基于模型與建模構建大概念教學模式的實踐研究
——以“可遺傳變異”復習為例

張明艷

（南京市溧水區第三高級中學 江蘇南京 211200）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）要求學生主動地參與學習，在親歷發現問題、提出問題、解決問題的過程中習得生物學知識，養成科學思維的習慣。模型與建模是《課程標準》提出的培養學生科學思維的有效途徑之一，本研究聚焦高中生物學大概念3“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”，以復習可遺傳的變異為例構建基于模型與建模的教學模式。

1 模型與建模

1.1 模型的分類

生物學模型的表現形式有物理模型、概念模型、數學模型等。本研究著重于構建物理模型。以實物或紙質圖畫的形式直觀展示對象的形態結構，這類實物或圖畫即為物理模型。物理模型的特點是：實物或圖畫的形態結構與真實事物的特征、本質非常相像。高中生物學教學過程中常見的物理模型有真核細胞亞顯微結構模型、減數分裂染色體形態變化的模型、DNA雙螺旋結構模型等。教師注意引導學生將課本上抽象的知識形象化，抓住本質，去粗取精。

1.2 建模的一般過程

物理模型構建的一般步驟有：①準備建模的材料；②觀察或思考原型的基本結構，在頭腦中初步構建；③動手將材料連接起來，組成模型；④小組內部檢查是否與原型類似；⑤小組之間檢查是否與原型類似；⑥完善模型；⑦展示模型。教學過程中，教師引導學生利用準備的材料構建模型，使學生在建模過程中培養科學思維，獲得或鞏固相關的生物學概念。

2 教材分析

2.1 教材內容分析

可遺傳變異是《課程標準》中大概念3中重要概念“3.2有性生殖中基因的分離和重組導致雙親后代的基因組合有多種可能”與“3.3由基因突變、染色體變異和基因重組引起的變異是可以遺傳的”內容的綜合，是《必修2·遺傳與進化》的重要組成部分。可遺傳的變異對生物體的影響、對生物的進化都有重要意義。教師以模型制作、模型模擬減數分裂過程中染色體的變化幫助學生構建概念，促進學生更好地理解基本原理和規律，發展相關的生物學學科核心素養。

2.2 學情分析

大概念3是合格性考試四大概念之一，是高考的重點兼熱點，學習起來難度較大，即使復習過，學生對概念的把握仍比較淺顯，容易將減數分裂、遺傳變異和進化割裂。因此，在遺傳學習剛結束時，教師帶領學生整合復習這部分內容，有利于學生從本質上學習遺傳，挖掘知識點內在聯系，在自己的思維空間中進行有效整合，建立新的知識架構，從而有效運用所學知識來解決實際問題。

3 教學目標

①通過構建DNA雙螺旋結構模型的交流討論，認同交流合作、多學科交叉在學科發展中的作用，根據構建過程，通過分析、歸納認識基因突變的本質，提升科學思維能力。

②模擬減數分裂過程中的非同源染色體的自由組合及同源染色體的交叉互換過程，闡述減數分裂過程中導致配子多樣性的機理，理解生命的延續和發展，認識生物多樣性的形成，形成相應的生命觀念。

③通過建模，能夠辨析基因突變、基因重組、染色體變異，厘清各重要概念的邏輯關系，闡釋遺傳與變異的物質基礎，理解進化的本質是遺傳物質的改變，形成生物的進化觀，發展科學思維、科學探究等學科核心素養。

4 教學過程

教師首先以太空育種為情境，引導復習三種可遺傳的變異，要求學生回憶各變異的特點及意義。教師提出問題：為什么可遺傳的變異為生物進化提供原材料？并引導學生構建模型，學習這三種可遺傳變異的內在聯系。

設計意圖：在新授課上，教師展示了物理模型。因此復習時，在學生已經初步了解變異的基礎上，教師引導學生構建模型，使學生體會科學探究及建模的基本思路和方法，發展學生的科學思維。

4.1 引導學生構建DNA雙螺旋結構，從而認識基因突變的本質

學生先在腦海中構建DNA雙螺旋結構，然后動手將材料連接起來，組成模型。學生根據已有的知識，知道：DNA雙螺旋結構是由四種脫氧核苷酸構成的兩條鏈反向平行的結構，腺嘌呤與胸腺嘧啶配對，鳥嘌呤與胞嘧啶配對。但是，學生的思維能力和動手能力不匹配，構建出的DNA平面結構圖會出現幾種情況（圖1）。通過修正，學生會意識到構建DNA應該是四種脫氧核苷酸先形成一條鏈。然后，學生再按照堿基互補配對形成另一條鏈，在構建探索中認識DNA的結構特點，理解堿基互補配對原則是保證DNA準確高效復制的重要原因，DNA的結構特點決定了其復制方式是按照半保留復制的方式進行，增強了學生的結構與功能觀。

各小組展示自己構建的DNA片段。每組構建的片段具有特異型，教師據此使學生體會DNA的多樣性。教師將各組的片段連接成一個含有幾百個核苷酸的DNA片段，指出：基因正常會有幾千個堿基對，而一個DNA上會有多個基因，因此全班拼成的DNA不足以形成一個基因。如果這個基因內部發生堿基對的增添、缺失（教師拆下5對堿基）、替換，DNA片段和之前未處理片段的堿基序列相比發生改變即發生基因突變，基因突變的結果是產生新的基因。

設計意圖：教師利用建模，將抽象的知識具體化，引導學生歸納、分析DNA的結構特點、基因突變的實質，闡明基因突變可能導致基因所編碼的蛋白質發生改變，引起細胞功能變化，甚至帶來致命后果，引導學生用概念解釋廣泛的生物學現象，使學生理解健康的生活方式、遠離致癌因子。

4.2 構建基因重組的兩種模型

4.2.1 染色體模型的改進

真核細胞內，DNA分子和組蛋白組合構成染色質，細胞為了精準分裂，在分裂期會高度螺旋化成染色體。現成的染色體模型缺乏柔韌性也不適合做染色體變異的模型，因此教師采用了黑、白兩色的橡皮泥為材料，既可拉絲成染色質形態，也可成染色體形態。這個黑、白兩色模型還與日常的作業吻合。模型構建過程強化了動態過程，使每位學生原有的概念、理解力都能獲得不同程度的發展。

4.2.2 構建基因重組

教師給學生設置一系列梯度問題。在思考問題的過程中，學生根據自身的能力構建減數分裂過程染色體的變化。①構建一對同源染色體，其上標上一對等位基因，再依次構建四分體時期（復制后）的一對同源染色體、減數分裂的過程。②構建兩對同源染色體，其上分別標上等位基因減數第一次分裂后期的染色體行為圖、減數分裂的過程。③構建四分體時期的一對同源染色體，依次交叉互換的過程、完整的減數分裂的過程。教師引導學生思考各模型建構的減數分裂形成的配子類型。

設計意圖：教師適當引導，留出足夠的時間讓學生自己構建并修正模型。教師設計的問題從簡單到復雜、重點突出、層層遞進。學生通過小組合作、展示，建立減數分裂過程中染色體行為變化的模型，在思維訓練中形成概念，加深對減數分裂過程及其特點的認識，理解配子中染色體組合的多樣性，根據基因在染色體上以及一個染色體上有多個基因，理解基因重組的內涵。

4.3 構建染色體變異

教師要求學生構建兩對同源染色體，模擬減數第一次分裂后期其中一對同源染色體未分離、減數第二次分裂后期其中兩條姐妹染色單體未分離，分析、歸納染色體數目變化及配子基因型變化（圖2），并構建染色體結構變異的模型（圖3），體會染色體結構變異的類型和結果。

設計意圖：教師引導學生比較交叉互換和易位，比較基因突變和染色體結構變異的重復、缺失，使學生從本質上理解三種可遺傳變異的區別與聯系。學生能闡明在減數分裂過程中發生基因突變、基因重組和染色體變異，會引起可遺傳變異，導致生物性狀的改變甚至死亡，當然也為生物進化提供了選擇的材料。在建模過程中，學生意識到減數分裂和可遺傳變異之間存在著密切的聯系，真正理解可遺傳變異的原因，不僅培養了結構與功能觀，更提升了科學思維能力。

5 教學反思

教師引導學生構建模型，促進學生由原來被動地聽轉化為主動地學，在交流與展示中總結、提升所學內容。學生通過建模，歸納、整合次位概念、構建重要概念“可遺傳的變異”，聚焦大概念“遺傳信息控制性狀，代代相傳”，使知識結構化、層次化、系統化，減少了記憶單元，有效地提高了對知識的遷移和應用能力。