模型建構在高中生物學概念教學中的應用
——以概念“染色體組”的教學為例

寇小永 竇繼紅

（1.定西市安定區交通路中學 甘肅定西 743000）

（2.西北師范大學第二附屬中學 甘肅蘭州 730070）

概念教學是以糾正、補充、完善學生的前概念，建構正確的知識網絡為目標，將信息整合到綜合的、復雜的認知結構中的過程。概念教學模式是“建構性教學”，學生有著大量的前科學概念知識，概念的建構就是要依靠學生原有的前科學概念知識，不斷建構新的科學概念體系。該教學模式主要包括4個階段（圖1）。在定向與探索階段，教師應通過診斷、不斷暴露出學生的前科學概念；在建構與交流、解釋與拓展階段，糾正學生的前科學概念，同時促進學生建構新的科學概念體系；反思與評價放在模式的中心，旨在對其他三階段進行準確的反思與評價，形成教學過程性評價。

圖1 科學概念的建構性教學模式

模型是人們對認識對象所作的一種簡化的概括性描述，主要包括物理模型、概念模型和數學模型等。模型一般與真實物體、單一事件或一類事物相對應，與原型相比，模型形象、直觀，是具有解釋力的試探性體系或結構，能夠對原型進行表征和解釋，是原型的抽象化，也是理論知識的具體化。模型和原型的關系如圖2所示。

圖2 模型和原型的關系

在高中生物學必修2“染色體變異”一節教學中發現，學生對“染色體組”的概念理解存在困難。下文應用“基于模型建構的概念轉變教學模式”，通過引導學生構建物理模型和概念模型，幫助學生突破這一概念的理解，進而區分“單倍體”“二倍體”“三倍體”“多倍體”等概念。

1 教學內容分析

“染色體變異”一節屬于高中生物學人教版新教材必修2第五章第二節內容，本章內容共包括3節。在學習本節內容前，學生已經學習了“基因突變和基因重組”的內容，為學習本節內容奠定了基礎；本節內容的學習為第三節“人類遺傳病”的學習作鋪墊。因此，本節內容在本章的學習中具有承上啟下的作用。在教學中發現，學生對“染色體組”這一概念難以理解，經常混淆“單倍體”“二倍體”“三倍體”“多倍體”等概念，導致對“基因突變和基因重組”等內容之間的關系理解不清，且難以厘清“人類遺傳病”的致病機理。教師將物理模型構建融入概念教學的過程，從本質上引導學生理解“染色體組”這一概念，能夠突破本節重難點，引導學生建構本節內容概念體系。

2 模型構建在生物學概念教學中的應用

模型建構教學是一種基于模型的學習過程，即4個階段的循環：聚焦學生心理模型中的錯誤概念；引發學生的認知沖突；類比推理，建構新模型；使用新模型，進行科學推理。而物理模型具有化難為易的功能，本身是具有一定邏輯意義的學習材料，物理模型制作的過程也是學生積極主動探究的過程。在教學過程中，模型可以是新舊知識有意義聯系的載體，教師通過展示模型或讓學生自主建構模型，加深學生對概念的理解。

2.1 聚焦學生心理模型中的錯誤概念，引發認知沖突

圖3為雌、雄果蠅體細胞的染色體圖解，教師據此指導學生制作物理模型，模擬雌果蠅的一個體細胞中染色體變化。教師同時讓每個小組課前準備一張A4紙，將其四周折起做成一個白紙盤，將模擬雌果蠅體細胞中8條染色體的紙片散亂分布在白紙盤中（圖4），用黑色紙代表來自父方的染色體，白色紙代表來自母方的染色體，另制作一個稍大型的8條染色體軟磁鐵模型教具貼在黑板上。教師先讓每個小組的學生將散亂分布的8條染色體進行自由分組，指出每組的染色體數量及分類方法。此時，教師會發現有些小組學生將形狀、大小相同的擺放在一起，分出4個組，即找出了同源染色體，這與“染色體組”的概念及“果蠅是二倍體”明顯矛盾；有些小組學生只是將同一顏色的染色體分在一組，無法想到隨機組合，這是因為學生平時有思維定式，認為形態結構或功能相同的物體才能分在一個組里。教師設問：在一個染色體組里的所有染色體在形態和功能上各不相同，是一組非同源染色體，并沒有包含某一物種的全部染色體，為何卻攜帶有控制本物種生長發育、遺傳變異的全部遺傳信息？這對于抽象邏輯思維由“經驗型”向“理論型”轉化、辯證思維能力不完全成熟的高中生來說很難理解。利用這一活動，教師引發學生認知沖突。

圖3 雌、雄果蠅體細胞的染色體圖解

圖4 雌果蠅染色體組的模型

2.2 建構新模型，構建科學概念

在學生產生認知沖突后，教師告訴學生，果蠅屬于二倍體，體細胞中非同源染色體應該有2套，產生的配子應該包含其中一套非同源染色體。教師讓學生再次進行分組，找出一個染色體組。在此過程中，教師引導學生依據基因自由組合規律的實質及同源染色體在減數分裂過程中的行為特征，抓住同源染色體在減數第一次分裂后期發生分離這一關鍵點，從而使學生深入理解減數分裂形成配子種類的本質，認識到在雌果蠅產生的卵細胞中，每對同源染色體會隨機的保留其中之一。具象的染色體模型有利于學生轉變思維定勢，將新舊知識間建立實質性的聯系，深刻理解染色體隨機分配的過程及不同染色體組的共性。學生分析、討論后，得出概念：細胞中的一組非同源染色體，在形態和功能上各不相同，但又相互協調，共同控制生物的生長、發育、遺傳和變異，這樣的一組染色體為一個染色體組。

2.3 進行科學推理，突破概念“染色體組”

表1為教材中提供的馬鈴薯和香蕉的染色體數目表，表中已經給出體細胞染色體數和體細胞非同源染色體數，教師要求學生填出配子染色體數，以厘清三者之間的關系。例如，馬鈴薯野生祖先的體細胞染色體數為24條，體細胞非同源染色體包括2套，配子染色體數有12條，每套非同源染色體稱為一個染色體組，則有2個染色體組，稱為二倍體。

表1 馬鈴薯和香蕉的染色體數目表

據此，學生能夠通過更多實例，理解染色體組及幾倍體的判斷方法。教師總結：對于由受精卵發育成的正常生物體而言，其體細胞中含有幾個染色體組就稱其為幾倍體。學生自主建構單倍體、二倍體和多倍體的概念。

2.4 組織概念體系，構建概念模型

學生理解“染色體組”的基礎上，再學習“染色體數目的變異”和“染色體結構的變異”，更易于理解染色體數目的變異。教師引導學生構建的關于“染色體數目的變異”概念圖，如圖5所示。

圖5 關于“染色體數目的變異”概念圖

3 總結反思

“模型與建模”是一種科學思維方法，有利于培養學生的科學探究能力。在建構模型時，老師不僅要重視靜態的模型內容和模型知識的學習，更應該重視動態的建模過程，引導學生在學習的過程中學會運用模型和建模的方法探討、闡釋生命現象及規律，加深對生物學概念的理解和遷移。教師應引導學生學會綜合運用各種建模的方法，不去“套模”，學會靈活“建模”，并對模型進行適當的修正與重建，才是模型建構教學的關鍵。

物理模型具有直觀性、簡潔性，便于動態展示的特點，適合學生認知發展水平和心理特征的需要。物理模型在生物概念教學中，可以將復雜的過程、抽象的客觀事實及概念的實質形象的展示出來；以物理模型為載體，能促進學生更好地進行概念轉變，深度學習。在本節教學中，教師讓學生通過建構物理模型理解“染色體組”的概念及與“倍體”的關系，進而遷移理解“染色體數目變異”和“染色體結構變異”的過程。本節課以“減數分裂”“有絲分裂”的學習為基礎，結合物理模型，理清染色體數目變異可能出現的情況，引導學生組織概念，建構概念體系。此過程能夠使學生思維過程可視化，利于提升學生科學思維和科學探究能力，建構概念體系，突破教學重難點及對生物學概念的深化理解，促進學生生物學學科核心素養發展。