邮发代码:82-418   刊号:ISSN1671-4350   定价:12.00

[专题]设计模型 换个角度学科学

文_陈 染/科技学堂

2020-04/总第289期

阅读数10

计算机刚刚出现的时候,人们就尝试用计算机解决科学问题。在传统的科学研究中,科学家会对问题提出相应的假设,再通过设计实验验证假设。而计算机更注重于模型的构建,通过模型对科学问题进行预测和假设。计算思维与科学思维并不是非此即彼的,它们互相补充,共同促进科学的进步。

一个著名的例子是阿兰·图灵(Alan Turing)运用计算思维对生物学的研究。众所周知,图灵为计算机的发明提供了理论基础,被称为“计算机之父”。可鲜为人知的是,在图灵晚年,他将研究精力放在生物学上,但他并不是只沉浸在实验室中,作为一名计算机科学家,图灵试图通过构建计算机模型解释生物学现象。1952年,也就是图灵生命的最后一年,他完成了论文《形态发生的化学基础》,这篇论文运用计算机模型的方法探讨了动物身上花纹的形成规律。在模型中,图灵假想了2种作用相反的物质:激活剂和抑制剂,通过这2种物质的互相对抗形成不一样的图案。通过构建这个模型,图灵发现只需要改变激活剂和抑制剂的参数,就能够构建出斑马、豹子、斑点狗等动物的图案。为了纪念图灵的贡献,人们把能够通过图灵提出的模型形成的图案称之为“图灵斑图”(图1)。图灵的这篇文章促成了一个全新的交叉学科领域“计算生物学”的产生。

这篇论文不仅在生物学研究上产生了重大影响,其所运用的新思路在物理、化学乃至社会科学领域也产生了深远的影响。换一种思路,一些以前看上去棘手的问题突然变得简单。作为教师,我们也可以将这种思路运用于科学课程的学习中,通过构建模型,更清楚地解释科学课程中的现象,换一个角度也许学生的困惑便会迎刃而解。


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