利用模型構(gòu)建開展遺傳學(xué)教學(xué)的實踐

張紅梅，蔡寶宏，邢朝斌，袁敏，龍月紅

利用模型構(gòu)建開展遺傳學(xué)教學(xué)的實踐

張紅梅1，蔡寶宏2，邢朝斌1，袁敏1，龍月紅1

（1. 華北理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河北 唐山 063210；2. 唐山市第一中學(xué)，河北 唐山 063000）

在遺傳學(xué)教學(xué)過程中，為了能夠?qū)⒊橄蟮膬?nèi)容以直觀、形象的方式呈現(xiàn)給學(xué)生，幫助學(xué)生更好地理解遺傳學(xué)理論知識，從明確任務(wù)、合作學(xué)習(xí)、制作模型、分析模型、完善模型、應(yīng)用模型六方面將模型構(gòu)建引入課堂教學(xué)．以問題驅(qū)動引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建模型，使學(xué)生在構(gòu)建模型的過程中理解遺傳學(xué)概念，在分析模型中領(lǐng)悟遺傳規(guī)律的實質(zhì)，在應(yīng)用模型中內(nèi)化遺傳學(xué)知識，從而提高教學(xué)質(zhì)量，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維．以“連鎖與交換”一節(jié)內(nèi)容為例，講述遺傳學(xué)教學(xué)過程中開展物理模型構(gòu)建的具體流程．

遺傳學(xué)；模型構(gòu)建；物理模型；教學(xué)實踐

遺傳學(xué)是自然科學(xué)領(lǐng)域中探究生物遺傳與變異規(guī)律的科學(xué)，主要研究基因的結(jié)構(gòu)、功能及其變異、傳遞和表達規(guī)律．遺傳學(xué)知識內(nèi)容抽象，難以理解．為了更好地提高教學(xué)質(zhì)量，華北理工大學(xué)遺傳學(xué)專業(yè)采用六步教學(xué)法帶動學(xué)生主動參與課堂教學(xué)，該教學(xué)方法提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，學(xué)生通過觀看學(xué)習(xí)通平臺微課，可以有效進行自主性和拓展性學(xué)習(xí)[1]．采用多元考核評價體系[2]，可以很好地激勵學(xué)生注重平時的過程性評價考核，注重知識循序漸進的積累，這些措施在一定程度上提高了遺傳學(xué)的教學(xué)質(zhì)量．

模型是為了某種特定的目的而對認識對象所做的一種簡化的概括性描述，具有化抽象為具體，化微觀為宏觀，化復(fù)雜為簡單的特征[3]．物理模型是以實物或圖畫形式直觀地表達認識對象的特征[4-11]．遺傳學(xué)是探索生命現(xiàn)象，研究基因的結(jié)構(gòu)與功能的學(xué)科．基因是看不見摸不著的，原核細胞和真核細胞的基因傳遞方式不同，細胞核、細胞質(zhì)中的基因傳遞方式也不同，這使遺傳三大定律，尤其是連鎖與交換定律以及真菌、細菌、病毒的遺傳分析成為學(xué)生學(xué)習(xí)的難點．在高校的遺傳學(xué)教學(xué)中，為了將基因直觀地標記在看得見的染色體上來研究基因的傳遞規(guī)律，根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容和模型的特點，將物理模型構(gòu)建、數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、概念模型構(gòu)建應(yīng)用于遺傳學(xué)教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生在建模的過程中領(lǐng)悟基因的傳遞實質(zhì)，攻克學(xué)習(xí)難點，進而提高教學(xué)質(zhì)量．本文以“連鎖與交換”為例，講述物理模型構(gòu)建在遺傳學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用．

1 利用模型構(gòu)建開展遺傳學(xué)教學(xué)的策略

依據(jù)遺傳學(xué)教學(xué)理念、校情、學(xué)情，研析教材，將構(gòu)建模型應(yīng)用于遺傳三大定律，真菌、細菌、病毒的遺傳分析，數(shù)量性狀遺傳及群體遺傳等教學(xué)中．主要從三方面開展模型構(gòu)建：（1）單元或模塊教學(xué)結(jié)束后，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建知識點間的概念模型；（2）關(guān)于不同生物基因傳遞規(guī)律的探索，鼓勵學(xué)生構(gòu)建物理模型；（3）關(guān)于數(shù)量性狀遺傳、近親繁殖、雜種優(yōu)勢、群體遺傳等內(nèi)容，鼓勵學(xué)生構(gòu)建數(shù)學(xué)模型．模型構(gòu)建的教學(xué)流程見圖1．

圖1 利用模型構(gòu)建開展遺傳學(xué)教學(xué)的流程

2 利用模型構(gòu)建開展教學(xué)實踐

連鎖與交換是生物界的普遍現(xiàn)象，也是形成生物多樣性的重要原因，在動植物育種和醫(yī)學(xué)實踐中具有重要意義．“連鎖與交換”是遺傳學(xué)第三定律的基礎(chǔ)，學(xué)生只有掌握了其發(fā)生機制，才能更深入地學(xué)習(xí)基因定位、三點測驗等內(nèi)容，才能更好地運用第三定律指導(dǎo)生產(chǎn)生活實踐．該內(nèi)容也是連結(jié)孟德爾定律和遺傳第三定律的橋梁．部分學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中容易將其與自由組合規(guī)律混淆．因此，采用模型構(gòu)建的方法幫助學(xué)生更好地理解此部分內(nèi)容．

2.1 創(chuàng)設(shè)情境，明確任務(wù)

教學(xué)情境：教師課前通過學(xué)習(xí)通或上一節(jié)課堂提前發(fā)布相關(guān)任務(wù)，以貝特生和龐尼特的科學(xué)史引入，展示兩位科學(xué)家將兩親本分別為紫花長花粉粒（AABB）和紅花圓花粉粒（aabb）的香豌豆雜交得到的實驗結(jié)果．實驗結(jié)果F1為紫花長花粉粒，F(xiàn)2的性狀及其統(tǒng)計的個體數(shù)為：4 831個紫花長花粉粒，390個紫花圓花粉粒，393個紅花長花粉粒，1 338個紅花圓花粉粒．

基于教學(xué)情境，要求小組合作完成任務(wù)．問題驅(qū)動1：基于表1中的問題構(gòu)建經(jīng)減數(shù)分裂產(chǎn)生配子的染色體變化的物理模型，幫助兩位科學(xué)家驗證這兩對相對性狀的基因是否符合自由組合定律，并給出合理的解釋．學(xué)生采用手工繪圖或電腦繪圖的方式進行制作．

表1 學(xué)生制作模型的內(nèi)容及條件

問題驅(qū)動2：分析制作的模型，繼續(xù)解決問題：（1）發(fā)生交換的胞母細胞數(shù)的百分率和產(chǎn)生的重組型配子的百分率間存在怎樣的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系；（2）為什么重組型配子的百分率一定小于50%．

2.2 合作學(xué)習(xí)，自主學(xué)習(xí)

基于問題，教師首先引導(dǎo)學(xué)生觀看學(xué)習(xí)通平臺的微視頻，自主學(xué)習(xí)或小組討論連鎖與交換的相關(guān)概念及其交叉互換的機制，有助于學(xué)生制作模型，也使模型更符合科學(xué)事實和依據(jù)．

2.3 小組合作，制作模型

學(xué)生提前學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，課前分組討論，共同設(shè)計方案，解決相關(guān)問題．按照模型的制作流程（確定模型種類——準備材料用具——確定實施過程和小組成員分工——完成模型制作——檢查修補模型——與他人交流等）制作初步模型，并將制作好的初步模型上交，采用電腦軟件制作的模型上傳到學(xué)習(xí)通，手工繪圖或采用彩泥制作的模型直接交給教師，也可將本組的模型分享給其他小組進行對比交流．

2.4 教師精講，分析模型

由于經(jīng)過課下自主學(xué)習(xí)及模型制作，大部分學(xué)生對連鎖與交換現(xiàn)象有了初步了解，為了教學(xué)的連續(xù)性，課堂上，教師以課前設(shè)置的教學(xué)情境引入，借助學(xué)生制作的模型，只對本節(jié)的內(nèi)容進行選擇性講解，教學(xué)側(cè)重引導(dǎo)學(xué)生用遺傳學(xué)的思維探究遺傳現(xiàn)象，認識連鎖遺傳現(xiàn)象，進而領(lǐng)悟連鎖交換的實質(zhì)．

構(gòu)建模型之后，對模型分析，從中得到相關(guān)信息，悟出相應(yīng)的道理才是模型構(gòu)建活動的根本目的，才能從本質(zhì)上理解遺傳現(xiàn)象．教師精講本節(jié)內(nèi)容后，在后半節(jié)課，首先由學(xué)生講述自己制作的模型，之后針對學(xué)生的建模情況、建模過程中遇到的典型問題，師生間展開討論、歸納總結(jié)，教師補充相應(yīng)的知識點．討論主要集中在幾個方面：（1）在學(xué)生構(gòu)建的模型（見圖2）中，對比模型2和模型3，呈現(xiàn)出完全連鎖和不完全連鎖兩種情況，完全連鎖類似于一對等位基因的遺傳；（2）對比模型1和模型3，可以看出獨立遺傳和連鎖遺傳的實質(zhì)區(qū)別，配子產(chǎn)生的方式不同；（3）對比模型3和模型4，可知重組型配子的產(chǎn)生需要在兩連鎖基因間發(fā)生交叉互換，綜合模型3和模型4可知，重組型配子所占的比例一定小于50%；（4）除了完全連鎖外，是不是兩基因間都可以發(fā)生交叉互換．討論結(jié)果為：離著絲粒近的基因間不容易發(fā)生交換，兩連鎖基因間距離太近不容易發(fā)生交換．據(jù)此學(xué)生檢查自己的模型，是否存在不合理之處．

圖2 學(xué)生制作的4種模型

在此次物理模型構(gòu)建教學(xué)實踐中，基于教師的全程引導(dǎo)，全班分為6組，每組5人．其中一組學(xué)生所構(gòu)建的模型存在姐妹染色單體的長度明顯不等，產(chǎn)生的配子中存在染色體組合異常；另一組學(xué)生將兩對基因分別定位于染色體的長臂和短臂，對兩基因間的交叉互換理解錯誤，這也是教學(xué)中需要強調(diào)的一點，兩基因間交叉互換考慮的是位于同一染色體同一臂上的基因，這也為后續(xù)的基因定位三點測驗打下基礎(chǔ)．

2.5 深悟知識，完善模型

針對課上講解的內(nèi)容，各組學(xué)生課下將模型完善修改，進一步深入領(lǐng)會連鎖與交換的實質(zhì)，并將修改好的模型提交，作為過程性考核評價的一項成績．

為了更好地開展下一節(jié)課的教學(xué)，教師課下布置新的建模任務(wù)．問題驅(qū)動3：基因型為AaBbCc的個體，其中A，B，C位于一條同源染色體上，a，b，c位于另一條同源染色體上，在上述建模的基礎(chǔ)上，請你構(gòu)建一種在A/a和B/b之間發(fā)生交叉互換的同時，B/b和C/c之間也發(fā)生交叉互換的模型5．通過建好的模型5，將產(chǎn)生的重組型配子與親本型配子相比，位于哪個位置的基因發(fā)生互換．

2.6 內(nèi)化知識，應(yīng)用模型

教師通過學(xué)習(xí)通平臺發(fā)布一道試題，檢驗學(xué)生能否通過構(gòu)建簡易模型解決遺傳學(xué)問題．

原題：下面有兩種雜交組合，①aaBb×Aabb雜交；②AaBb×aabb雜交，請你用圖解的方式說明這兩種雜交組合能否證明自由組合定律？（用豎線表示相關(guān)染色體，用點表示基因的位置，不考慮交叉互換，嘗試畫出兩組別親本的基因位置關(guān)系并寫出后代的基因分離情況）．

參考答案（見圖3）：AaBb×aabb雜交，在獨立遺傳時后代性狀分離比和連鎖遺傳的情況下后代性狀分離比不同，因而可以證明自由組合定律；而aaBb×Aabb雜交，在獨立遺傳和連鎖遺傳時后代性狀分離比相同，因而不能驗證自由組合定律．

親本（不考慮交叉互換）后代基因型及比例后代表現(xiàn)型及比例 兩對基因獨立遺傳4種AaBb∶Aabb∶aaBb∶aabb=1∶1∶1∶14種1∶1∶1∶1 兩對基因連鎖遺傳2種AaBb∶aabb=1∶12種1∶1 兩對基因連鎖遺傳2種Aabb∶aaBb=1∶12種1∶1 兩對基因獨立遺傳4種AaBb∶Aabb∶aaBb∶aabb=1∶1∶1∶14種1∶1∶1∶1 兩對基因獨立遺傳4種AaBb∶Aabb∶aaBb∶aabb=1∶1∶1∶14種1∶1∶1∶1

在循序漸進、學(xué)生已有知識的基礎(chǔ)上，首先，利用教學(xué)情境激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)他們積極思考，自主學(xué)習(xí)微課，主動構(gòu)建4種主要的模型，進而幫助學(xué)生更好地理解自由組合定律和連鎖交換律之間的異同、連鎖與交換的實質(zhì)、連鎖的類型等相關(guān)知識．之后，通過進一步的問題驅(qū)動，鼓勵學(xué)生建立三對等位基因間的雙交換模型，為下節(jié)課的教學(xué)打下基礎(chǔ)．通過一道試題的檢測發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生都能很好地掌握連鎖與交換的內(nèi)容，能通過用豎線表示相關(guān)染色體，用點表示基因建立簡單的模型來解決問題．

3 結(jié)語

通過引入科學(xué)史實，引導(dǎo)學(xué)生將新知識遷移到原有的知識體系中建立物理模型，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，體驗建模的過程，主動參與科學(xué)探知，充分體現(xiàn)了學(xué)生為主體的學(xué)習(xí)地位，提高了學(xué)生的科研探究能力．將構(gòu)建模型引入遺傳學(xué)教學(xué)，將看不見、摸不著的基因定位于看得見的染色體上來研究減數(shù)分裂過程中染色體的行為，形成感性認識，使抽象的內(nèi)容具體化、形象化，加深學(xué)生對相應(yīng)知識的理解．在知識點考查難度一致的前提下，將實驗班（2020級生物技術(shù)專業(yè)）與對照班（2019級生物技術(shù)專業(yè)）相比，實驗班平均分為83.3分，而對照班平均分為78分，可見模型構(gòu)建有助于學(xué)生對遺傳學(xué)知識的理解．

經(jīng)過建模過程的教學(xué)實踐，得出建模過程中應(yīng)注意的幾點內(nèi)容：（1）對于建模，教師教學(xué)過程中要圍繞教學(xué)目標，選取合適的教學(xué)內(nèi)容布置建模任務(wù)，此外，教師要給出明確的方向或者示范性的簡單指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生從不同的角度分析模型，進而完善模型，使其更具科學(xué)性；（2）學(xué)生的繪圖能力不同，所建模型有好壞之分，但一定注重學(xué)生親自建模的過程，堅決杜絕利用已有的模型，不親身感受建模的過程，難以領(lǐng)悟建模的目的，難以理解模型中蘊含的遺傳知識；（3）教師授課過程中，借用學(xué)生已建成的模型進行講解，讓學(xué)生具有成就感，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時要掌控教學(xué)的“量”和課堂教學(xué)時間；（4）模型的建立是在一定前提條件下建成的，具有一定的局限性，任何一種模型都不能完美地代表真實的遺傳現(xiàn)象，因此要用發(fā)展的眼光看待模型，由一種模型推及另一種模型，真正實現(xiàn)通過模型認識遺傳現(xiàn)象背后的遺傳規(guī)律．

[1] 張紅梅，邢朝斌，蔡寶宏，等．五步教學(xué)法在遺傳學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J]．高師理科學(xué)刊，2023，43（4）：107-110．

[2] 張紅梅，李明，沈海娥，等．多元考核評價體系在遺傳學(xué)教學(xué)中的實踐[J]．高師理科學(xué)刊，2019，39（10）：100-102．

[3] 王茹，胡選萍，封濤，等．物理模型教學(xué)的誤區(qū)與超越[J]．中學(xué)生物教學(xué)，2022（2）：29-31．

[4] 合嬈嬈，劉劍，朱明艷．基于模型構(gòu)建的“細胞的能量‘貨幣’ATP”教學(xué)設(shè)計[J]．中學(xué)生物教學(xué)，2023（3）：52-54．

[5] 楊海蓮．利用模型構(gòu)建開展概念教學(xué)的實踐研究：以“生物與環(huán)境組成生態(tài)系統(tǒng)”為例[J]．中學(xué)生物教學(xué)，2023（4）：24-26．

[6] 王栩，朱曉燕．運用SNP模式進行“體液免疫”一節(jié)論證式建模教學(xué)嘗試[J]．生物學(xué)通報，2020，55（12）：41-43．

[7] 張士亮．在概念模型建構(gòu)中發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)[J]．教學(xué)考試，2020（24）：24-27．

[8] 趙萍萍，趙博，劉恩山．建模教學(xué)研究進展及其對理科建模教學(xué)的啟示：基于學(xué)科教學(xué)視角[J]．教育導(dǎo)刊，2015（2）：42-45．

[9] 嚴惠馨，劉艷秋，李曉杰，等．基于學(xué)生實驗探究構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的“種群數(shù)量的變化”教學(xué)設(shè)計[J]．生物學(xué)通報，2021，56（7）：28-31．

[10] 張玉平，馮明董．遺傳計算中數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建[J]．生物學(xué)通報，2019，54（1）：21-23．

[11] 潘曉燕，陳瓊．基于紙模型的“基因伴隨染色體傳遞”一節(jié)的教學(xué)設(shè)計[J]．生物學(xué)教學(xué)，2023，48（1）：38-40．

Practice of using model construction to carry out genetics teaching

ZHANG Hongmei1，CAI Baohong2，XING Zhaobin1，YUAN Min1，LONG Yuehong1

（1. School of Life Sciences，North China University of Science and Technology，Tangshan 063210，China；2. The First Middle School of Tangshan，Tangshan 063000，China）

In order to present abstract content to students in an intuitive and visual manner，help students can thus better understand the theoretical knowledge of genetics，teachers introduce model construction into classroom teaching from arranging clear tasks，cooperative learning，modeling，analyzing model，improving model，applying model six aspects．Guide students to construct models through problem-driven guidance，enable students to understand genetic concepts during the process of constructing models，understand the essence of genetics laws during the process of analyzing models，internalize genetic knowledge during the process of applying models，so then improve the quality of teaching and develop students′ scientific thinking in the process．Take the section on linkage and exchange as an example to describe the specific process of physical model construction in genetics teaching．

genetics；model construction；physical model；teaching practice

1007-9831（2024）02-0101-05

Q3∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2024.02.021

2023-09-07

河北省高等教育教學(xué)改革研究與實踐項目（2022GJJG211）

張紅梅（1977-），女，河北唐山人，副教授，碩士，從事遺傳學(xué)研究．E-mail：1441063447@qq.com