維的邏輯性。
例1：下圖1表示某種生物細(xì)胞分裂的不同時期與每條染色體DNA含量變化的關(guān)系;圖2表示處于細(xì)胞分裂不同時期的細(xì)胞圖像。以下說法正確的是( )
A、圖2中甲細(xì)胞處于圖1中的BC段，圖2中丙細(xì)胞處于圖1中的DE段
B、圖1中CD段變化發(fā)生在減數(shù)Ⅱ后期或有絲分裂后期
C、就圖2中的甲分析可知，該細(xì)胞含有2個染色體組，秋水仙素能阻止其進(jìn)一步分裂
D、圖2中的三個細(xì)胞不可能在同一種組織中出現(xiàn)
解析：這是一道比較典型的數(shù)形結(jié)合題型：從圖2上的染色體形態(tài)不難辨別甲為有絲分裂后期、乙為減Ⅱ后期和丙為減Ⅱ中期;而圖1中的AB段表示的是間期中的(S期)正在進(jìn)行DNA復(fù)制的過程，BC段表示的是存在姐妹染色單體(含2個DNA分子)的染色體，DE 段表示的是著絲點斷裂后的只含1個DNA的染色體。此題的答案是B。
2.2 排列與組合的應(yīng)用
排列與組合作為高中數(shù)學(xué)的重要知識。在減數(shù)分裂過程中，減Ⅰ分裂(中期)的同源染色體在細(xì)胞中央的不同排列方式，在細(xì)胞兩極出現(xiàn)不同的染色體組合，最終形成不同基因組成的配子，這是遺傳的分離定律與自由組合定律細(xì)胞學(xué)證據(jù)。同樣，遺傳信息的傳遞與表達(dá)過程中，也涉及到堿基的排列與密碼子的組合方式。因此，教師在教學(xué)中，從具體的實例出發(fā)，結(jié)合排列與組合知識，解決生物學(xué)上的一些疑難問題。
例2：果蠅的合子有8個染色體，其中4個來自母本(卵子)，4個來自父本(精子)。當(dāng)合子變?yōu)槌上x時，成蟲又產(chǎn)生配子(卵子或精子，視性別而定)時，在每一配子中有多少染色體是來自父本的，多少個是來自母本的?( )
A、4個來自父本，4個來自母本
B、卵子中4個來自母本，精子中4個來自父本
C、1個來自一個親本，3個來自另一親本
D、0、1、2、3或4個來自母本，4、3、2、1或0來自父本(共有5種可能)
解析：染色體在形成配子時完全是獨立分配的，因為在同源染色體發(fā)生聯(lián)會后，二價體在赤道板上的排列方位是完全隨機(jī)的，因此每個配子所得到的4個染色體也是完全隨機(jī)的。每個配干所得到的一套染色體有可能是五種組合中的一種，實際上每種組合又會有不同的情況。如將這4對染色體分別命名為 m1(母源來的第一染色體)以及 m2、m3、m4和p1(父源來的第一染色體)、p2、p3和p4。那么上述情況下，配子有可能是：m1 m2 m3 m 4;m1 p2 p3 p4;m2 p1 p3 p4;m3 p1 p2 p4 ……p1 p2 p3 p4。因此，當(dāng)我們不僅考慮數(shù)量，而且也考慮到質(zhì)量時，4對染色體的配子組合數(shù)應(yīng)為24=16。在只考慮數(shù)量時，此題答案為D。
2.3 數(shù)學(xué)歸納法的應(yīng)用
在平時的教學(xué)中，教師要善于從已有的知識過渡到新知識，詮釋新知識與已有知識的內(nèi)在聯(lián)系與區(qū)別，以利于學(xué)生進(jìn)行同化學(xué)習(xí)。教師通過對一些實例分析、協(xié)助學(xué)生歸納出一般的規(guī)律并構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。學(xué)生通過上位學(xué)習(xí)，把數(shù)學(xué)中的相關(guān)知識融入到生物學(xué)科中來，做到舉一反三。然后通過運用新規(guī)律，進(jìn)一步檢驗、鞏固新知識，并實現(xiàn)知識的正遷移。
例3：若讓某雜合子連續(xù)自交，能表示自交代數(shù)和純合子比例關(guān)系是( )
解析：假設(shè)此雜合子的基因型為Aa、采用數(shù)學(xué)歸納法對雜合子自交的后代概率進(jìn)行推算(一般學(xué)生都會)。自交第一代的雜合子概率為1/2，純合子的概率為1/2(顯、隱性純合子)，自交第二代的雜合子概率為(1/2)2……自交第N代的雜合子概率為(1/2)N，而純合子則為1-(1/2)N，然后再構(gòu)建數(shù)學(xué)曲線模型。本題答案為D。
2. 4 概率的計算
高中生物的遺傳機(jī)率的計算是教學(xué)的難點，教師通過對具體實例的解析，協(xié)助學(xué)生構(gòu)建概率相加與相乘原理。比如：分類用概率相加原理;分步用概率相乘原理。
例4：A a B b×A a B B相交子代中基因型a a B B所占比例的計算。
解析：因為A a×A a相交子代中a a基因型個體占1/4，B b×B B相交子代中B B基因型個體占1/2，所以a a B B基因型個體占所有子代的1/4×1/2=1/8。[由概率分步相乘原理，可知子代個別基因型所占比例等于該個別基因型中各對基因型出現(xiàn)概率的乘積]。
2. 5 生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
生態(tài)學(xué)的一般規(guī)律中，常常求助于數(shù)學(xué)模型的研究，理論生態(tài)學(xué)中涉及到大量的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建的問題。在高中生物學(xué)中有種群的動態(tài)模型研究，如：“J”與“S”型曲線;另外，種間競爭及捕食的數(shù)學(xué)模型等等。
例5：在實驗室中進(jìn)行了兩類細(xì)菌競爭食物的實驗。在兩類細(xì)菌的混合培養(yǎng)液中測定了第Ⅰ類細(xì)菌后一代(即Zt+1)所占總數(shù)的百分?jǐn)?shù)與前一代(即 Zt)所占百分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系。在下圖中，實線表示觀測到的Zt+1和Zt之間的關(guān)系，虛線表示Zt+1=Zt時的情況。從長遠(yuǎn)看，第Ⅰ類和第Ⅱ類細(xì)菌將會發(fā)生什么情況?( )
A、第Ⅰ類細(xì)菌與第Ⅱ類細(xì)菌共存
B、兩類細(xì)菌共同增長
C、第Ⅰ類細(xì)菌把第Ⅱ類細(xì)菌從混合培養(yǎng)液中排除掉
D、第Ⅱ類細(xì)菌把第Ⅰ類細(xì)菌從混合培養(yǎng)液中排除掉
解析：兩類細(xì)菌在實驗條件下，同一環(huán)境中不存在其他生物因素的作用時，競爭的結(jié)果是一種生物生存下來，另一種被淘汰現(xiàn)象。從上述圖形的對角線 (虛線)上可以看出在虛線上任取一點作橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)得到的是相同的數(shù)據(jù)，這說明了同種細(xì)菌后一代與前一代在混合培養(yǎng)液中的比例沒有變化，說明它們之間是共存的，不是競爭關(guān)系。而實線位于虛線下方，用同樣的方法不難得出，第Ⅰ類細(xì)菌的后一代含量比前一代含量減少了，在競爭中是劣勢的種群。本題答案為D。
2.6 生物作圖及曲線分析
生物作圖在近些年的高考試題中經(jīng)常出現(xiàn)，對能力要求比較高，要求學(xué)生會從數(shù)形中提煉出有用的信息。教師在平時的教學(xué)中，可以結(jié)合生物學(xué)知識解決一些難以理解的、比較抽象的圖形和曲線。
例6：有一種酶催化反應(yīng)P+Q→R，右圖中的實線表示沒有酶時此反應(yīng)的進(jìn)程。在t1時，將催化此反應(yīng)的酶加入反應(yīng)混合物中。右圖中的哪條線能表示此反應(yīng)的真實進(jìn)程(圖中[P]、[Q]和[R]分別代表化合物P、Q和R的濃度)?( )
A、Ⅰ B、Ⅱ C、Ⅲ D、Ⅳ E、Ⅴ
解析：A、B和D都不對。酶作為催化劑不能改變化學(xué)反應(yīng)的平衡點即平衡常數(shù)(Keq=[R] /[P][Q])，只能縮短達(dá)到平衡的時間。圖中實線平行于橫坐標(biāo)的線段延長相交于縱坐標(biāo)的那個交點即為此反應(yīng)的Keq。Ⅰ，Ⅱ和Ⅳ三條線顯然都改變了此平衡點。C正確：線Ⅲ反映了加酶后縮短了達(dá)到平衡點的時間而不改變原反應(yīng)的平衡點。E不對：曲線Ⅴ從t1至平衡前的線段不符合加酶后的真實進(jìn)程。
3 生物教學(xué)中數(shù)學(xué)建模的意義
高中生物學(xué)科中涉及到的數(shù)學(xué)建模遠(yuǎn)不及這些，限于篇輻，本文在此只作簡要的歸納。我們知道，實際問題是復(fù)雜多變的，數(shù)學(xué)建模需要學(xué)生具有一定的探索性和創(chuàng)造性。在教學(xué)過程中，充分的運用它能很好的解決一些生物學(xué)實際問題，使學(xué)生對生物學(xué)產(chǎn)生更大的興趣。生命科學(xué)作為一門自然科學(xué)，其理論的深入研究必定會涉及到很多數(shù)學(xué)的問題。在生物學(xué)教學(xué)中，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型正是聯(lián)系數(shù)學(xué)與生命科學(xué)的橋梁。如何將生物學(xué)理論知識轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，這是對學(xué)生創(chuàng)造性地解決問題的能力的檢驗，也是理科教育的重要任務(wù)。
學(xué)好高中生物的三種常用方法
生物學(xué)科雖然在中學(xué)課程中不是主要學(xué)科，但是生物學(xué)是二十一世紀(jì)最有發(fā)展前景的學(xué)科之一，它作為自然科學(xué)領(lǐng)域的帶頭學(xué)科，將會有極大的發(fā)展空間;另一方面，人類社會在新世紀(jì)面臨的人口、糧食、資源、環(huán)境和健康問題將更加突出，而這些問題的解決，都將在很大程度上依賴于生物科學(xué)的進(jìn)步;而且生物學(xué)在高考理科綜合試卷中占有舉足輕重的地位。因此，我們沒有理由不學(xué)好生物。下面是清華大學(xué)附屬中的老師對學(xué)好高中生物學(xué)的一些建議：
1.掌握基本知識要點，“先記憶，后理解”
與學(xué)習(xí)其它理科一樣，生物學(xué)的知識也要在理解的基礎(chǔ)上進(jìn)行記憶，但是，高中階段的生物學(xué)還有著與其它理科不一樣的特點。
對于大家學(xué)習(xí)了許多年的數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)來說，這些學(xué)科的一些基本思維要素同學(xué)們已經(jīng)一清二楚，比如：數(shù)學(xué)中的未知數(shù)X、化學(xué)中的原子、電子以及物理中的力、光等等。而對于生物學(xué)來說，同學(xué)們要思考的對象即思維元素卻是陌生的細(xì)胞、組織、各種有機(jī)物和無機(jī)物以及他們之間奇特的邏輯關(guān)系。因此同學(xué)們只有在記住了這些名詞、術(shù)語之后才有可能掌握生物學(xué)的邏輯規(guī)律，既所謂“先記憶，后理解”。
2.弄清知識內(nèi)在聯(lián)系，“瞻前顧后”、“左顧右盼”
在記住了基本的名詞、術(shù)語和概念之后，同學(xué)們就要把主要精力放在學(xué)習(xí)生物學(xué)規(guī)律上來了。這時大家要著重理解生物體各種結(jié)構(gòu)、群體之間的聯(lián)系，也就是注意知識體系中縱向和橫向兩個方面的線索。
如：關(guān)于DNA，我們會分別在“緒論”、“組成生物體的化合物”和“生物的遺傳和變異”這三個地方學(xué)到，但教材中在三個地方的論述各有側(cè)重，同學(xué)們要前后聯(lián)系起來思考，既所謂“瞻前顧后”。又如：在學(xué)習(xí)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)時，我們會學(xué)習(xí)許多細(xì)胞器，那么這些細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)和功能有何異同呢?這需要大家做了比較才能知道，既所謂“左顧右盼”。
3.深刻理解重點知識，讀書做到“六個W”
對于一些重點和難點知識，大家要深刻理解。如何才能深刻理解呢?大家讀書時要時時思考“六個W”。這六個W分別是：
Who—→誰或什么結(jié)構(gòu)
What—→發(fā)生了什么變化或有什么
How—→怎樣發(fā)生的
When—→什么時間或什么順序
Where—→在什么場所或結(jié)構(gòu)中發(fā)生的
Why—→為什么會發(fā)生這樣的變化
大家在思考中經(jīng)常將這六個W連起來思考肯定會有不小的收獲。除了上述三點以外，同學(xué)們還要堅持在學(xué)習(xí)中不斷探索適合自己的學(xué)習(xí)方法。用辛勤的汗水和科學(xué)的方法一定可以換回優(yōu)異的生物學(xué)習(xí)成績!
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