基于認識系統雙重編碼理論的“染色體數目變異”概念教學

王吉文

(江蘇省南京市人民中學 南京 210005)

1 雙重編碼理論及其對生物學概念學習的啟示

1.1 關于“雙重編碼理論” 雙重編碼理論由心理學家佩維奧提出，該理論認為大腦中存在兩個功能獨立卻又相互聯系的認知系統處理不同的信息：語言系統和非語言系統。語言與非語言的信息加工過程在信息的貯存、加工與提取中具有同樣重要的作用。佩維奧還假定存在兩種不同的表征單元：適用于心理映象的“圖象單元”和適用于語言實體的“語言單元”；前者是根據部分與整體的關系組織的，而后者是根據聯想與層級組織的[1]。

雙重編碼理論提出信息的三種加工類型：表征性、參照性和聯想性。表征性即直接激活語詞的或非語詞的表征；參照性即利用非語詞系統激活語詞系統；聯想性即在同一語詞或非語詞系統的內部激活表征。有時一個既定的任務也許只需要其中的一種加工過程，有時則需要三種加工過程。雙重編碼理論可用于許多認知過程，如記憶、問題解決、概念學習[1]。

1.2 雙重編碼理論對生物學概念學習的啟示 學習是信息的讀取、處理、儲存和提取的過程。因而在學習過程中，教師如何呈現信息、呈現什么形式的信息和學生如何加工信息是影響學習效果的兩個關鍵環節。雙重編碼理論的研究表明，同時以視覺和語言形式呈現信息能夠增強記憶、識別和理解。而從生物學發展歷程來看，很多重要的生物學概念的產生過程常和生物學家對各種包含豐富信息的相關“圖”的研究過程有關。

例如，蔡斯利用噬菌體侵染大腸桿菌的電子顯微鏡照片來探究噬菌體結構特征；克里克利用DNA分子結構的X光衍射照片推測DNA分子結構等。因此，從概念學習的角度看，對于抽象的生物學概念，教師如能針對概念理解過程中的難點，創造性地設計相關“圖”“文”信息，豐富必要的信息容量和呈現形式，輔以精心設計的問題，讓學生通過多種思維活動(如分析、比較、歸納、推理和演繹等)加工視覺和語言信息，則能促進其主動發現概念的本質特征、建構生物學概念和提高遷移能力。

2 對“染色體數目變異”相關概念的教學建議

“染色體數目變異”所涉及的幾個重要概念如染色體組、單倍體、二(多)倍體等內容抽象復雜、相互聯系密切，學生難以理解概念的本質，產生諸如染色體組數目的判斷、單倍體和二(多)倍體的區別等難點問題。那么，如何解決這些難點問題呢？筆者基于雙重編碼理論信息加工類型，以摩爾根發現的果蠅染色體數目變異為參考[2]，設計了相關圖文信息組織教學。

2.1 關于建構“染色體組”概念的教學建議 教材中對“染色體組”的表述是：“細胞中一組非同源染色體，在形態和功能上各不相同，攜帶著控制生物生長發育遺傳的全部遺傳信息，這樣的一組染色體，叫做一個染色體組。”通常學生對于“染色體組是由一組非同源染色體組成的”的理解沒有問題，但教材上所提供的插圖僅是果蠅體細胞及其配子染色體組成示意圖，其上并無有關“基因”的信息，很多學生不能理解這一組非同源染色體為什么“攜帶著控制生物生長發育的全部遺傳信息”？

因此，基于雙重編碼理論中“表征性”和“參照性”的信息加工方式特點，可設計“某雌果蠅體細胞染色體示意圖”(圖1)，教師提問：同源染色體相同位置的基因有何關系？你能根據減數分裂規律，選取并剪下圖中染色體示意圖，貼入事先準備好的空白卵細胞示意圖中，以表示一個卵細胞中的染色體組成嗎？學生通過小組合作完成卵細胞示意圖的建構后，教師進一步提問：你所在的小組建構的果蠅卵細胞中染色體組成是什么？基因型是什么？和體細胞相比，果蠅卵細胞(配子)內染色體的存在方式有何不同？與體細胞相比，果蠅卵細胞內的基因種類有無變化？每種基因的數量呢？基因有什么功能？如果卵細胞中少了部分基因，一般情況下其受精后能否發育成正常個體？學生可在以上問題引導下分析信息，再綜合各小組結果，通過其所獲信息的刺激，讓其非語詞系統激活語詞系統，抽象出“染色體組”的本質特征，建構“染色體組”概念。

圖1 某雌果蠅體細胞染色體組成示意圖注：A、 B、 C、 X表示染色體，D(d)、 E、 F(f)、 H(h)表示染色體上的基因

2.2 關于建構“單倍體”和“二(多)倍體”概念的教學建議 單倍體概念及其和二(多)倍體概念之間的區別和聯系一直是教學中的難點，按照“表征性”和“聯想性”信息加工方式，可設計三種果蠅染色體示意圖(圖2)，并提問學生：三種果蠅體細胞中各有幾個染色體組？據你推測，果蠅B是如何產生的？”引導學生首先在非語詞系統內部表征(圖3)，即果蠅B可能是分別含有四個和兩個染色體組的果蠅所產生的配子受精后發育形成的。然后教師分別展示六倍體植物X(甘薯)體細胞染色體組成和以其配子組織培養獲得的植物Y體細胞中染色體組成圖(略)，并提問：這兩種植物體細胞中各有幾個染色體組？植物Y可能是如何產生的？植物Y也有三個染色體組，你能說出其產生過程和果蠅B的主要區別是什么嗎？以上過程中，學生需要基于視覺信息，對植物Y和果蠅B產生過程進行分析和比較，于是發現某生物是否是單倍體和其體細胞中含有幾個染色體組沒有直接聯系，從而辨別出單倍體和二(多)倍體之間的本質區別，即在非語詞系統刺激下激活語詞系統，抽象出“單倍體”和“二(多)倍體”概念。

圖3 果蠅A和果蠅B產生的可能過程示意圖

2.3 關于建構“染色體數目變異”概念的教學建議 在上述基礎上，教師提供XXX和XXY型果蠅體細胞染色體組成示意圖(圖4)和文字資料：小偃麥有藍粒品種，如果藍粒小偃麥體細胞缺少一對染色體，則籽粒變為白粒。提問：上述2個實例中染色體增減形式與多倍體、單倍體形成過程中染色體增減有何區別？引導學生歸納出“染色體數目變異包括染色體個別增減和染色體組成倍增減”，建構染色體數目變異的概念。此過程中，學生先要直接辨識圖4中染色體組成特點，于是發生了非語詞系統的直接表征；然后學生要將圖4和圖2、圖3進行對比，又激活了非語詞系統內部的表征；同樣，學生需分析、比較和綜合有關小偃麥的語言信息和之前已經表征為語言文字的相關概念，這有助于學生語詞系統的直接激活和相互間的內部激活；同時學生必須在圖4所示的視覺信息和有關小偃麥的語言信息之間尋找到共同規律，并與單(多)倍體概念進行對比才能得出結論。可見這一環節學習中，學生綜合運用上述三種信息加工方式來解決問題，能較深刻地理解概念。

圖4 XXX型果蠅和XXY型果蠅染色體組成示意圖

(基金項目：江蘇省教育科學“十三五”重點自籌課題“促進高中生理性思維發展的生物圖信息加工學習方式研究”，No.B-b/2016/02/72)