利用模型構建開展遺傳學教學的實踐

張紅梅，蔡寶宏，邢朝斌，袁敏，龍月紅

利用模型構建開展遺傳學教學的實踐

張紅梅1，蔡寶宏2，邢朝斌1，袁敏1，龍月紅1

（1. 華北理工大學 生命科學學院，河北 唐山 063210；2. 唐山市第一中學，河北 唐山 063000）

在遺傳學教學過程中，為了能夠將抽象的內容以直觀、形象的方式呈現(xiàn)給學生，幫助學生更好地理解遺傳學理論知識，從明確任務、合作學習、制作模型、分析模型、完善模型、應用模型六方面將模型構建引入課堂教學．以問題驅動引導學生構建模型，使學生在構建模型的過程中理解遺傳學概念，在分析模型中領悟遺傳規(guī)律的實質，在應用模型中內化遺傳學知識，從而提高教學質量，發(fā)展學生的科學思維．以“連鎖與交換”一節(jié)內容為例，講述遺傳學教學過程中開展物理模型構建的具體流程．

遺傳學；模型構建；物理模型；教學實踐

遺傳學是自然科學領域中探究生物遺傳與變異規(guī)律的科學，主要研究基因的結構、功能及其變異、傳遞和表達規(guī)律．遺傳學知識內容抽象，難以理解．為了更好地提高教學質量，華北理工大學遺傳學專業(yè)采用六步教學法帶動學生主動參與課堂教學，該教學方法提高了學生的學習興趣和積極性，學生通過觀看學習通平臺微課，可以有效進行自主性和拓展性學習[1]．采用多元考核評價體系[2]，可以很好地激勵學生注重平時的過程性評價考核，注重知識循序漸進的積累，這些措施在一定程度上提高了遺傳學的教學質量．

模型是為了某種特定的目的而對認識對象所做的一種簡化的概括性描述，具有化抽象為具體，化微觀為宏觀，化復雜為簡單的特征[3]．物理模型是以實物或圖畫形式直觀地表達認識對象的特征[4-11]．遺傳學是探索生命現(xiàn)象，研究基因的結構與功能的學科．基因是看不見摸不著的，原核細胞和真核細胞的基因傳遞方式不同，細胞核、細胞質中的基因傳遞方式也不同，這使遺傳三大定律，尤其是連鎖與交換定律以及真菌、細菌、病毒的遺傳分析成為學生學習的難點．在高校的遺傳學教學中，為了將基因直觀地標記在看得見的染色體上來研究基因的傳遞規(guī)律，根據不同的教學內容和模型的特點，將物理模型構建、數(shù)學模型構建、概念模型構建應用于遺傳學教學中，引導學生在建模的過程中領悟基因的傳遞實質，攻克學習難點，進而提高教學質量．本文以“連鎖與交換”為例，講述物理模型構建在遺傳學教學中的應用．

1 利用模型構建開展遺傳學教學的策略

依據遺傳學教學理念、校情、學情，研析教材，將構建模型應用于遺傳三大定律，真菌、細菌、病毒的遺傳分析，數(shù)量性狀遺傳及群體遺傳等教學中．主要從三方面開展模型構建：（1）單元或模塊教學結束后，引導學生構建知識點間的概念模型；（2）關于不同生物基因傳遞規(guī)律的探索，鼓勵學生構建物理模型；（3）關于數(shù)量性狀遺傳、近親繁殖、雜種優(yōu)勢、群體遺傳等內容，鼓勵學生構建數(shù)學模型．模型構建的教學流程見圖1．

圖1 利用模型構建開展遺傳學教學的流程

2 利用模型構建開展教學實踐

連鎖與交換是生物界的普遍現(xiàn)象，也是形成生物多樣性的重要原因，在動植物育種和醫(yī)學實踐中具有重要意義．“連鎖與交換”是遺傳學第三定律的基礎，學生只有掌握了其發(fā)生機制，才能更深入地學習基因定位、三點測驗等內容，才能更好地運用第三定律指導生產生活實踐．該內容也是連結孟德爾定律和遺傳第三定律的橋梁．部分學生在學習過程中容易將其與自由組合規(guī)律混淆．因此，采用模型構建的方法幫助學生更好地理解此部分內容．

2.1 創(chuàng)設情境，明確任務

教學情境：教師課前通過學習通或上一節(jié)課堂提前發(fā)布相關任務，以貝特生和龐尼特的科學史引入，展示兩位科學家將兩親本分別為紫花長花粉粒（AABB）和紅花圓花粉粒（aabb）的香豌豆雜交得到的實驗結果．實驗結果F1為紫花長花粉粒，F(xiàn)2的性狀及其統(tǒng)計的個體數(shù)為：4 831個紫花長花粉粒，390個紫花圓花粉粒，393個紅花長花粉粒，1 338個紅花圓花粉粒．

基于教學情境，要求小組合作完成任務．問題驅動1：基于表1中的問題構建經減數(shù)分裂產生配子的染色體變化的物理模型，幫助兩位科學家驗證這兩對相對性狀的基因是否符合自由組合定律，并給出合理的解釋．學生采用手工繪圖或電腦繪圖的方式進行制作．

表1 學生制作模型的內容及條件

問題驅動2：分析制作的模型，繼續(xù)解決問題：（1）發(fā)生交換的胞母細胞數(shù)的百分率和產生的重組型配子的百分率間存在怎樣的數(shù)學函數(shù)關系；（2）為什么重組型配子的百分率一定小于50%．

2.2 合作學習，自主學習

基于問題，教師首先引導學生觀看學習通平臺的微視頻，自主學習或小組討論連鎖與交換的相關概念及其交叉互換的機制，有助于學生制作模型，也使模型更符合科學事實和依據．

2.3 小組合作，制作模型

學生提前學習相關內容，課前分組討論，共同設計方案，解決相關問題．按照模型的制作流程（確定模型種類——準備材料用具——確定實施過程和小組成員分工——完成模型制作——檢查修補模型——與他人交流等）制作初步模型，并將制作好的初步模型上交，采用電腦軟件制作的模型上傳到學習通，手工繪圖或采用彩泥制作的模型直接交給教師，也可將本組的模型分享給其他小組進行對比交流．

2.4 教師精講，分析模型

由于經過課下自主學習及模型制作，大部分學生對連鎖與交換現(xiàn)象有了初步了解，為了教學的連續(xù)性，課堂上，教師以課前設置的教學情境引入，借助學生制作的模型，只對本節(jié)的內容進行選擇性講解，教學側重引導學生用遺傳學的思維探究遺傳現(xiàn)象，認識連鎖遺傳現(xiàn)象，進而領悟連鎖交換的實質．

構建模型之后，對模型分析，從中得到相關信息，悟出相應的道理才是模型構建活動的根本目的，才能從本質上理解遺傳現(xiàn)象．教師精講本節(jié)內容后，在后半節(jié)課，首先由學生講述自己制作的模型，之后針對學生的建模情況、建模過程中遇到的典型問題，師生間展開討論、歸納總結，教師補充相應的知識點．討論主要集中在幾個方面：（1）在學生構建的模型（見圖2）中，對比模型2和模型3，呈現(xiàn)出完全連鎖和不完全連鎖兩種情況，完全連鎖類似于一對等位基因的遺傳；（2）對比模型1和模型3，可以看出獨立遺傳和連鎖遺傳的實質區(qū)別，配子產生的方式不同；（3）對比模型3和模型4，可知重組型配子的產生需要在兩連鎖基因間發(fā)生交叉互換，綜合模型3和模型4可知，重組型配子所占的比例一定小于50%；（4）除了完全連鎖外，是不是兩基因間都可以發(fā)生交叉互換．討論結果為：離著絲粒近的基因間不容易發(fā)生交換，兩連鎖基因間距離太近不容易發(fā)生交換．據此學生檢查自己的模型，是否存在不合理之處．

圖2 學生制作的4種模型

在此次物理模型構建教學實踐中，基于教師的全程引導，全班分為6組，每組5人．其中一組學生所構建的模型存在姐妹染色單體的長度明顯不等，產生的配子中存在染色體組合異常；另一組學生將兩對基因分別定位于染色體的長臂和短臂，對兩基因間的交叉互換理解錯誤，這也是教學中需要強調的一點，兩基因間交叉互換考慮的是位于同一染色體同一臂上的基因，這也為后續(xù)的基因定位三點測驗打下基礎．

2.5 深悟知識，完善模型

針對課上講解的內容，各組學生課下將模型完善修改，進一步深入領會連鎖與交換的實質，并將修改好的模型提交，作為過程性考核評價的一項成績．

為了更好地開展下一節(jié)課的教學，教師課下布置新的建模任務．問題驅動3：基因型為AaBbCc的個體，其中A，B，C位于一條同源染色體上，a，b，c位于另一條同源染色體上，在上述建模的基礎上，請你構建一種在A/a和B/b之間發(fā)生交叉互換的同時，B/b和C/c之間也發(fā)生交叉互換的模型5．通過建好的模型5，將產生的重組型配子與親本型配子相比，位于哪個位置的基因發(fā)生互換．

2.6 內化知識，應用模型

教師通過學習通平臺發(fā)布一道試題，檢驗學生能否通過構建簡易模型解決遺傳學問題．

原題：下面有兩種雜交組合，①aaBb×Aabb雜交；②AaBb×aabb雜交，請你用圖解的方式說明這兩種雜交組合能否證明自由組合定律？（用豎線表示相關染色體，用點表示基因的位置，不考慮交叉互換，嘗試畫出兩組別親本的基因位置關系并寫出后代的基因分離情況）．

參考答案（見圖3）：AaBb×aabb雜交，在獨立遺傳時后代性狀分離比和連鎖遺傳的情況下后代性狀分離比不同，因而可以證明自由組合定律；而aaBb×Aabb雜交，在獨立遺傳和連鎖遺傳時后代性狀分離比相同，因而不能驗證自由組合定律．

親本（不考慮交叉互換）后代基因型及比例后代表現(xiàn)型及比例 兩對基因獨立遺傳4種AaBb∶Aabb∶aaBb∶aabb=1∶1∶1∶14種1∶1∶1∶1 兩對基因連鎖遺傳2種AaBb∶aabb=1∶12種1∶1 兩對基因連鎖遺傳2種Aabb∶aaBb=1∶12種1∶1 兩對基因獨立遺傳4種AaBb∶Aabb∶aaBb∶aabb=1∶1∶1∶14種1∶1∶1∶1 兩對基因獨立遺傳4種AaBb∶Aabb∶aaBb∶aabb=1∶1∶1∶14種1∶1∶1∶1

在循序漸進、學生已有知識的基礎上，首先，利用教學情境激發(fā)學生的學習興趣，引導他們積極思考，自主學習微課，主動構建4種主要的模型，進而幫助學生更好地理解自由組合定律和連鎖交換律之間的異同、連鎖與交換的實質、連鎖的類型等相關知識．之后，通過進一步的問題驅動，鼓勵學生建立三對等位基因間的雙交換模型，為下節(jié)課的教學打下基礎．通過一道試題的檢測發(fā)現(xiàn)，大部分學生都能很好地掌握連鎖與交換的內容，能通過用豎線表示相關染色體，用點表示基因建立簡單的模型來解決問題．

3 結語

通過引入科學史實，引導學生將新知識遷移到原有的知識體系中建立物理模型，激發(fā)學生的學習興趣，體驗建模的過程，主動參與科學探知，充分體現(xiàn)了學生為主體的學習地位，提高了學生的科研探究能力．將構建模型引入遺傳學教學，將看不見、摸不著的基因定位于看得見的染色體上來研究減數(shù)分裂過程中染色體的行為，形成感性認識，使抽象的內容具體化、形象化，加深學生對相應知識的理解．在知識點考查難度一致的前提下，將實驗班（2020級生物技術專業(yè)）與對照班（2019級生物技術專業(yè)）相比，實驗班平均分為83.3分，而對照班平均分為78分，可見模型構建有助于學生對遺傳學知識的理解．

經過建模過程的教學實踐，得出建模過程中應注意的幾點內容：（1）對于建模，教師教學過程中要圍繞教學目標，選取合適的教學內容布置建模任務，此外，教師要給出明確的方向或者示范性的簡單指導，引導學生從不同的角度分析模型，進而完善模型，使其更具科學性；（2）學生的繪圖能力不同，所建模型有好壞之分，但一定注重學生親自建模的過程，堅決杜絕利用已有的模型，不親身感受建模的過程，難以領悟建模的目的，難以理解模型中蘊含的遺傳知識；（3）教師授課過程中，借用學生已建成的模型進行講解，讓學生具有成就感，調動學生的學習積極性，同時要掌控教學的“量”和課堂教學時間；（4）模型的建立是在一定前提條件下建成的，具有一定的局限性，任何一種模型都不能完美地代表真實的遺傳現(xiàn)象，因此要用發(fā)展的眼光看待模型，由一種模型推及另一種模型，真正實現(xiàn)通過模型認識遺傳現(xiàn)象背后的遺傳規(guī)律．

[1] 張紅梅，邢朝斌，蔡寶宏，等．五步教學法在遺傳學教學中的應用[J]．高師理科學刊，2023，43（4）：107-110．

[2] 張紅梅，李明，沈海娥，等．多元考核評價體系在遺傳學教學中的實踐[J]．高師理科學刊，2019，39（10）：100-102．

[3] 王茹，胡選萍，封濤，等．物理模型教學的誤區(qū)與超越[J]．中學生物教學，2022（2）：29-31．

[4] 合嬈嬈，劉劍，朱明艷．基于模型構建的“細胞的能量‘貨幣’ATP”教學設計[J]．中學生物教學，2023（3）：52-54．

[5] 楊海蓮．利用模型構建開展概念教學的實踐研究：以“生物與環(huán)境組成生態(tài)系統(tǒng)”為例[J]．中學生物教學，2023（4）：24-26．

[6] 王栩，朱曉燕．運用SNP模式進行“體液免疫”一節(jié)論證式建模教學嘗試[J]．生物學通報，2020，55（12）：41-43．

[7] 張士亮．在概念模型建構中發(fā)展學生學科核心素養(yǎng)[J]．教學考試，2020（24）：24-27．

[8] 趙萍萍，趙博，劉恩山．建模教學研究進展及其對理科建模教學的啟示：基于學科教學視角[J]．教育導刊，2015（2）：42-45．

[9] 嚴惠馨，劉艷秋，李曉杰，等．基于學生實驗探究構建數(shù)學模型的“種群數(shù)量的變化”教學設計[J]．生物學通報，2021，56（7）：28-31．

[10] 張玉平，馮明董．遺傳計算中數(shù)學模型的構建[J]．生物學通報，2019，54（1）：21-23．

[11] 潘曉燕，陳瓊．基于紙模型的“基因伴隨染色體傳遞”一節(jié)的教學設計[J]．生物學教學，2023，48（1）：38-40．

Practice of using model construction to carry out genetics teaching

ZHANG Hongmei1，CAI Baohong2，XING Zhaobin1，YUAN Min1，LONG Yuehong1

（1. School of Life Sciences，North China University of Science and Technology，Tangshan 063210，China；2. The First Middle School of Tangshan，Tangshan 063000，China）

In order to present abstract content to students in an intuitive and visual manner，help students can thus better understand the theoretical knowledge of genetics，teachers introduce model construction into classroom teaching from arranging clear tasks，cooperative learning，modeling，analyzing model，improving model，applying model six aspects．Guide students to construct models through problem-driven guidance，enable students to understand genetic concepts during the process of constructing models，understand the essence of genetics laws during the process of analyzing models，internalize genetic knowledge during the process of applying models，so then improve the quality of teaching and develop students′ scientific thinking in the process．Take the section on linkage and exchange as an example to describe the specific process of physical model construction in genetics teaching．

genetics；model construction；physical model；teaching practice

1007-9831（2024）02-0101-05

Q3∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2024.02.021

2023-09-07

河北省高等教育教學改革研究與實踐項目（2022GJJG211）

張紅梅（1977-），女，河北唐山人，副教授，碩士，從事遺傳學研究．E-mail：1441063447@qq.com