利用染色體模型開展核心概念教學(xué)

王愛東

摘要 利用塑料包裝繩為主要材料，自制染色體模型，開展有絲分裂、減數(shù)分裂、基因分離定律和自由組合定律實(shí)質(zhì)等部分相關(guān)核心概念的教學(xué)，取得良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 染色體模型 核心概念 概念教學(xué)

中圖分類號 G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)f2017年版1》（以下簡稱新課標(biāo)）在教學(xué)內(nèi)容要求中提到以下概念：描述細(xì)胞通過不同的方式進(jìn)行分裂，其中有絲分裂保證了遺傳信息在親代和子代細(xì)胞中的一致性；闡明減數(shù)分裂產(chǎn)生染色體數(shù)量減半的精細(xì)胞或卵細(xì)胞；闡明有性生殖中基因的分離和自由組合使得子代的基因型和表現(xiàn)型有多種可能，并可由此預(yù)測子代的遺傳性狀等等。對上述概念的學(xué)習(xí)和認(rèn)知都依賴染色體的行為和數(shù)量變化。而對中學(xué)生而言，“染色體”還是較為抽象的概念，因此，新課標(biāo)在教學(xué)提示中建議運(yùn)用“模型”開展相關(guān)教學(xué)活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的提升。筆者利用塑料包裝繩為主要材料，自制染色體模型進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。

1模型的制作

1.1材料和工具

塑料包裝繩（紅色和白色各1卷）、雙面膠、剪刀、卷尺、硬紙板若干。

1.2制作方法

染色質(zhì)是由DNA和蛋白質(zhì)組成，其中DNA是遺傳物質(zhì)，因此在模型中重點(diǎn)突出DNA。將兩根塑料包裝繩對齊后在繩子中間一起打結(jié)，繩結(jié)代表著絲點(diǎn)。之后用手搓繩，使其纏繞在一起，代表雙螺旋的DNA分子（圖1），模擬染色質(zhì)的形態(tài)。利用雙面膠纏繞著絲點(diǎn)，將兩組圖1模型粘在一起，模擬復(fù)制后的染色質(zhì)（圖2）。

將圖1染色質(zhì)模型一端固定，用手搓另一端，直到繩子中間出現(xiàn)自動(dòng)纏繞的趨勢為止，然后兩端分別向繩結(jié)對折，繩子會(huì)自動(dòng)纏繞（圖3），模擬高度螺旋狀態(tài)的染色體。利用雙面膠纏繞著絲點(diǎn)，將兩組圖3模型粘在一起，模擬復(fù)制后的染色體（圖4）。

2教學(xué)應(yīng)用

2.1利用模型進(jìn)行基本概念教學(xué)

2.1.1染色質(zhì)和染色體

細(xì)胞未分裂時(shí)，染色質(zhì)為細(xì)長的絲狀（展示圖1模型）。細(xì)胞分裂間期DNA復(fù)制，一個(gè)DNA分子復(fù)制成2個(gè)相同的DNA分子，仍連接在同一個(gè)著絲點(diǎn)上（展示圖2模型）。為了便于遺傳物質(zhì)平均分配，在細(xì)胞分裂前期染色質(zhì)會(huì)高度螺旋化為染色體（展示圖4模型），在細(xì)胞分裂后期染色體后一份為二（展示圖3模型），并且平均到兩個(gè)子細(xì)胞，染色體解螺旋為染色質(zhì)（圖5）。這樣使學(xué)生掌握：染色質(zhì)和染色體本質(zhì)上是相同的，只是在細(xì)胞分裂過程中存在時(shí)期不同，狀態(tài)不同。

2.1.2同源染色體和非同源染色體

同源染色體是指形狀和大小相同、一條來自父方，一條來自母方的兩條染色體。圖6中的染色體顏色不同代表來源不同，著絲點(diǎn)的位置以及著絲點(diǎn)兩側(cè)染色體臂的長短可以幫助學(xué)生判斷染色體的性狀。據(jù)此，學(xué)生很容易判斷出1和2、3和4、5和6為同源染色體。在認(rèn)識(shí)同源染色體的基礎(chǔ)上，很容易判斷出，除2號染色體外，1號染色體與其他染色體均為非同源染色體關(guān)系。教師進(jìn)而要求學(xué)生列出圖中所有的非同源染色體的分組情況，為后續(xù)的學(xué)習(xí)做鋪墊。

2.1.3等位基因和非等位基因

等位基因是只控制相對性狀的基因，往往位于同源染色體的相同位置上。假如一個(gè)細(xì)胞的基因型為AaBbEe，位于兩對同源染色體上。標(biāo)出部分基因（A、b、E）在染色體上的位置（圖7A），要求學(xué)生標(biāo)出其余基因在染色體上的位置，具體見圖7B。根據(jù)上述結(jié)果，學(xué)生能清晰認(rèn)識(shí)到非等位基因包括位于同源染色體上的非等位基因（如A/a和B/b）和位于非同源染色體上的非等位基因（如A/a和E/e）。

2.1.4聯(lián)會(huì)和交叉互換

在減數(shù)第一次分裂前期，同源染色體兩兩配對的現(xiàn)象叫做聯(lián)會(huì)（圖8）。此時(shí)每條染色體都含有兩條染色單體。因此，聯(lián)會(huì)后的每對染色體都含有4條染色單體，稱之四分體。四分體中的非姐妹染色單體之間經(jīng)常發(fā)生交叉互換（圖9）。

2.2利用模型進(jìn)行核心概念教學(xué)

2.2.1有絲分裂教學(xué)

有絲分裂保證了遺傳信息在親代和子代細(xì)胞中的一致性。上課時(shí)，教師先請學(xué)生嘗試對有絲分裂的過程作出假設(shè)。學(xué)生作出以下兩種假設(shè)：

①染色體不復(fù)制，細(xì)胞直接分裂；

②染色體復(fù)制1次，細(xì)胞再分裂。

針對上述2種假設(shè)，學(xué)生分析哪種假設(shè)最有可能并闡述理由，最后師生達(dá)成共識(shí)——第二種假設(shè)更有科學(xué)道理。

之后，根據(jù)第二種假設(shè)，學(xué)生利用課前準(zhǔn)備好的兩對即4條染色體在課桌上演示染色體的動(dòng)態(tài)變化過程。學(xué)生思考討論演示的過程中，教師巡視、指導(dǎo)并參與討論。教師提出問題：如何判斷演示的過程是否正確？學(xué)生觀察洋蔥根尖有絲分裂永久裝片，加以驗(yàn)證。最后師生形成共識(shí)，教師利用模型統(tǒng)一演示有絲分裂分裂過程。

教師要求學(xué)生根據(jù)模型描述有絲分裂各個(gè)時(shí)期的特征，體會(huì)有絲分裂如何保證遺傳信息在親代和子代細(xì)胞中的一致性。

2.2.2減數(shù)分裂教學(xué)

高等動(dòng)植物普遍采用有性生殖的方式產(chǎn)生后代，即先產(chǎn)生精子和卵細(xì)胞，然后受精形成受精卵，由受精卵發(fā)育成新個(gè)體。教師提出問題：生物能否通過有絲分裂產(chǎn)生精子和卵細(xì)胞，然后受精形成受精卵？學(xué)生討論分析得出結(jié)論：不可能，那樣每繁殖一代，子代個(gè)體的細(xì)胞內(nèi)的染色體數(shù)目都會(huì)增加一倍。教師告訴學(xué)生：因此生物學(xué)家魏斯曼理論上預(yù)測，精子和卵細(xì)胞成熟過程中，染色體數(shù)目會(huì)減少一半。受精時(shí)精子和卵細(xì)胞融合，恢復(fù)正常的染色體數(shù)目。這個(gè)假設(shè)并且得到其他生物學(xué)家證實(shí)。學(xué)生學(xué)習(xí)減數(shù)分裂概念。

根據(jù)減數(shù)分裂概念，利用自制的兩對即4條染色體模型，在課桌上演示在形成精子或卵細(xì)胞的時(shí)候，染色體的動(dòng)態(tài)變化過程。學(xué)生討論、推理、演示減數(shù)分裂過程，教師巡視課堂、引導(dǎo)并參與小組討論。經(jīng)匯總，學(xué)生展示的模型大體分兩種情況：

①著絲點(diǎn)先分離、染色體數(shù)目加倍，然后同源染色體相互分離；

②同源染色體先分離，姐妹染色單體再分離。

第一種情況可能是受有絲分裂知識(shí)的影響。究竟哪種情況更接近科學(xué)事實(shí)，仍然需要證據(jù)支持。教師引導(dǎo)學(xué)生觀察蝗蟲精巢、植物花藥減數(shù)分裂永久裝片，對各自假設(shè)加以驗(yàn)證。最后，學(xué)生歸納出統(tǒng)一的減數(shù)分裂過程模型。由于減數(shù)第一次分裂后期同源染色體相互分離，非同源染色體自由組合，實(shí)際學(xué)生還會(huì)在減數(shù)第一次分裂后期演示如圖10B所示，最終會(huì)產(chǎn)生與圖10A中不同的兩種配子。

如果在圖10中的兩對同源染色體上各標(biāo)注一對等位基因，結(jié)合減數(shù)分裂過程，即可幫助學(xué)生很好的理解和掌握基因的分離和自由組合定律的實(shí)質(zhì)。

3教學(xué)反思

筆者通過引導(dǎo)、帶領(lǐng)學(xué)生制作染色體模型，開展相關(guān)核心概念，突顯概念的本質(zhì)，從而使復(fù)雜的、抽象的生命現(xiàn)象或過程得到簡化，也更加直觀化。教師動(dòng)態(tài)展示有絲分裂、減數(shù)分裂等過程，有利于學(xué)生理解和掌握染色體的行為和數(shù)量變化，幫助學(xué)生使知識(shí)系統(tǒng)化、規(guī)律化、形象化。適當(dāng)利用模型進(jìn)行探究學(xué)習(xí)時(shí)，教學(xué)達(dá)到事半功倍的效果。

教師以模型為載體，采用提出問題、做出假說、演繹推理、驗(yàn)證的科學(xué)探究模式開展教學(xué)，并設(shè)置不同的學(xué)習(xí)活動(dòng)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生思考、表達(dá)和動(dòng)手能力，充分發(fā)揮學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提高學(xué)生的課堂參與度。學(xué)生在動(dòng)手演示的過程中，生成一些“意外的”問題資源，經(jīng)過教師恰當(dāng)運(yùn)用、解決，讓課堂增添精彩和活力。