基于概念模型建構的人類遺傳專題復習設計

吳文清

摘要 在人類的遺傳專題復習教學中，建構有性生殖過程中染色體和相關基因傳遞的概念模型，可以較好地實現初中學生對遺傳及相關知識的概念化和體系化，深入理解生物遺傳模塊中的重要概念，發展理性思維能力。

關鍵詞 有性生殖 概念模型 染色體 基因

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

概念模型是科學模型中思維模型的一種形式，是學生在教師的引導下，利用已有的知識背景，自主建構知識體系的過程，常用于生物學核心概念的學習。模型建構是人們按照特定的科學研究目的，在一定的假設條件下，通過研究模型來揭示原型的形態、特征和本質的方法，是以簡化和直觀的形式來顯示復雜事物或過程的手段。模型建構作為一種認識手段和思維方式，在生物學教學中有著廣泛的應用。

生物遺傳是建立在生物生殖發育基礎上的遺傳信息的傳遞和表達過程。學生通過初中生物遺傳模塊學習后，可以初步運用基因在親子代之間的傳遞過程來解釋遺傳現象，但由于對生殖與遺傳的關系以及遺傳的本質理解不到位，無法將遺傳知識概念化和體系化，導致無法熟練應用概念，例如無法對遺傳基礎上發生的生物變異現象作出準確的分析和解釋。因此，教師需要給學生提供必要的認識手段來內化遺傳模塊的有關概念。以人類的遺傳專題復習為例，教師可以對教材內容進行重組，首先使學生理清有性生殖的基本過程和實質，接著以有性生殖過程中遺傳信息如何傳遞為思維線索，促使學生建構概念模型，促進學生對重要概念的理解和應用。

1回顧遺傳信息的載體——染色體的特點

教師展示人類女性體細胞內的染色體圖譜，通過“數一數”活動，明確人類體細胞中染色體的特點：共有46條，形態兩兩相同。

教師：不同生物的染色體上攜帶著特定的遺傳信息，從染色體角度來看每種生物體細胞中染色體的形態和數目保持恒定。例如果蠅體細胞中有4對染色體；蝗蟲體細胞內有12對染色體；豌豆體細胞內7對染色體；玉米體細胞內有10對染色體。細胞分裂過程如何保證了細胞前后代遺傳信息的穩定？

教師展示動植物細胞分裂的過程，總結細胞分裂的基本過程：細胞核先一分為二，接著細胞質也一分為二，最后一個細胞分裂成兩個子細胞。

教師引導學生分析：因為每對染色體上都含有該種生物特定的遺傳信息，為保證這些遺傳信息能準確無誤地傳遞給子代細胞，在細胞分裂過程中細胞核中的染色體會先進行復制，形成形態和數量完全相同的兩份染色體；然后兩份染色體分別進入到新形成的細胞核中；最終每個新形成的子細胞其染色體的形態和數量都和母細胞完全相同，遺傳信息就實現了穩定傳遞。

2依據有性生殖的過程，建構染色體傳遞概念模型

教師引導學生回顧人的生殖過程，與無性生殖進行比較，明確有性生殖的特征：生物體雌、雄個體分別產生卵細胞和精子；在生殖活動中，精子和卵細胞通過受精作用（細胞核融合）形成受精卵；受精卵經過發育形成子代個體。

教師提出問題：有性生殖過程中如何保證生物親子代遺傳信息的穩定？假設經細胞分裂形成的精子或卵細胞的染色體也是23對，精子與卵細胞結合成的受精卵中染色體的數目是多少？若為46對染色體呢？

教師：科學家發現，進行有性生殖的生物，其生殖細胞中的染色體數目為體細胞的一半，保證了父本產生的精子與母本產生的卵細胞隨機融合形成的受精卵，其細胞核中的染色體一半來自父本，一半來自母本。據此，請構建有性生殖染色體傳遞概念模型（圖1）。

教師引導學生分析：從染色體的形態和數量兩方面分析，生殖細胞中的染色體形態各不相同，彼此不能成對，受精卵細胞中的染色體兩兩成對。受精卵是有性生殖生物個體發育的起點，染色體攜帶父母的遺傳信息通過受精卵結合在一起，共同對子代的遺傳性狀起作用。

3建構有性生殖基因傳遞概念模型，分析人類基因在親子代之間的傳遞

教師：遺傳信息在生物的生長發育過程中會起調控作用，使得生物體的后代表現出和親代個體相同或相似的形態結構和生理特征，這些特征被稱為生物的遺傳性狀。

教師展示資料1：遺傳學家通過研究，揭示了控制生物遺傳性狀的基本單位是基因，它們存在于細胞里的DNA分子上。DNA分子含有許多有遺傳功能的片段，其中不同的片段含有不同的遺傳信息，分別控制不同的性狀，這些片段就是基因。細胞核中的DNA分子和它們所攜帶的基因大多規律地集中在染色體上。每條染色體含有上千個基因。

教師要求學生根據資料1，填寫染色體、DNA和基因三者的關系圖（圖2）。

教師展示資料2：遺傳學家進一步研究發現：控制生物性狀的基因有顯性和隱性之分，在生物的生殖細胞中，基因是單個獨立存在的；而在生物的受精卵和其他細胞中，基因則是成對存在的。成對的基因共同控制著生物體的某一遺傳性狀。用熒光染色技術可準確地確定基因在特定染色體上的位置（圖3中藍色棒狀結構為染色體，不同顏色的發光點為基因）。

教師要求學生完成關于基因與染色體關系的概念圖4，并完成技能訓練技能訓練1：Ⅰ號和Ⅱ號染色體為人類體細胞中成對的染色體，那么這對染色體的來源有什么不同？1條來自于父本，1條來自于母本；從父方和母方的體細胞內選取一對染色體，在每對染色體上分別用A或a表示成對的基因，構建有性生殖基因傳遞概念模型（圖5）。

教師：根據孟德爾遺傳定律，基因組成為AA和aa的親本分別表現出相對性狀中的顯性性狀和隱性性狀。基因組成為Aa的子代個體表現為顯性基因所控制的性狀。在一個龍鳳雙胞胎家庭中父母和雙胞胎哥哥都是雙眼皮，妹妹是單眼皮，請嘗試分析為什么妹妹是單眼皮？請利用基因傳遞概念模型進行分析并在小組內展示。

4建構有性生殖性染色體傳遞概念模型，分析人類性別決定的過程和特點

學生：比較男性和女性染色體圖譜，回憶1～22號染色體男女彼此相同，被稱為常染色體，第23號的兩條染色體男女不同，與性別形成有關，被稱為性染色體。女性的性染色體可表示為XX，男性的性染色體表示為XY。

教師要求學生完成表1。遺傳病，患者不能分辨紅色和綠色。根據統計，男性群體紅綠色盲癥的發病率約為6.8%，女性群體發病率約為0.5%。該遺傳病是由紅綠色盲基因控制的遺傳病。人類控制色覺的基因位于X染色體上，Y染色體過于短小，缺失與X染色體同源的片段，所以沒有控制色覺的基因分布。

教師要求學生完成表2。

教師提出問題：一對色覺正常的夫婦生了一個患有紅綠色盲癥的兒子，這對夫婦的色覺基因組成分別是怎樣的？（X^AY，X^AX^a）。這對夫婦再生一個孩子，生出患有紅綠色盲癥孩子的概率是多少？構建該情境下的有性生殖色覺基因傳遞概念模型（圖7）。

首先教師利用擲硬幣活動，讓學生了解什么是概率事件。再讓學生回顧模擬探究人類性別決定活動，指出小袋內放數量相等的兩種顏色小球、每次只從小袋內隨機摸出一個小球等操作都體現了人類性別決定是概率性事件。最后，教師引導學生嘗試解釋人類群體中性別比例接近1：1的原因：在自然人群中，男性產生x精子和Y精子的數量比接近1：1，兩種精子與卵細胞結合的機會是均等的，即形成XX和XY兩種合子的機會接近1：1，又由于兩種合子發育成新個體的機會是均等的。這三個均等的概率事件共同決定了在無人為干預下，人類的性別比例接近于1：1。

5建構有性生殖色覺基因傳遞概念模型，分析人類紅綠色盲癥遺傳特點

教師展示資料3：紅綠色盲癥是一種常見的人類

教師引導學生分析：由于父親的x染色體具有色覺正常基因，經婚配后將該基因傳給女兒，所以該家庭女性后代色覺都是正常的；而母親是色盲基因攜帶者，其產生的卵細胞一半含有色盲基因，經婚配后所生的男孩有50%的可能性是色盲患者。綜合男孩、女孩的患病概率，這對夫婦生出患有紅綠色盲癥孩子的概率是25%。此外，如果這個家庭中的色盲癥患者再婚配，其色盲基因會傳給兒子，從而進一步總結紅綠色盲癥的遺傳方式——隔代交叉遺傳。

本次概念模型建構的創新教學重在通過展現生物的生殖與遺傳之間的內在關聯，促進學生理解遺傳是以染色體和基因為載體的信息傳遞過程，達成對“生物能以不同的方式將遺傳信息傳遞給后代；一些進行有性生殖，后代的遺傳信息可來自不同的親本”這一重要概念的深刻理解。在分析具體案例中，學生的科學思維能力也得到了相應的提高。