基于模型構建的高中生物大概念深度學習實踐

摘要：高中生物概念學習是提高學生核心素養的有效途徑，建模思維是學生科學探究能力的重要體現，教師引導學生通過模型建構實現對生物學大概念深度學習，促進學生高階思維的發生。本文以“基因在染色體上”為例，以深度學習為指引，引導學生發展建模思維，發展核心素養。

關鍵詞：模型構建；遺傳規律；深度學習；高中生物

文章編號：1003-7586（2024）03-0037-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）明確提出，在生物學學科中，教學內容要聚焦生物學大概念。在教學中，教師圍繞著生物學大概念開展教學活動，有助于學生對知識的深入理解和遷移應用，也有助于發展學生的生命觀念。《課程標準》還要求學生在學習過程中，能夠運用模型與建模等方法解釋生命現象及規律，逐步發展科學思維。

深度學習是指在教師的引領下，學生圍繞著具有挑戰性的學習主題，全身心積極參與，從而體驗成功、獲得發展的有意義的學習過程，強調學生情境思辨、邏輯推理、實驗驗證、遷移應用等高級思維能力的培養。本文以“孟德爾遺傳規律的現代解釋”內容為研究對象，通過模型建構來實現生物學概念的深度學習，同時培養學生建模的能力，實現概念學習和思維訓練的整合發展。

1 模型建構與深度學習之間的內在聯系概述

生物模型是對認識對象所作的一種簡化的概括性的描述，包括物理模型、概念模型和數學模型三種形式。模型建構是學習者通過對事物的理解分析，運用模型的方法對事物、現象進行充分提煉的過程。生物模型與建模教學是高中生物教學中常用的工具之一，這種教學方法能夠把抽象復雜的生物知識變得簡單、直觀。學生可以自主構建生物學概念，實現對生物學概念的深度學習。

深度學習要求學生在理解學習內容的基礎上，能夠批判性地學習新的思想和事實，并將它們融入原有的認知結構中，將已有的知識遷移到新的情境中，作出決策和解決問題。

建構主義學習理論認為，教師不能把學生當成被動接受知識的容器，應多給學生提供機會去親身經歷知識的發現、形成和發展的過程。教師引導學生通過模型構建，積極參與生物學概念的學習，更好地理解所學知識，同時建立各知識間的內在聯系，綜合運用所學知識解決實際生活中的問題，進入深度學習狀態，提高學生批判和創造的思維能力，發展學生的核心素養。因此，深度學習是落實“核心素養”的必要條件，而模型構建則是進行生物學概念深度學習的有效策略。

2 利用模型建構進行深度學習的教學實踐

2.1 分析概念，設計教學思路

本部分內容是人教版普通高中教科書《生物學·必修2·遺傳與進化》第2章第2節“基因在染色體上”的第3部分內容。《課程標準》要求本節構建的重要概念為“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”。該重要概念包括“減數分裂和受精作用過程中染色體的行為”及“孟德爾遺傳定律”的內容。本節課程是對這些內容的深入學習，重點闡述了“基因在染色體上”這一重要概念。“減數分裂過程中，染色體所發生的自由組合和交叉互換導致基因重組”是重要概念下的次位概念。學生只有正確構建了基因在染色體上的重要概念，才能進一步深入分析基因伴隨染色體的傳遞規律，并對遺傳的三大定律進行現代解釋，最終形成重要概念。

在此之前，學生已經掌握了減數分裂過程中染色體的變化特點及孟德爾假設的遺傳因子在親子代之間的傳遞規律。在上一課時，通過薩頓的假說和摩爾根的實驗學生初步形成了“基因在染色體上”的概念，但還未掌握如何應用這個概念對遺傳規律進行現代解釋。

教師在遵循學生認知和概念生成規律的基礎上，確定了本節課的教學思路：首先，利用模型對摩爾根的果蠅雜交實驗進行演繹，復習“基因在染色體上”概念；其次，通過設置問題和模型構建引導學生利用“基因在染色體上”這一理論對遺傳的三大定律進行解釋；最后，通過創設問題情境、聯系實際構建基因在不同染色體（常染色體和性染色體）上的不同傳遞特點，加深學生“對基因在染色體上”這一概念的理解。在整個教學過程中，學生建立模型，對“基因在染色體上”這一概念進行了深度學習，發展了科學思維。

2.2 回顧科學史，初建模型

通過遺傳史實，回顧“基因在染色體上”這一概念的提出過程。教師展現科學史資料：1865年，孟德爾將他的豌豆雜交實驗的科研成果寫成論文《植物雜交實驗》，首次提出遺傳因子的概念，并揭示了遺傳學的兩大定律——分離定律和自由組合定律；1902和1903年，薩頓發表了兩篇論文，詳細闡述了染色體與遺傳因子的行為的平行關系，并提出了“基因在染色體上”的推論；1909年開始，摩爾根用果蠅這種遺傳學的模式生物，將白眼突變體果蠅與野生型進行雜交，利用假說演繹的科學方法，證明了“基因在染色體上”。

教師為學生提供兩對同源染色體模型，分別代表果蠅的一對常染色體和一對性染色體，在染色體的對應位置用記號筆標上相應基因，要求學生通過模型模擬兩種情況下果蠅雜交實驗中F2的表現型及比例：一是控制眼色的基因位于常染色上，二是控制眼色的基因只位于X染色體上。教師展示結果最終驗證了摩爾根的實驗結論，控制白眼的基因位于X染色體上，Y染色體上不含它的等位基因。

通過上節課的學習，學生可以很準確地說出“基因在染色體上”這一實驗結論，但對科學家進行科學探究過程中的演繹推理過程的理解不是很透徹。本教學環節借助物理模型，把摩爾根的演繹推理過程變得直觀化、可視化。教師通過引導學生建立模型，在構建模型的過程中把新知識與已經學過的知識進行有機的整合，使之成為已有知識建構的一部分，對重要概念進行深度學習，培養學生“模型與建模”的科學思維。

2.3 分析模型，解釋遺傳定律

教師用染色體的物理模型說明基因的位置關系：同源染色體上的等位基因；非同源染色體上的非等位基因；同源染色體上的非等位基因。

2.3.1 孟德爾遺傳定律的解釋

分小組討論并演示基因的分離定律和自由組合定律。教師提出要求：標明基因在染色體上的位置（用A/a、B/b、D/d等字母表示），并注意在演示過程中體現減數分裂中基因的數量變化及染色體的行為變化。學生思考并討論下列問題：首先，基因的分離和自由組合定律發生在什么時期？該時期染色體的主要行為是什么？其次，模擬分離定律時，一個精原細胞能產生的精子種類及比例是多少？最后，模擬自由組合定律時，一個精原細胞能產生精子種類及比例是多少？一個該基因型的個體能產生精子種類及比例又是多少？

教師用模型對遺傳定律進行解釋后，進一步設置問題情境：圖1為基因在染色體上的位置，下列哪些基因的遺傳不遵循基因的自由組合定律？通過分析該問題，教師引導學生分析自由組合定律滿足的條件。

通過小組合作演示和問題討論，借助減數分裂染色體模型，學生對基因的分離定律和自由組合定律的實質形成了更直觀的認識和理解，進一步理解了遺傳的物質性，形成物質觀，同時培養了建構模型的科學思維。學生在發展科學思維的同時，也實現了對知識的遷移運用，達到了深度學習的目的。

2.3.2 連鎖互換定律的解釋

創設新情境：果蠅的灰身和黑身由等位基因B/b控制、長翅和殘翅由等位基因V/v控制，這兩對等位基因在染色體上的位置如圖2所示。

教師提出新問題：該基因型的個體產生的配子種類及比例分別是多少？同種該基因型的個體相互交配，后代的基因型、表現型及比例分別是多少？測交呢？

學生再一次利用減數分裂的物理模型，標明基因位置，展示可能的結果：產生的配子為BV：bv=1：1；同種基因型個體交配后代的基因型為BBVV：BbVv：bbvv=1：2：1，表現型為灰身長翅：黑身殘翅=3：1；測交結果為BbVv：bbvv=1：1，灰身長翅：黑身殘翅=1：1。

教師展示摩爾根的另一個果蠅雜交實驗結果如圖3所示，提出問題：測交后代的比例是如何出現的？

小組合作：學生思考討論提出假說（在減數分裂過程中同源染色體上的非等位基因發生了互換），并用模型驗證假說。學生討論展示后教師進行總結：這就是遺傳的第三大定律——連鎖互換定律。

教師在此基礎上進一步提出問題：基因型為aaBb和Aabb的個體雜交能否驗證基因的自由組合定律？此問題的設置是為了對遺傳定律的適用條件進行深入的分析和理解，形成理性認識，構建科學概念。

本環節通過創設新情境，設置新問題，引導學生在獨立學習過程中不斷發現問題，產生認知沖突，激起學生的求知欲和好奇心，從而引發學生主動思考并積極完成概念的建構，培養思維能力，促進深度學習的發生。

3 反思總結

本節課利用構建的“基因在染色體上”的物理模擬，以遺傳的三大定律為主要切入點，設置問題情境和學生活動，將遺傳定律變得更直觀，也使枯燥無味的科學史更形象化、具體化，激發學生的學習興趣。將“基因在染色體上”這一概念進行深化，引導學生基于生物學事實和證據，利用模型解決相關問題，主動對科學概念進行概括和發展，建立知識之間的聯系，對知識進行遷移和應用。學生學會在新情境中用已學知識解決問題和做出決策，對生物學概念的學習由淺層學習發展到深度學習，在學習過程中建立生命觀念，發展科學思維。

教師利用該模型不僅能進行“減數分裂”和“基因在染色上”等基本概念的教學，還可以進行基因重組和染色體變異等生物學概念的教學。模型和建模是深度學習的有效策略，也是發展核心素養的必備要件。

基金項目：2023年度山東省教育教學研究課題“指向深度學習的高中生物學模型建構教學策略研究”（2023JXY463）。