人教版高中生物必修教材坐标图模型教学浅析
中图分类号 G633.91 文献标志码 B
坐标图属于数学模型，大致可分为三种：① 平面直角坐标图（可细分曲线图、折线图、柱形图）；② 变形坐标图；③ 平面正三角坐标图（三轴坐标系）。现行的各版本高中生物教材中主要是以平面直角坐标图出现居多，以坐标图模型简洁的形式反映生物体生命现象、规律与相关变量的内在联系，从而要求学生能根据识图和绘图探索生物学知识间的相互联系。下面以人教版高中生物教材为例进行分析。
1 人教版高中生物必修教材中坐标图模型分布情况
人教版高中生物必修教材涉及的坐标图模型有柱形图、曲线图和折线图三种形式（表1）。
2 坐标图模型解读
2.1 柱形图模型浅析
人教版生物必修教科书中的柱形图一般是横坐标表示类型，纵坐标表示数量或浓度，且对柱形图运用的要求及难度逐步增加。
（1） 在识图上：必修1主要是要求学生区分横坐标的类型，随着类型不同，纵坐标数量或浓度大小也就有所区别（如必修1P63资料分析，如图1所示）；必修2则开始运用数据进行分析，对该类图加以说明（必修2P13，如图2所示）；必修3的图形与前两册则截然不同，柱形图的横坐标不再是类型而是数量，纵坐标为百分率，涉及的问题难度也有所增加（必修3P86，如图3所示）。
（2） 在用图上：必修1要求学生识图后，运用所得信息进行简单的知识讲解；必修2则是读懂图后，根据数据分析其所涉及的生物知识并回答问题（必修2P14的“技能应用”中某种蝴蝶纯合亲本杂交产生的1355只F2代性状，对图中数据分析，判断显隐性）；必修3对柱形图开始在坐标轴左右排列，用图时不仅要对坐标轴左右数据表示的内容清楚，还要看其变化趋势（必修3P64两个国家人口年龄组成图），之后再根据题目要求作答。
（3） 在绘图上：必修1和必修2涉及绘图的只有曲线图与折线图，基本没有柱形图，必修3则要求根据表中数据绘制柱形图，并找出柱形图中数据的规律（必修3P131的“技能应用”绘制哺乳动物和鸟类受4种因素影响及比例柱形图）。从这些现象可以看出柱形图模型在生物学教学中的要求和难度是逐步增加的，教材的设计也符合学生认知心理学的发展。当学生经过学习以后，老师就可以根据情况要求学生做相应的练习进行巩固。
2.2 曲线图模型解读
根据表1统计，人教版生物必修教材中柱形图、曲线图和折线图数量比为8∶20∶9。可见曲线图模型教学占有一定的优势，许多生物现象具有一定的规律性，需要用曲线图让读者提取并分析信息找出规律，从而达到坐标图模型教学的目的。对于坐标曲线图这类题型解读的关键可概括为八个字：识标、明点、析线、解面。
（1） “识标”：在曲线图中，坐标分为横坐标（自变量）和?v坐标（因变量），一般情况是因变量随自变量的变化而变化。坐标轴上所示含义则是在识图时必须掌握的部分信息，有时还会伴随“单位”的出现。同时，需要注意坐标图横纵坐标上文字表示的内容。如：影响酶活性的温度与pH的坐标图看似很像，但因图下面一个是“温度”，另一个是“pH”，则曲线与横纵坐标变化就会有区别，即过酸、过碱或温度过高，会使酶的空间结构遭到破坏，使酶永久失活。温度低可以降低活性，但不代表酶被破坏，失去活性。以上这些就会增加用图的难度。
（2） “明点”：点在曲线图中可表示生物体某个特定状态下的生命活动或最适浓度下某物质的状态。坐标中的一些特殊点（如：起点、终点、最高点、最低点、转折点、交叉点等）所表示的生物学意义更是明点的关键（必修1叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱，如图4）。
（3） “析线”：即分析曲线的变化趋势和走向。线条在坐标图中主要反映的是事物的变化规律，一般由横坐标变化引起纵坐标起伏，进而让学生从中找出信息，分析线条趋势，由定量数据转化为定性的分析，从而归纳事物变化规律，得出结论，如图5所示。
（4） “解面”：“面”就是对坐标中的曲线与坐标轴（或几条曲线）所围成的面积进行“圈地运动”，并理解该面积的生物学意义，分析其中所隐藏的信息。
2.3 折线图模型明晰
折线图其实与曲线图有异曲同工之处，都可以表示因变量随自变量的变化而变化，且有的曲线图是由折现图转化而来的（必修3图4-5某岛屿环颈椎种群数量的增长，“J”型曲线）。但针对特殊情况时，生物体生命活动只能使用特定折线图来表示（必修2“受精作用”中“技能训练――识图和作图：某种生物的精原细胞有丝分裂和形成精子过程中染色体数目变化”），如果用曲线图就很难表示出数目具体变化情况与分裂期的关系。
当然折线图模型也可以通过识标、明点、析线、解面（在折线图中涉及很少）进行讲解，步骤同曲线图模型的解读基本一致，不同在于要强调在横坐标上具体某个点所对应的纵坐标的值，即数据分析的准确性要求更高。坐标轴上的文字信息、数据及“标”是不可轻视的，因为它们所隐藏的信息可能就是读者容易忽略的关键点。
3 坐标图模型对生物学知识解读价值
通过对上述三种坐标图模型在生物中的解读和分析，不难看出它们之间既有内在联系，又有各自的特点。对于在生物学科中的应用，它们都具有一定的研究价值。
3.1 对坐标图模型进行图文转化，透过现象看本质
从人教版生物必修教材或一些资料书籍中，可以看到在知识的描述中，大段文字叙述已是“家常便饭”。面对这样的情况，不止教师觉得繁琐，很多学生更是感到“恐惧”。当学生面对大段文字叙述的题目时，通常他们都会被该形式给“吓到”，便会产生“好难的”心理暗示，继而放弃题目。 文字叙述转化为简单形式更利于学生接受。吴宁、雷霆文等在生物化学教学中对抽象概念教学法进行实验，结果显示图表教学班级的学生对抽象概念的理解程度明显高于常规文字教学班的学生。这在一定程度上体现了“文不如表，表不如图”的道理。回顾必修3讲解抵抗力稳定性和恢复力稳定性时，教材用了一大段文字叙述，如果在此处插入一幅坐标图（图6），不仅把繁琐文字简单化，还会让读者从中分析，找出一些隐藏的信息。如，抵抗力稳定性越强时，恢复力稳定性越弱，两力关系相反，但又共同维护生态系统的稳定性等。这样可以帮助学生透过现象看本质，培养其洞察能力及严密的逻辑思维。
3.2 结合实验与坐标图模型，揭示事物变化规律
对于实验结果的统计分析，学生通过绘制和剖析坐标图，既可以深刻理解事物变化的规律，还可以加强对知识的理解。
如必修1“降低化学反应活化能的酶”，即根据实验数据分析绘制不同条件下酶活性的坐标曲线图（如图7、图8所示）。
学生在比较过氧化氢酶与Fe3+的催化效率的基础上，探究温度与pH对酶活性的影响，并通?^实验现象和数据统计，完成坐标曲线图的绘制。这样不仅培养了学生观察和数据分析能力，也考查了学生动手实操能力。运用坐标曲线比单纯的文字更形象地表明温度和pH与酶活性之间的变化规律，而曲线的绘制是通过实验得到的数据来完成，因而也更具说服力。
3.3 作为培养学生学科间知识迁移、相互交叉运用能力的教学工具
坐标图作为数学模型，已在多个学科间作为教学策略和工具使用。物理学的抛物运动、力场分析等；化学的酸碱中和、反应前后各种量之间的关系等；生物学种群增长曲线（“J”、“S”型曲线）、物质跨膜运输（番茄和水稻对矿物质运输的柱形图）等；地理的气温曲线和降水柱状图、海水温度、盐度随纬度变化图等。这些学科基本都会涉及坐标图模型的运用，因此学生可举一反三，将本学科知识运用到别的学科领域。
【例1】 某反应的反应过程中能量变化如图9所示（图中E1表示正反应的活化能，E2表示逆反应的活化能）。下列有关叙述正确的是（ ）
A. 该反应为放热反应
B. 催化剂能改变该反应的焓变
C. 催化剂能降低该反应的活化能
D. 逆反应的活化能大于正反应的活化能
分析：由图像分析，反应物能量低于生成物能量，则该反应是吸热反应；催化剂只能改变反应速率，不能改变该反应的焓变；催化剂改变化学反应速率就是降低了反应的活化能，所以C选项正确；图象分析逆反应的活化能E2小于正反应的活化能E1。
【例2】 图10中曲线I、Ⅱ分别表示物质A在无催化剂条件和有酶催化条件下生成物质P所需的能量变化过程。下列相关叙述正确的是（ ）
A. ab段表示在无催化剂条件下，物质A生成物质P需要的活化能
B. 若将酶催化改为无机催化剂催化该反应，则b在纵轴上将向下移动
C. 若仅增加反应物A的量，则图中曲线的原有形状均发生改变
D. 若曲线Ⅱ为最适酶促条件下的曲线，改变酶促条件后，则b在纵轴上将向上移动
分析：活化能定义是分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量，而酶能降低化学反应的活化能。由图分析，ac段表示在无催化剂条件下，物质A生成物质P需要的活化能；若将酶催化改为无机催化剂催化，因酶的催化效率比无机催化剂高，则b在纵轴上应向“上”移动；若仅增加反应物A的量，则图中曲线的原有形状不发生改变；若曲线Ⅱ为最适酶促条件下的曲线，改变酶促条件后，酶活性降低，则需要更多的活化能，b在纵轴上将向上移动。
答案：D。
例1是化学催化剂知识的体现，例2则是生物学的酶活性与活化能的考查，两者都是阐述催化剂对事物变化的影响，且坐标图模型的类型也基本相同。当学生通过接触到某一学科后，也会为其他学科知识的学习奠定基础，这就培养学生知识迁移、交叉运用的能力。
4 使用坐标图模型存在的问题及对策
坐标图模型的运用并非万能。首先，对于某些特定现象（质壁分离动态变化）或是装置图实操时（显微镜观察几种细胞），坐标图模型的运用就显得微不足道。此外图表试题过于单调，基本上都是数据分析和坐标图处理，如结构模式图、实物图以及一些概念图等试题就很少涉及。但这些图示也是考查学生对知识掌握程度和动手操作能力的关键。在新课改中这些图形的出现体现了素质教育以全面发展人才为主的趋势。针对这种情况，教师在教学时可以运用实物图、动画、动手操作及多媒体等演示，从而加深学生对知识点的学习和掌握。因此对于坐标图模型的运用只是教学的一部分，需结合其他图像的综合运用才是教育发展的走势。
其次坐标图模型过于定性化，由于影响生物生命现象与活动的内外因素很复杂，给生物学基本规律的探索带来了一定的难度。因此较多的坐标曲线图仅从定性角度上分析自变量与因变量的关系，忽略了自身本质的变化规律，一味追求结果，失去了探究过程自身的意义。面对这样的结果，教师可采取误差分析，重复实验，探索无关变量在其间起到的作用等方式处理，从而在一定程度上完善实验。
当然目前为止，坐标图模型在生物学中覆盖了丰富的内涵和知识，是事物变化基本规律的体现，也是学生能力测试的反映。它不仅培养了学生图文转换的能力，考查了学生实际操作和分析事物变化规律的能力，还增强了学生交叉运用知识的能力。因此，教师应正确认识坐标图模型，解读好其教学策略与实际运用，从而体现出坐标图模型对生物学教学的价值。
