運用“軟磁鐵模型”突破關(guān)于染色體相關(guān)知識的教學(xué)難點

陸子辰

摘 要 軟磁鐵作為一種物理模型，將其運用在與染色體相關(guān)知識的教學(xué)中，可將學(xué)生肉眼無法直接觀察的染色體，化為直觀的物質(zhì)，利于突出染色體相關(guān)知識的教學(xué)重點，突破染色體與基因行為關(guān)系的教學(xué)難點。

關(guān)鍵詞 軟磁鐵模型 交叉互換 易位 染色體組

中圖分類號 G633.91 文獻標(biāo)志碼 B

1 軟磁鐵模型突破染色體相關(guān)知識的切入分析

“染色體”是許多生物學(xué)知識的基礎(chǔ)。基因在染色體上，基因變化本質(zhì)主要依賴于細胞分裂過程中染色體的行為；在遺傳的過程中，遺傳信息主要以染色體為載體傳遞給子代，從而保證親子代間的相似性；但若傳遞過程出現(xiàn)異常，即變異，則會出現(xiàn)差異。由此可見，遺傳與進化都圍繞染色體展開（圖1）。但在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生對于染色體相關(guān)概念的含義、概念中的定語以及相互關(guān)系難以理清，容易出現(xiàn)張冠李戴的現(xiàn)象，為幫助學(xué)生理解與染色體相關(guān)的容易混淆的知識點，教師可運用軟磁鐵作為突破該問題的途徑。下面主要介紹在教學(xué)中運用軟磁鐵模型突破交叉互換導(dǎo)致基因重組、易位和染色體組等與染色體有關(guān)的知識難點。

1.1 從“交叉互換”到“基因重組”的知識遷移突破

教學(xué)環(huán)節(jié)：減數(shù)分裂過程。

學(xué)生在黑板上演示減Ⅰ前期、減Ⅰ后期的同源染色體以及減數(shù)分裂完成后的染色體（圖2）。

設(shè)計意圖：學(xué)生鞏固減數(shù)分裂的過程，回憶染色體行為變化。學(xué)生用知識指導(dǎo)行為，將思維過程體現(xiàn)在動態(tài)擺放過程中。

教學(xué)環(huán)節(jié)：基因標(biāo)注。

教師提示：若該細胞基因型為AaBb，且A、B基因和a、b基因分別位于同一條染色體上。

學(xué)生將基因分別標(biāo)注在減數(shù)分裂不同階段細胞的染色體上（圖3）。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過演示，強化基因與染色體的關(guān)系：基因位于染色體上，且一條染色體上含有多個基因。

教學(xué)環(huán)節(jié)：交叉互換過程。

學(xué)生在黑板上演示發(fā)生交叉互換后，減Ⅰ前期、減Ⅰ后期的同源染色體以及減數(shù)分裂完成后的染色體（要事先備好多個紅、白染色體“尾部”）。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過擺放，模擬染色體片段交叉互換的過程和結(jié)果，并厘清交叉互換的發(fā)生時間和位置。

教學(xué)環(huán)節(jié)：交叉互換后的基因標(biāo)注。

教師假設(shè)：細胞基因型仍為AaBb，且A、B基因和a、b基因位于同一條染色體上。

學(xué)生將基因標(biāo)注在減數(shù)分裂不同階段細胞的染色體上（圖4）。

設(shè)計意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生歸納重組配子的基因型，并將抽象的“片段”交叉互換轉(zhuǎn)化為直觀的重組配子。

基因重組中同源染色體的交叉互換包括斯特蒂文特1952年發(fā)現(xiàn)的不對等交叉互換和高中生物學(xué)中要求的對等交叉互換。該變異發(fā)生的本質(zhì)較為復(fù)雜，但書本中關(guān)于此概念的描述僅限為：在減數(shù)分裂過程中同源染色體的非姐妹染色單體之間發(fā)生染色體片段的交換，也使染色體上的基因發(fā)生重組。學(xué)生對于概念中多個定語的理解有一定困難。筆者現(xiàn)將其整合于一個定義中，難度不言而喻。若學(xué)生只是死記硬背，會容易遺忘或混淆。為突破該難點，教師可采用不同顏色的軟磁鐵表示染色體并對其進行拼接。

1.2 “交叉互換”與“易位”的辨析突破

學(xué)生在學(xué)習(xí)時易將減Ⅰ前期發(fā)生的交叉互換與易位混淆，究其根源在于對二者概念理解不夠深刻，難以分析二者的區(qū)別。為突破該難點，筆者設(shè)計如下教學(xué)過程。

教學(xué)環(huán)節(jié)：易位。

學(xué)生自主選擇染色體的顏色、形態(tài)等即同源或非同源染色體，在黑板上擺放易位發(fā)生的位置和結(jié)果（圖5）。

設(shè)計意圖：學(xué)生在擺放過程中，明確易位發(fā)生于非同源染色體之間，深入理解概念。

教學(xué)環(huán)節(jié)：交叉互換重現(xiàn)。

學(xué)生回憶相關(guān)內(nèi)容，并在黑板上快速擺放交叉互換的過程（圖5）。

設(shè)計意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生回憶交叉互換的過程和結(jié)果，并為二者的比較打下基礎(chǔ)。

教學(xué)環(huán)節(jié)：比較易位和交叉互換。

學(xué)生總結(jié)差異：發(fā)生的染色體不同，易位在非同源染色體之間，交叉互換在同源染色體的非姐妹染色單體之間；二者所屬的變異類型不同。

設(shè)計意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生將概念表述中的文字轉(zhuǎn)化為染色體（軟磁鐵）的行為變化，并歸納總結(jié)差異，總結(jié)簡化為思維過程歸納。

1.3 “染色體組”的內(nèi)涵與外延解讀突破

《浙江省普通高中學(xué)科教學(xué)指導(dǎo)意見（生物）2014版》中對“染色體組”的教學(xué)建議為：概念本身較為復(fù)雜，盡量運用圖解幫助學(xué)生理解。以果蠅染色體組作為案例，教師要幫助學(xué)生理解染色體組的定義，如運用軟磁鐵突破該定義中的關(guān)鍵詞：“一個染色體組中”“形態(tài)、功能各不相同”和“全部遺傳信息”。

教學(xué)環(huán)節(jié)：果蠅染色體。

教師在黑板上粘貼果蠅染色體圖解，并對4對同源染色體標(biāo)號和標(biāo)注基因。

設(shè)計意圖：學(xué)生可以大致了解果蠅的染色體圖解，為突破定義中“全部遺傳信息”打下基礎(chǔ)。

教學(xué)環(huán)節(jié)：在細胞水平的突破概念。

教師找出概念中關(guān)鍵文字，即“形態(tài)、功能各不相同”和“全部遺傳信息”。

學(xué)生根據(jù)定義，從圖中先后移取出果蠅一個染色體組。學(xué)生互評，完善“染色體組”的概念。

教師總結(jié)，強調(diào)：一個染色體組中不存在同源染色體，即“各不相同”，每對同源染色體各取一條。

設(shè)計意圖：教師指導(dǎo)學(xué)生將定義中的文字轉(zhuǎn)化為移取染色體組過程中的行為，化靜態(tài)的定義為動態(tài)的染色體組生成過程，從而突破概念中關(guān)于染色體“各不相同”的描述。

過渡：如圖6所示，教師在Ⅱ號染色體上標(biāo)注長翅V和殘翅v；Ⅲ號染色體上標(biāo)注灰體H和黑檀體h；Ⅳ號染色體上標(biāo)注正常肢C和短肢c，性染色上標(biāo)注剛毛B和截毛b（同源區(qū)段）。

教學(xué)環(huán)節(jié)：在分子水平突破概念。endprint

教師提出問題：能否確定移取的一個染色體組中含有“全部遺傳信息”？

學(xué)生在移取的一個染色體組中的不同染色體上，標(biāo)注控制相應(yīng)性狀的基因（圖7），并總結(jié)出一個染色體組中雖無同源染色體，但卻含有控制“所有”性狀的基因，即“全部遺傳信息”。就等位基因而言，無法確定移取染色體過程中究竟攜帶哪一個，以此理解移取同源染色體過程中的隨機性。

設(shè)計意圖：學(xué)生在標(biāo)注過程中明確：等位基因位于同源染色體上，只要存在一對同源染色體中的一條即可攜帶控制該性狀的基因，以此理解“全部遺傳信息”。在“選擇”顯性或隱性等位基因時，教師引導(dǎo)學(xué)生將同源染色體轉(zhuǎn)化為等位基因進行選擇，以此突破同源染色體隨機選取的難點。

學(xué)生在突破染色體組的概念難關(guān)后，接踵而至的是各種情況下染色體組組數(shù)的判斷，根據(jù)染色體或基因型，得出染色體組組數(shù)。對學(xué)生而言，如果只是掌握兩種角度下的染色體組組數(shù)的判斷方法并非十分困難，但是將兩個角度的判斷方式建立的知識體系關(guān)聯(lián)卻難度較大。學(xué)生對于為何可通過計算每一對等位基因或“相同”基因的數(shù)目來判斷染色體組組數(shù)難以理解，教師運用軟磁鐵演示，該問題也可迎刃而解。

教學(xué)環(huán)節(jié)：染色體核型圖判斷染色體組組數(shù)。

教師在黑板上零散擺放兩組同源染色體。

學(xué)生根據(jù)定義，判斷染色體組組數(shù)。

設(shè)計意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生運用并強化定義的理解。

教學(xué)環(huán)節(jié)：基因型判斷染色體組組數(shù)。

假設(shè)該細胞基因型為AaBb，且兩對等位基因獨立遺傳。師生共同將基因標(biāo)注在染色體上，一對同源染色體上分別標(biāo)注等位基因Aa、Bb。

教師：若從基因型角度出發(fā)，不借助染色體，能否得出圖8中該細胞染色體組組數(shù)？（為避免染色體影響學(xué)生觀察，移除染色體，僅留下基因型）從染色體角度來看，該細胞含兩個染色體組。若從基因型角度分析應(yīng)仍是兩個染色體組，每一對等位基因數(shù)目是2，染色體組組數(shù)恰好也是2，二者相等。

設(shè)計意圖：學(xué)生從兩個角度判斷染色體組，依據(jù)二者間的等量關(guān)系，總結(jié)基因型角度的判斷方法。學(xué)生自主總結(jié)規(guī)律，掌握方法，提高其思維和行為的主體性。

教師：這僅僅達到了解題層面的“技術(shù)”要求，并未深入了解知識內(nèi)部，為何會呈現(xiàn)這樣的關(guān)聯(lián)性。

教學(xué)環(huán)節(jié)：試錯教學(xué)環(huán)節(jié)。

教師擺放錯誤的染色體核型圖（圖9）。

學(xué)生：觀察指出錯誤，調(diào)整，呈現(xiàn)正確的圖像。

設(shè)計意圖：將光鏡下可見的同源染色體與分子水平的基因建立聯(lián)系，在糾錯中明確兩個判斷維度的理論支持。

2 軟磁鐵模型教學(xué)開展中的注意事項及反思

軟磁鐵模型教學(xué)從教學(xué)過程來看看似簡單，但在實際操作過程中如若操作不當(dāng)，容易出現(xiàn)一些問題。首先，為避免在教學(xué)中“尋找和擺放”軟磁鐵的時間將講解知識點的時間分割并切斷，影響學(xué)生對過程連貫性的理解，教師可在課堂教學(xué)前將不同的軟磁鐵分類擺放，易于拿取，此外，還可在黑板上提前粘貼好一部分，以此節(jié)約時間。其次，為避免軟磁鐵的顏色差異引起學(xué)生的誤解：自然界中同源染色體的來源不同顏色會有所差異，在模型使用之初，教師必須強調(diào)：顏色僅為區(qū)分，并非其真實狀態(tài)。最后，教師一定要注意軟磁鐵模型使用的循序漸進性。教師在教學(xué)過程中應(yīng)當(dāng)逐步滲透軟磁鐵代表染色體的模型方法，以書本中眾多與染色體有關(guān)的知識作為滲透載體，由淺入深。在不斷滲透的過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生感受并掌握基因、染色體以及遺傳和變異等知識間的關(guān)聯(lián)，促使學(xué)生建立完善、全面的知識體系。endprint