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浅析数学理念和方法在生物教学中渗透.doc
浅析数学理念和方法在生物教学中的渗透
江苏省兴化市安丰高级中学 陈洪根 225766
摘要 数学思想可解决生物学中的隐蔽抽象的问题,数学方法可解决生物学中错综复杂的数量关系,这些都是新版《生物课程标准》和高考能力的必然要求。
关键词 理念 方法 生物学教学 渗透
细胞或生物体的代谢、生长、繁殖等生命活动的规律隐蔽抽象,蛋白质中氨基酸的排列方式、遗传学中的各种概率等数量关系错综复杂,这些都给生物学的教与学带来了一定的难度。数学作为甄别学生智力和能力的重要工具性的应用科学,曾被人们视为“思维训练的体操”。在生物教学中,培养“使用数学”的意识,既可顺应新一轮课程改革的步伐(新颁布的普通高中《生物课程标准》首次提出了“利用数学方法处理、解释数据”的能力目标),同时也是高考能力的必然要求。教学实践表明,引进数学理念,对相关问题进行定量分析,远比空洞的定性描述更富说服力和感染力;运用数学方法,则可化抽象为具体,变模糊为清晰,使复杂成简单。
1 数学思想的应用
1.1 理论教学中进行定量分析
生物学理论知识的教学中应用数学计算进行定量分析,可使晦涩含蓄的问题变得生动鲜明。现以“表面积与体积的比”这一背景素材为例,作一粗浅的探索。
1 解释微生物的代谢特点
微生物的代谢异常旺盛。对此,不少同学感到似有说教之嫌。在教学中,我以球体为例,让同学分别回忆出其表面积与体积的计算公式后再进行计算:
S表=4πR2,V体=πR3,S表/ V体=4πR2/πR3 =
显然,半径越小,比值越大。由于微生物形体微小(细菌细胞的直径仅1∽2μm,一般动植物细胞的直径为20∽30μm),如将其看作球体,该比值会相当大,单位体积内含物分摊到的表面积增大,细胞的代谢速率必然大增。
2 解释细胞的分裂
随着细胞的长大,细胞体积增大,内含物也随之增多,用于物质交换的表面积便显得不够用。假设细胞是一个半径为1μm的球体,依上述公式可计算出其表面积为12.5μm2,体积为4.1μm3,表面积与体积的比值为3:1,若细胞长大至为原半径的4倍的球体,则表面积与体积的比值为0.7:1,显然单位体积细胞内含物所分摊到的表面积不足以满足物质的进出,成为细胞代谢的限制因素。解决的办法是细胞一分为二,即细胞进行分裂。仍以上例说明,一个体积为268μm3的球体,一分为二,则得到两个体积为134μm3的球体,每个球体的表面积为401μm2,表面积与体积之比骤增至3:1,细胞的代谢速率必将大增。
3 解释动物体型和生活环境的关系。
同类的哺乳动物,在寒冷地带生活的个体比热带的个体大。原来,寒冷地带的动物,相对体积大,表面积小,因而表面积与体积的比值小,有利于减少热量散失和保持体温的恒定。相反,在热带生活的动物,表面积与体积的比值大,有利于散热和保持体温的恒定。可见,动物体型和生活环境这种抽象隐含的关系通过鲜明的数学计算,其原理昭然若揭。
1.2 集合思想的应用
生物学中的一些概念内涵相似,外延交叉;有些计算中数量关系含蓄,巧用集合图形,可以直观而简洁地解决这些问题。
例1.生态学概念的比较:生物圈、生态系统、群落、种群。
例2.在一次对ABO血型的调查中,共检验了6000名居民的血液,其中,2527人为A型血,2234人有抗原B,1846人无抗原,问AB血型的人有多少?
解析:ABO血型是由红细胞表面的抗原决定的,AB血型即指A、B二种抗原都有的人。据题意可画出如下的集合图解:集合A有2527人,集合B有2234人,阴影部分为补集1846人,交集AB即为AB血型的人,据图可以很明了地求出:2527+2234+1846-6000=607(人)。
例1 例2
1.3 极限思想的应用
在杂交育种中,为了获得能稳定遗传的类型,常常要让带有隐性基因的杂合个体不断自交,经过多次的选择、淘汰,直到后代不再出现性状分离为止,对此,可用极限思想解决。
例.现有一杂种F1,要利用它得到纯合品种,请分析纯合体的个数y与自交代数n的数量变化关系。
解析:含有一对等位基因的杂合个体连续自交n次,后代中纯合子的比例y=1-(后文将专门提及)。当n→∞时,y→1,随着自交代数n数目的增加,y的值将越来越大,当自交代数趋于无穷大时,后代基本上都为纯合体。这也证明了杂交育种耗时长的不足,要缩短育种年限,可用单倍体育种等方法。
1.4 反证法思想的应用
生物教学中,有些问题直接从正面考虑很难解决,这时如改变思维方向,从结论入手,或从结论的反面入手反而有利于问题的解决。
例.父母正常,女儿患病,问这种病属什么遗传方式?
解析:父母正常,女儿患病,致病基因必为隐性,且不可能在Y染色体上。究竟是常染色体遗传还是X染色体遗传呢?假设是X染色
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