“試錯教學”在模型構建中的應用
——以“2021年高考浙江選考題”為例

呂召志

（黑龍江省大慶第一中學 黑龍江大慶 163000）

1 模型試錯

物理模型可以理解為模擬對象的復制品，是經過抽象后又具體化的復制品。抽象是經分析推理后，簡化提煉事物的本質；具體化是能清楚地觀察到，可以變現為實物，也可以是事物規律的反應。試錯法是美國心理學家桑代克提出的著名教學理論，他認為個體的學習是一種漸進的、反復試誤的過程。在這個過程中，無關的錯誤反應會逐漸減少，最終使刺激情境與正確的反應之間形成聯結，其基本模式及操作程序如圖1所示。染色體標記問題是高中生物學教學的難點，教師創設問題情境，通過試錯教學，引導學生發現錯誤、修正并反思錯誤，將形象的圖形和抽象文字概念有機結合，從而實現了物理模型和概念模型的統一。

圖1 試錯法的基本模式和操作程序

1.1 構建染色體與脫氧核苷酸鏈的模型

教師設問：若染色體中一個DNA分子用15N標記，利用含有14N的脫氧核苷酸為原料，復制后的染色體與脫氧核苷酸鏈的模式圖應該如何呈現？學生往往會構建兩個錯誤的物理模型，如圖2中A與B所示。A中學生沒有明確染色體與脫氧核苷酸鏈的關系，B中學生沒有掌握DNA半保留復制的特點，誤將DNA的復制理解為全保留復制。此時，教師應該引導學生修正模型。學生反思得出：一條染色體在復制之前含有1個DNA分子，即有2條脫氧核苷酸鏈（用實線表示，數字15標記）。DNA復制后一條染色體含有2個DNA分子，含有4條脫氧核苷酸鏈。根據半保留復制的特點，模板分別存在于兩個姐妹染色單體中，如圖2中C所示（新合成的子鏈均是14N，用虛線表示，數字14標記）。若學生已完全理解C，建議學生遇到此類問題可直接畫出圖2中D模型，以便提高解題效率。

圖2 染色體與脫氧核苷酸鏈的模型

1.2 構建姐妹染色單體分離模型

教師繼續設問：若染色體中一個DNA分子的一條脫氧核苷酸鏈含15N，另一條鏈含14N，利用含有14N的脫氧核苷酸為原料，DNA復制后形成姐妹染色單體，那么姐妹染色單體分開后，染色單體中的N元素在脫氧核苷酸鏈的模型中又該如何呈現？學生往往會構建如圖3中A所示的錯誤模型，即沒有分清楚染色單體中脫氧核苷酸鏈的分布情況。著絲粒斷裂后染色單體中脫氧核苷酸鏈在結構上仍有一定的完整性，且子染色體移動到兩極具有一定的隨機性。學生反思可以參照圖2中C脫氧核苷酸鏈的具體位置，用如圖3中B和C所示的黑色部分表示一個完整的染色單體（含有15N和14N）。

圖3 姐妹染色單體分離模型

2 模型應用

2.1 有絲分裂例題及解析

【例1】取一個含有一對同源染色體的受精卵，用15N標記細胞核中的DNA，然后放在不含15N的培養基中培養，讓其連續進行兩次有絲分裂，形成四個細胞，這四個細胞中含15N的細胞個數可能是多少？

試題解析：首先畫出第一次有絲分裂模式圖，再用元素標記脫氧核苷酸鏈，如圖4中A所示。以上述結果中一個細胞為例畫出第二次有絲分裂模式圖，再用元素標記脫氧核苷酸鏈，結果有兩種情況，如圖4中B所示。子染色體移動到兩極具有一定的隨機性，因此四個子細胞中含有15N的細胞個數是2個或3個或4個。

圖4 “有絲分裂”模型

2.2 減數分裂例題及解析

【例2】某二倍體的精原細胞中一個DNA分子用15N標記，放在含14N的培養基中，完成減數第一次分裂后再換用含15N的培養基，在不考慮突變的情況下，產生的四個精子中含15N的有多少？

試題解析：由于二倍體精原細胞含有同源染色體，可以一對同源染色體為例構建模型。再用元素標記脫氧核苷酸鏈，題中只有1個DNA分子的兩條鏈都是15N，即隱含了另外一條同源染色體中DNA分子的兩條鏈都是14N之意，根據上述兩個模型標記DNA鏈（圖5），據圖可知四個精細胞中有2個精細胞含有15N。

圖5 “減數分裂”模型

3 高考再現

【例3】（2021年·浙江卷·25）現建立“動物精原細胞（2n=4）有絲分裂和減數分裂過程”模型。1個精原細胞（假定DNA中的P元素都為32P，其它分子不含32P）在不含32P的培養液中正常培養，分裂為2個子細胞，其中1個子細胞發育為細胞①。細胞①和②的染色體組成如圖所示，H（h）、R（r）是其中的兩對基因，細胞②和③處于相同的分裂時期（圖6）。下列敘述正確的是 （ ）

圖6 “動物精原細胞有絲分裂和減數分裂過程”模型

A.細胞①形成過程中沒有發生基因重組

B.細胞②中最多有兩條染色體含有32P

C.細胞②和細胞③中含有32P的染色體數相等

D.細胞④-⑦中含32P的核DNA分子數可能分別是2、1、1、1

試題解析：根據題意和圖6可知，細胞①處于減數第一次分裂前期，且發生了交換和基因突變（R突變為r），細胞②和③處于減數第二次分裂后期，細胞④-⑦都是精細胞。交換可以引起基因重組，A錯誤。由圖6中2n=4推斷出精原細胞含四條染色體，精原細胞（DNA分子中的32P用2表示，31P用1表示）先進行一次有絲分裂（圖7），其中一個子細胞又經過一次減數分裂（圖8），根據模型構建結果，細胞②和③都有兩條染色體含有32P。若圖中a與b或a’與b’交換，交換后不受影響染色體放射性，此時細胞②和③有兩條染色體含有32P；若a與b’（ 或a’與b）交換后，染色體放射性受到部分影響，即含有31P和31P的H與含有32P和31P的h交換（或含有32P和31P的H與含有31P和31P的h交換）。圖8中h用●表示，H用▲表示。交換后，細胞②（或③）中3條染色體含有32P，因此細胞②與細胞③中2條或3條染色體含有32P，B和C錯誤。若僅考慮a與b’交換，細胞②產生的子細胞含32P的核DNA分子數分別是2、1或1、2。細胞③產生的子細胞含32P的核DNA分子數分別是2、0或1、1，因此細胞④-⑦中含32P的核DNA分子數可能分別是2、1、1、1，D正確。

圖7 精原細胞先進行一次有絲分裂

圖8 一個子細胞再進行一次減數分裂

錯誤是學生在學習中自然存在的現象，充分利用錯誤可使它變成獨特的教學資源。通過試錯教學，學生發現錯誤，剖析錯誤，修正錯誤，反思錯誤，反思到“染色體標記”模型構建中首先應畫出染色體形態行為變化簡圖，同時用數字厘清染色體與脫氧核苷酸鏈的關系，尤其注意到DNA半保留復制和姐妹染色單體的分離具有隨機性。在教學過程中，學生的批判性思維和演繹-推理能力有效提升，通過將抽象事物具體化，知識不斷被打破與重構，自我學習能力得到提升。教學過程有效落實了生物學學科核心素養的培養。