基于模型與建模構(gòu)建大概念教學(xué)模式的實(shí)踐研究
——以“可遺傳變異”復(fù)習(xí)為例

張明艷

（南京市溧水區(qū)第三高級(jí)中學(xué) 江蘇南京 211200）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）要求學(xué)生主動(dòng)地參與學(xué)習(xí)，在親歷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程中習(xí)得生物學(xué)知識(shí)，養(yǎng)成科學(xué)思維的習(xí)慣。模型與建模是《課程標(biāo)準(zhǔn)》提出的培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的有效途徑之一，本研究聚焦高中生物學(xué)大概念3“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”，以復(fù)習(xí)可遺傳的變異為例構(gòu)建基于模型與建模的教學(xué)模式。

1 模型與建模

1.1 模型的分類

生物學(xué)模型的表現(xiàn)形式有物理模型、概念模型、數(shù)學(xué)模型等。本研究著重于構(gòu)建物理模型。以實(shí)物或紙質(zhì)圖畫的形式直觀展示對(duì)象的形態(tài)結(jié)構(gòu)，這類實(shí)物或圖畫即為物理模型。物理模型的特點(diǎn)是：實(shí)物或圖畫的形態(tài)結(jié)構(gòu)與真實(shí)事物的特征、本質(zhì)非常相像。高中生物學(xué)教學(xué)過(guò)程中常見的物理模型有真核細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)模型、減數(shù)分裂染色體形態(tài)變化的模型、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型等。教師注意引導(dǎo)學(xué)生將課本上抽象的知識(shí)形象化，抓住本質(zhì)，去粗取精。

1.2 建模的一般過(guò)程

物理模型構(gòu)建的一般步驟有：①準(zhǔn)備建模的材料；②觀察或思考原型的基本結(jié)構(gòu)，在頭腦中初步構(gòu)建；③動(dòng)手將材料連接起來(lái)，組成模型；④小組內(nèi)部檢查是否與原型類似；⑤小組之間檢查是否與原型類似；⑥完善模型；⑦展示模型。教學(xué)過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生利用準(zhǔn)備的材料構(gòu)建模型，使學(xué)生在建模過(guò)程中培養(yǎng)科學(xué)思維，獲得或鞏固相關(guān)的生物學(xué)概念。

2 教材分析

2.1 教材內(nèi)容分析

可遺傳變異是《課程標(biāo)準(zhǔn)》中大概念3中重要概念“3.2有性生殖中基因的分離和重組導(dǎo)致雙親后代的基因組合有多種可能”與“3.3由基因突變、染色體變異和基因重組引起的變異是可以遺傳的”內(nèi)容的綜合，是《必修2·遺傳與進(jìn)化》的重要組成部分?？蛇z傳的變異對(duì)生物體的影響、對(duì)生物的進(jìn)化都有重要意義。教師以模型制作、模型模擬減數(shù)分裂過(guò)程中染色體的變化幫助學(xué)生構(gòu)建概念，促進(jìn)學(xué)生更好地理解基本原理和規(guī)律，發(fā)展相關(guān)的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.2 學(xué)情分析

大概念3是合格性考試四大概念之一，是高考的重點(diǎn)兼熱點(diǎn)，學(xué)習(xí)起來(lái)難度較大，即使復(fù)習(xí)過(guò)，學(xué)生對(duì)概念的把握仍比較淺顯，容易將減數(shù)分裂、遺傳變異和進(jìn)化割裂。因此，在遺傳學(xué)習(xí)剛結(jié)束時(shí)，教師帶領(lǐng)學(xué)生整合復(fù)習(xí)這部分內(nèi)容，有利于學(xué)生從本質(zhì)上學(xué)習(xí)遺傳，挖掘知識(shí)點(diǎn)內(nèi)在聯(lián)系，在自己的思維空間中進(jìn)行有效整合，建立新的知識(shí)架構(gòu)，從而有效運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。

3 教學(xué)目標(biāo)

①通過(guò)構(gòu)建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的交流討論，認(rèn)同交流合作、多學(xué)科交叉在學(xué)科發(fā)展中的作用，根據(jù)構(gòu)建過(guò)程，通過(guò)分析、歸納認(rèn)識(shí)基因突變的本質(zhì)，提升科學(xué)思維能力。

②模擬減數(shù)分裂過(guò)程中的非同源染色體的自由組合及同源染色體的交叉互換過(guò)程，闡述減數(shù)分裂過(guò)程中導(dǎo)致配子多樣性的機(jī)理，理解生命的延續(xù)和發(fā)展，認(rèn)識(shí)生物多樣性的形成，形成相應(yīng)的生命觀念。

③通過(guò)建模，能夠辨析基因突變、基因重組、染色體變異，厘清各重要概念的邏輯關(guān)系，闡釋遺傳與變異的物質(zhì)基礎(chǔ)，理解進(jìn)化的本質(zhì)是遺傳物質(zhì)的改變，形成生物的進(jìn)化觀，發(fā)展科學(xué)思維、科學(xué)探究等學(xué)科核心素養(yǎng)。

4 教學(xué)過(guò)程

教師首先以太空育種為情境，引導(dǎo)復(fù)習(xí)三種可遺傳的變異，要求學(xué)生回憶各變異的特點(diǎn)及意義。教師提出問(wèn)題：為什么可遺傳的變異為生物進(jìn)化提供原材料？并引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建模型，學(xué)習(xí)這三種可遺傳變異的內(nèi)在聯(lián)系。

設(shè)計(jì)意圖：在新授課上，教師展示了物理模型。因此復(fù)習(xí)時(shí)，在學(xué)生已經(jīng)初步了解變異的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建模型，使學(xué)生體會(huì)科學(xué)探究及建模的基本思路和方法，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

4.1 引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，從而認(rèn)識(shí)基因突變的本質(zhì)

學(xué)生先在腦海中構(gòu)建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，然后動(dòng)手將材料連接起來(lái)，組成模型。學(xué)生根據(jù)已有的知識(shí)，知道：DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)是由四種脫氧核苷酸構(gòu)成的兩條鏈反向平行的結(jié)構(gòu)，腺嘌呤與胸腺嘧啶配對(duì)，鳥嘌呤與胞嘧啶配對(duì)。但是，學(xué)生的思維能力和動(dòng)手能力不匹配，構(gòu)建出的DNA平面結(jié)構(gòu)圖會(huì)出現(xiàn)幾種情況（圖1）。通過(guò)修正，學(xué)生會(huì)意識(shí)到構(gòu)建DNA應(yīng)該是四種脫氧核苷酸先形成一條鏈。然后，學(xué)生再按照堿基互補(bǔ)配對(duì)形成另一條鏈，在構(gòu)建探索中認(rèn)識(shí)DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，理解堿基互補(bǔ)配對(duì)原則是保證DNA準(zhǔn)確高效復(fù)制的重要原因，DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其復(fù)制方式是按照半保留復(fù)制的方式進(jìn)行，增強(qiáng)了學(xué)生的結(jié)構(gòu)與功能觀。

各小組展示自己構(gòu)建的DNA片段。每組構(gòu)建的片段具有特異型，教師據(jù)此使學(xué)生體會(huì)DNA的多樣性。教師將各組的片段連接成一個(gè)含有幾百個(gè)核苷酸的DNA片段，指出：基因正常會(huì)有幾千個(gè)堿基對(duì)，而一個(gè)DNA上會(huì)有多個(gè)基因，因此全班拼成的DNA不足以形成一個(gè)基因。如果這個(gè)基因內(nèi)部發(fā)生堿基對(duì)的增添、缺失（教師拆下5對(duì)堿基）、替換，DNA片段和之前未處理片段的堿基序列相比發(fā)生改變即發(fā)生基因突變，基因突變的結(jié)果是產(chǎn)生新的基因。

設(shè)計(jì)意圖：教師利用建模，將抽象的知識(shí)具體化，引導(dǎo)學(xué)生歸納、分析DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、基因突變的實(shí)質(zhì)，闡明基因突變可能導(dǎo)致基因所編碼的蛋白質(zhì)發(fā)生改變，引起細(xì)胞功能變化，甚至帶來(lái)致命后果，引導(dǎo)學(xué)生用概念解釋廣泛的生物學(xué)現(xiàn)象，使學(xué)生理解健康的生活方式、遠(yuǎn)離致癌因子。

4.2 構(gòu)建基因重組的兩種模型

4.2.1 染色體模型的改進(jìn)

真核細(xì)胞內(nèi)，DNA分子和組蛋白組合構(gòu)成染色質(zhì)，細(xì)胞為了精準(zhǔn)分裂，在分裂期會(huì)高度螺旋化成染色體?，F(xiàn)成的染色體模型缺乏柔韌性也不適合做染色體變異的模型，因此教師采用了黑、白兩色的橡皮泥為材料，既可拉絲成染色質(zhì)形態(tài)，也可成染色體形態(tài)。這個(gè)黑、白兩色模型還與日常的作業(yè)吻合。模型構(gòu)建過(guò)程強(qiáng)化了動(dòng)態(tài)過(guò)程，使每位學(xué)生原有的概念、理解力都能獲得不同程度的發(fā)展。

4.2.2 構(gòu)建基因重組

教師給學(xué)生設(shè)置一系列梯度問(wèn)題。在思考問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)生根據(jù)自身的能力構(gòu)建減數(shù)分裂過(guò)程染色體的變化。①構(gòu)建一對(duì)同源染色體，其上標(biāo)上一對(duì)等位基因，再依次構(gòu)建四分體時(shí)期（復(fù)制后）的一對(duì)同源染色體、減數(shù)分裂的過(guò)程。②構(gòu)建兩對(duì)同源染色體，其上分別標(biāo)上等位基因減數(shù)第一次分裂后期的染色體行為圖、減數(shù)分裂的過(guò)程。③構(gòu)建四分體時(shí)期的一對(duì)同源染色體，依次交叉互換的過(guò)程、完整的減數(shù)分裂的過(guò)程。教師引導(dǎo)學(xué)生思考各模型建構(gòu)的減數(shù)分裂形成的配子類型。

設(shè)計(jì)意圖：教師適當(dāng)引導(dǎo)，留出足夠的時(shí)間讓學(xué)生自己構(gòu)建并修正模型。教師設(shè)計(jì)的問(wèn)題從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、重點(diǎn)突出、層層遞進(jìn)。學(xué)生通過(guò)小組合作、展示，建立減數(shù)分裂過(guò)程中染色體行為變化的模型，在思維訓(xùn)練中形成概念，加深對(duì)減數(shù)分裂過(guò)程及其特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，理解配子中染色體組合的多樣性，根據(jù)基因在染色體上以及一個(gè)染色體上有多個(gè)基因，理解基因重組的內(nèi)涵。

4.3 構(gòu)建染色體變異

教師要求學(xué)生構(gòu)建兩對(duì)同源染色體，模擬減數(shù)第一次分裂后期其中一對(duì)同源染色體未分離、減數(shù)第二次分裂后期其中兩條姐妹染色單體未分離，分析、歸納染色體數(shù)目變化及配子基因型變化（圖2），并構(gòu)建染色體結(jié)構(gòu)變異的模型（圖3），體會(huì)染色體結(jié)構(gòu)變異的類型和結(jié)果。

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生比較交叉互換和易位，比較基因突變和染色體結(jié)構(gòu)變異的重復(fù)、缺失，使學(xué)生從本質(zhì)上理解三種可遺傳變異的區(qū)別與聯(lián)系。學(xué)生能闡明在減數(shù)分裂過(guò)程中發(fā)生基因突變、基因重組和染色體變異，會(huì)引起可遺傳變異，導(dǎo)致生物性狀的改變甚至死亡，當(dāng)然也為生物進(jìn)化提供了選擇的材料。在建模過(guò)程中，學(xué)生意識(shí)到減數(shù)分裂和可遺傳變異之間存在著密切的聯(lián)系，真正理解可遺傳變異的原因，不僅培養(yǎng)了結(jié)構(gòu)與功能觀，更提升了科學(xué)思維能力。

5 教學(xué)反思

教師引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建模型，促進(jìn)學(xué)生由原來(lái)被動(dòng)地聽轉(zhuǎn)化為主動(dòng)地學(xué)，在交流與展示中總結(jié)、提升所學(xué)內(nèi)容。學(xué)生通過(guò)建模，歸納、整合次位概念、構(gòu)建重要概念“可遺傳的變異”，聚焦大概念“遺傳信息控制性狀，代代相傳”，使知識(shí)結(jié)構(gòu)化、層次化、系統(tǒng)化，減少了記憶單元，有效地提高了對(duì)知識(shí)的遷移和應(yīng)用能力。