類比模型在高中遺傳學核心概念教學中的應用

陳穎芳++張鋒

摘 要 在高中遺傳學核心概念教學過程中，充分利用類比模型建構課堂的教學，能實現遺傳學核心概念所表征的事物簡化或抽象化，并且促使學生深刻理解遺傳學核心概念的內涵和本質。

關鍵詞 遺傳學 類比模型 概念教學

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

遺傳學是生物學重要的分支，是基礎教育生物學的重要內容。理解掌握遺傳學的核心概念不僅有助于學生理解生命的延續和發展，還能提高學生的邏輯思維能力和生物科學素養。開展高中遺傳學核心概念的教學不能僅僅依靠學生背誦記憶細枝末節的信息或事實，而是需要引導學生像科學家那樣積極主動參與探究，深入理解從大量事實中概括出的抽象規律和原理。

建構模型的過程是一個探究的過程，可以使學生對所學內容的形成深入理解。類比模型及其建構是開展高中遺傳學核心概念教學的重要的學習方法。

1 類比模型簡述

類比模型就是基于相似屬性，用人們熟悉的事物類比和表征不熟悉的事物。從學生已知的、熟悉的、容易理解的事物模型中找到可比的共性，并讓學生在學會模仿的基礎上，歸納、類比到相應的模型當中，將各個知識點與模型中熟悉的知識點進行對應類比，從而更好地幫助學生接受和理解新的事物。

2 運用類比模型傳遞遺傳學核心概念

概念是由眾多事實歸納推理分析得出的，因此核心概念教學也應該是建立在事實感知的基礎上。而遺傳學核心概念所表征的事物DNA、基因等往往微觀且抽象，通過對生物原型的簡化和純化，以形象化方法建構的生物模型，能使研究對象直觀化。學生可以根據模型，推測原型的未知屬性、并發現問題，從而認識事物中所蘊含的規律。例如，用毛線類比染色質，毛線團類比染色體可以讓學生直觀理解“染色質和染色體是同一物質在不同時期的兩種表現形式”。

基于劉恩山等提出的類比模型建構的一般程序和指導策略，下面以人教版高中生物必修2第三章第二節“DNA分子的結構”核心概念教學為例，呈現類比模型建構的一般過程。

2.1 明確類比模型建構的目的

本節課的核心概念為：DNA分子是由四種小分子（脫氧核苷酸）組成的長鏈，兩條反向平行的長鏈形成雙螺旋結構。針對這一核心概念，依托類比模型的建構，圍繞DNA雙螺旋結構模型的科學研究歷程，設計學生建模活動，通過形象生動的類比模型將DNA這一微觀、抽象的物質直觀化形象化，從而激發學生的學習興趣和進一步培養他們探究能力。

2.2 初步選擇類比模型表達方式

在高中遺傳學的教學實踐中，教師常常用雙條電話線、螺旋樓梯等模型來類比DNA，這些模型雖然可以幫助學生形象理解DNA雙螺旋空間結構，但是學生對于基本組成單位脫氧核苷酸如何構成DNA雙鏈仍然缺少感性的認識。磷酸、脫氧核糖、堿基具有復雜的分子結構，教師可選擇DNA分子雙螺旋結構模型組件中的白色小球、藍色小球、帶凹凸的圓柱將其展示出來。

學生親手利用模型盒中的組件制作DNA雙螺旋結構模型，不僅能再現課堂教學中難以直接觀察到的DNA分子的結構，還可以在模型制作過程中體驗形象化具體化的過程，加深對DNA分子結構特點的認識和理解。

2.3 類比模型的建構

類比模型建構的主要過程可以簡化為“FAR（聚焦-行動-反思過程）”，具體如下：

Focus（聚焦）：類比模型的建構并不是進行單純的手工活動，因此進行類比模型建構的過程初始，教師應該關注并引導學生思考已學概念與本節課核心概念之間的聯系，讓學生明確類比模型建構的目的。同時，在師生共同查閱資料基礎上，教師要盡量創造一個真實的情境，鼓勵學生像科學家一樣思考，制作模型。

通過課前布置學生復習必修一第二章第三節“遺傳信息的攜帶者”和預習本節課初始的學習任務：閱讀課本中DNA雙螺旋結構模型的科學研究歷程，以小組為單位，應用A型DNA的X射線衍射圖譜、B型DNA的X射線衍射圖譜等科學實驗數據設計，建構DNA結構模型。這樣讓學生熟悉所要制作的DNA類比模型，為接下來模型建構打下良好的基礎。

Action（行動）：在學生建構DNA類比模型過程中，教師要注意引導學生觀察思考模型盒提供的材料如白色小球、帶凹凸的圓柱等所類比的物質；注意引導學生討論DNA與脫氧核苷酸的關系，DNA類比模型與DNA雙螺旋結構間的相似性，從而不斷強化學生建模過程中的思維能力。

課堂上教師以“基本單位—單鏈—平面雙鏈—立體空間結構”為任務驅動，采取“分步走”策略，逐步深入。學生以小組為單位根據資料信息利用模型盒中的組件嘗試建構DNA結構模型。

需要指出的是：在模型的建構活動二、三、四過程中，教師要注重引導激發學生分析科學研究歷程中關鍵的信息，不斷檢驗修正建構的DNA模型。

資料1：對富蘭克林拍攝的DNA之B型X射線衍射照片的分析表明DNA分子是由脫氧核苷酸組成的長鏈。

資料2：磷酯鍵是結合力最強的共價鍵。

學生在分析上述兩則資料的基礎上，明確相鄰脫氧核苷酸的核糖和磷酸脫水縮合形成脫氧核苷酸長鏈，并能順利進行活動二，準確建構脫氧核苷酸單鏈的結構模型。

資料3：堿基疏水，脫氧核糖和磷酸親水，而DNA在細胞內始終處于水環境中。

資料4：DNA分子半徑是約10[A] 。并提供四種含氮堿基結構式。

資料5：劍橋大學數學系研究生格里菲斯應用量子力學和化學鍵理論計算不同堿基間的吸引力大小以及如何搭配才能使分子趨于最穩定，理論計算表明A吸引T，G吸引C。

資料6：1952年，奧地利生物化學家查哥夫對多種動物體內的堿基含量進行分析，提出A=T、G=C。

資料7：對富蘭克林拍攝的DNA之B型X射線衍射照片的分析表明A-T堿基對與G-C堿基對長度相等，又恰恰與DNA分子的直徑相當。

模擬游戲：1名學生模擬脫氧核苷酸，讓兩列的學生先各自組成一條脫氧核苷酸鏈，然后再構建成雙鏈結構。

學生在分析資料3～7和進行模擬游戲基礎上，提取如下相關信息并構建DNA平面結構模型：① DNA分子由脫氧核糖和磷酸交替連接排列在外側，構成基本骨架，堿基排列在內側；② 堿基遵循堿基互補配對原則，通過氫鍵連接成堿基對；③ DNA分子是由兩條脫氧核苷酸長鏈組成的，這兩條鏈以反向平行方式排列。

資料8：對富蘭克林拍攝的DNA之B型X射線衍射照片的分析還表明：直線的間距是DNA分子重復單元（一個完整的螺旋）的間距；堿基對的間距是3.4[A] ；每個完整的螺旋高度是34[A] 。

最終，學生形成“DNA分子盤旋成雙螺旋結構，每個螺旋里含10個堿基對”這一結論，并準確建構DNA雙螺旋結構。

通過這樣“點—面—線—立體”建構DNA雙螺旋結構類比模型的過程，最終促進學生對DNA結構知識的學習和深入理解，同時使學生學習科學家善于捕獲、分析信息的能力，嚴謹的思維品質及持之以恒的科研精神。

Reflection（反思）：學生基于其自身建構的類比模型開展小組或全班的討論，教師需要引導學生在展示、交流和表達中分析建構的類比模型科學準確與否，是否需要再修正，同時比較各組DNA模型，找出模型間的相同點與不同點，進而總結出DNA模型因堿基的數目、排列順序不同而存在差異，推導出堿基對數目和堿基對排列方式的數學模型，有效地幫助學生由感性認識到理性認識、由具體到抽象深刻理解DNA雙螺旋結構多樣性、特異性與穩定性的特點。

3 類比模型選擇與建構過程中應注意的問題

類比模型建構的合理應用有助于學生個性的發展和潛能的開發，強化了與數學、物理等學科的內在聯系，加強了理科思維的培養，提高了學生的科學素養。然而，在不同學習任務的驅動下，教師需要靈活選擇類比模型的表達方式，注意多種類比模型呈現的時機和順序，以便更符合學生現有的知識結構與認知規律。

例如，雖然教師在前面的學習中指導學生利用DNA分子雙螺旋結構模型組件制作出形象直觀的DNA雙螺旋結構類比模型，但在接下來一節“DNA的復制”中“DNA的復制方式的發現”這一科學史教學時，可以進一步簡化DNA的類比模型，用線與線段將DNA復制的方式直觀化形象化。

其次，要讓學生明確的知道類比模型和原型之間是存在差異的，對于不同的類比材料，它們的差異程度有較大的區別。教師在教學的過程中，要注意引導學生比較簡化的類比模型和所類比概念間的不同屬性，以免使學生形成錯誤的概念。例如，教學中，教師經常用三葉草結構模型類比tRNA的分子結構，學生在關注到單鏈tRNA折疊成三葉草結構的同時往往誤認為組成tRNA的核糖核苷酸之間不形成氫鍵。

參考文獻：

[1] 張穎之，劉恩山.核心概念在理科教學中的地位和作用——從記憶事實向理解概念的轉變[J].教育學報，2010，6（1）：57-61.

[2] 趙萍萍，劉恩山.科學教育中模型定義及其分類研究述評[J].教育學報，2015，11（1）：46-53.