模型建構(gòu)在高中生物學(xué)概念教學(xué)中的應(yīng)用
——以概念“染色體組”的教學(xué)為例

寇小永 竇繼紅

（1.定西市安定區(qū)交通路中學(xué) 甘肅定西 743000）

（2.西北師范大學(xué)第二附屬中學(xué) 甘肅蘭州 730070）

概念教學(xué)是以糾正、補(bǔ)充、完善學(xué)生的前概念，建構(gòu)正確的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)為目標(biāo)，將信息整合到綜合的、復(fù)雜的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的過(guò)程。概念教學(xué)模式是“建構(gòu)性教學(xué)”，學(xué)生有著大量的前科學(xué)概念知識(shí)，概念的建構(gòu)就是要依靠學(xué)生原有的前科學(xué)概念知識(shí)，不斷建構(gòu)新的科學(xué)概念體系。該教學(xué)模式主要包括4個(gè)階段（圖1）。在定向與探索階段，教師應(yīng)通過(guò)診斷、不斷暴露出學(xué)生的前科學(xué)概念；在建構(gòu)與交流、解釋與拓展階段，糾正學(xué)生的前科學(xué)概念，同時(shí)促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)新的科學(xué)概念體系；反思與評(píng)價(jià)放在模式的中心，旨在對(duì)其他三階段進(jìn)行準(zhǔn)確的反思與評(píng)價(jià)，形成教學(xué)過(guò)程性評(píng)價(jià)。

圖1 科學(xué)概念的建構(gòu)性教學(xué)模式

模型是人們對(duì)認(rèn)識(shí)對(duì)象所作的一種簡(jiǎn)化的概括性描述，主要包括物理模型、概念模型和數(shù)學(xué)模型等。模型一般與真實(shí)物體、單一事件或一類事物相對(duì)應(yīng)，與原型相比，模型形象、直觀，是具有解釋力的試探性體系或結(jié)構(gòu)，能夠?qū)υ瓦M(jìn)行表征和解釋，是原型的抽象化，也是理論知識(shí)的具體化。模型和原型的關(guān)系如圖2所示。

圖2 模型和原型的關(guān)系

在高中生物學(xué)必修2“染色體變異”一節(jié)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)“染色體組”的概念理解存在困難。下文應(yīng)用“基于模型建構(gòu)的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)模式”，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建物理模型和概念模型，幫助學(xué)生突破這一概念的理解，進(jìn)而區(qū)分“單倍體”“二倍體”“三倍體”“多倍體”等概念。

1 教學(xué)內(nèi)容分析

“染色體變異”一節(jié)屬于高中生物學(xué)人教版新教材必修2第五章第二節(jié)內(nèi)容，本章內(nèi)容共包括3節(jié)。在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了“基因突變和基因重組”的內(nèi)容，為學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容奠定了基礎(chǔ)；本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)為第三節(jié)“人類遺傳病”的學(xué)習(xí)作鋪墊。因此，本節(jié)內(nèi)容在本章的學(xué)習(xí)中具有承上啟下的作用。在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)“染色體組”這一概念難以理解，經(jīng)?；煜皢伪扼w”“二倍體”“三倍體”“多倍體”等概念，導(dǎo)致對(duì)“基因突變和基因重組”等內(nèi)容之間的關(guān)系理解不清，且難以厘清“人類遺傳病”的致病機(jī)理。教師將物理模型構(gòu)建融入概念教學(xué)的過(guò)程，從本質(zhì)上引導(dǎo)學(xué)生理解“染色體組”這一概念，能夠突破本節(jié)重難點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)本節(jié)內(nèi)容概念體系。

2 模型構(gòu)建在生物學(xué)概念教學(xué)中的應(yīng)用

模型建構(gòu)教學(xué)是一種基于模型的學(xué)習(xí)過(guò)程，即4個(gè)階段的循環(huán)：聚焦學(xué)生心理模型中的錯(cuò)誤概念；引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突；類比推理，建構(gòu)新模型；使用新模型，進(jìn)行科學(xué)推理。而物理模型具有化難為易的功能，本身是具有一定邏輯意義的學(xué)習(xí)材料，物理模型制作的過(guò)程也是學(xué)生積極主動(dòng)探究的過(guò)程。在教學(xué)過(guò)程中，模型可以是新舊知識(shí)有意義聯(lián)系的載體，教師通過(guò)展示模型或讓學(xué)生自主建構(gòu)模型，加深學(xué)生對(duì)概念的理解。

2.1 聚焦學(xué)生心理模型中的錯(cuò)誤概念，引發(fā)認(rèn)知沖突

圖3為雌、雄果蠅體細(xì)胞的染色體圖解，教師據(jù)此指導(dǎo)學(xué)生制作物理模型，模擬雌果蠅的一個(gè)體細(xì)胞中染色體變化。教師同時(shí)讓每個(gè)小組課前準(zhǔn)備一張A4紙，將其四周折起做成一個(gè)白紙盤，將模擬雌果蠅體細(xì)胞中8條染色體的紙片散亂分布在白紙盤中（圖4），用黑色紙代表來(lái)自父方的染色體，白色紙代表來(lái)自母方的染色體，另制作一個(gè)稍大型的8條染色體軟磁鐵模型教具貼在黑板上。教師先讓每個(gè)小組的學(xué)生將散亂分布的8條染色體進(jìn)行自由分組，指出每組的染色體數(shù)量及分類方法。此時(shí)，教師會(huì)發(fā)現(xiàn)有些小組學(xué)生將形狀、大小相同的擺放在一起，分出4個(gè)組，即找出了同源染色體，這與“染色體組”的概念及“果蠅是二倍體”明顯矛盾；有些小組學(xué)生只是將同一顏色的染色體分在一組，無(wú)法想到隨機(jī)組合，這是因?yàn)閷W(xué)生平時(shí)有思維定式，認(rèn)為形態(tài)結(jié)構(gòu)或功能相同的物體才能分在一個(gè)組里。教師設(shè)問(wèn)：在一個(gè)染色體組里的所有染色體在形態(tài)和功能上各不相同，是一組非同源染色體，并沒(méi)有包含某一物種的全部染色體，為何卻攜帶有控制本物種生長(zhǎng)發(fā)育、遺傳變異的全部遺傳信息？這對(duì)于抽象邏輯思維由“經(jīng)驗(yàn)型”向“理論型”轉(zhuǎn)化、辯證思維能力不完全成熟的高中生來(lái)說(shuō)很難理解。利用這一活動(dòng)，教師引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突。

圖3 雌、雄果蠅體細(xì)胞的染色體圖解

圖4 雌果蠅染色體組的模型

2.2 建構(gòu)新模型，構(gòu)建科學(xué)概念

在學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突后，教師告訴學(xué)生，果蠅屬于二倍體，體細(xì)胞中非同源染色體應(yīng)該有2套，產(chǎn)生的配子應(yīng)該包含其中一套非同源染色體。教師讓學(xué)生再次進(jìn)行分組，找出一個(gè)染色體組。在此過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)基因自由組合規(guī)律的實(shí)質(zhì)及同源染色體在減數(shù)分裂過(guò)程中的行為特征，抓住同源染色體在減數(shù)第一次分裂后期發(fā)生分離這一關(guān)鍵點(diǎn)，從而使學(xué)生深入理解減數(shù)分裂形成配子種類的本質(zhì)，認(rèn)識(shí)到在雌果蠅產(chǎn)生的卵細(xì)胞中，每對(duì)同源染色體會(huì)隨機(jī)的保留其中之一。具象的染色體模型有利于學(xué)生轉(zhuǎn)變思維定勢(shì)，將新舊知識(shí)間建立實(shí)質(zhì)性的聯(lián)系，深刻理解染色體隨機(jī)分配的過(guò)程及不同染色體組的共性。學(xué)生分析、討論后，得出概念：細(xì)胞中的一組非同源染色體，在形態(tài)和功能上各不相同，但又相互協(xié)調(diào)，共同控制生物的生長(zhǎng)、發(fā)育、遺傳和變異，這樣的一組染色體為一個(gè)染色體組。

2.3 進(jìn)行科學(xué)推理，突破概念“染色體組”

表1為教材中提供的馬鈴薯和香蕉的染色體數(shù)目表，表中已經(jīng)給出體細(xì)胞染色體數(shù)和體細(xì)胞非同源染色體數(shù)，教師要求學(xué)生填出配子染色體數(shù)，以厘清三者之間的關(guān)系。例如，馬鈴薯野生祖先的體細(xì)胞染色體數(shù)為24條，體細(xì)胞非同源染色體包括2套，配子染色體數(shù)有12條，每套非同源染色體稱為一個(gè)染色體組，則有2個(gè)染色體組，稱為二倍體。

表1 馬鈴薯和香蕉的染色體數(shù)目表

據(jù)此，學(xué)生能夠通過(guò)更多實(shí)例，理解染色體組及幾倍體的判斷方法。教師總結(jié)：對(duì)于由受精卵發(fā)育成的正常生物體而言，其體細(xì)胞中含有幾個(gè)染色體組就稱其為幾倍體。學(xué)生自主建構(gòu)單倍體、二倍體和多倍體的概念。

2.4 組織概念體系，構(gòu)建概念模型

學(xué)生理解“染色體組”的基礎(chǔ)上，再學(xué)習(xí)“染色體數(shù)目的變異”和“染色體結(jié)構(gòu)的變異”，更易于理解染色體數(shù)目的變異。教師引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建的關(guān)于“染色體數(shù)目的變異”概念圖，如圖5所示。

圖5 關(guān)于“染色體數(shù)目的變異”概念圖

3 總結(jié)反思

“模型與建?！笔且环N科學(xué)思維方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。在建構(gòu)模型時(shí)，老師不僅要重視靜態(tài)的模型內(nèi)容和模型知識(shí)的學(xué)習(xí)，更應(yīng)該重視動(dòng)態(tài)的建模過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中學(xué)會(huì)運(yùn)用模型和建模的方法探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，加深對(duì)生物學(xué)概念的理解和遷移。教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)綜合運(yùn)用各種建模的方法，不去“套?！?，學(xué)會(huì)靈活“建?！保?duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚c重建，才是模型建構(gòu)教學(xué)的關(guān)鍵。

物理模型具有直觀性、簡(jiǎn)潔性，便于動(dòng)態(tài)展示的特點(diǎn)，適合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平和心理特征的需要。物理模型在生物概念教學(xué)中，可以將復(fù)雜的過(guò)程、抽象的客觀事實(shí)及概念的實(shí)質(zhì)形象的展示出來(lái)；以物理模型為載體，能促進(jìn)學(xué)生更好地進(jìn)行概念轉(zhuǎn)變，深度學(xué)習(xí)。在本節(jié)教學(xué)中，教師讓學(xué)生通過(guò)建構(gòu)物理模型理解“染色體組”的概念及與“倍體”的關(guān)系，進(jìn)而遷移理解“染色體數(shù)目變異”和“染色體結(jié)構(gòu)變異”的過(guò)程。本節(jié)課以“減數(shù)分裂”“有絲分裂”的學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，結(jié)合物理模型，理清染色體數(shù)目變異可能出現(xiàn)的情況，引導(dǎo)學(xué)生組織概念，建構(gòu)概念體系。此過(guò)程能夠使學(xué)生思維過(guò)程可視化，利于提升學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，建構(gòu)概念體系，突破教學(xué)重難點(diǎn)及對(duì)生物學(xué)概念的深化理解，促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展。