围绕遗传规律开展模型构建提升核心素养 论文

围绕遗传规律，开展模型构建，提升核心素养摘要：遗传规律的学习总是被学生归类为最难的学习内容。因此，针对学生学习过程中的难点，围绕遗传规律的现代解释，以兴趣爱好为动力，激励学生沿着问题串，逐个深入探索思考，实现学生在理解概念的同时提升学生的学科核心素养。关键词：遗传规律，模型构建，核心素养孟德尔遗传规律的现代解释是生物必修二的重要组成部分，包含“遗传因子的发现”、“基因和染色体的关系”两部分内容。它从基因和染色体两个角度阐释生命的延续，帮助学生理解后代出现多样性的原因。虽然遗传规律所涉及的生命现象与同学们的日常生活密切相关，能极大地激发学生学习的热情，但是随着学习的深入，同学们普遍反映遗传学相关内容很抽象，难以理解，更难以应用。为了让学生更好地理解和掌握这部分知识，笔者开展了部分模型构建活动，帮助学生形成概念、培养思维方法，同时锻炼语言表达能力。现对所开展的活动进行分析总结，以供同行们参考。一、模型的概念模型是指人们根据研究目的，以物质的形式或思维的形式再现原型的本质特征(如结构、功能）。它不包括原型的全部特征，但可以使生命现象或过程得到简化便于研究人员对研究对象本质的认识。根据构建模型的方法不同，模型可以根据构建的方法，分成物理模型、数学模型和概念模型。物理模型是根据相似原理，利用实物或者图片模拟待研究对象的某种功能或者性质。例如，细胞结构模式图、DNA双螺旋模型、减数分裂的过程图解。物理模型的特点是模型的形态、结构与原型的本质特征非常相像，大小一般是按比例放大或缩小的。数学模型是.用来定性或定量描述生命规律的函数式、曲线图、柱形图等。例如，减数分裂过程中DNA、染色体、染色单体的数量变化规律，基因分离定律和自由组合定律的遗传图解。概念模型是利用线条和文字连接成图形，阐明事物的规律和机理。例如，遗传信息的表达过程。概念模型的特点是文字简洁，图示直观，可以直接揭示事物的主要特征和本质。二、依靠模型构建，逐步形成概念，提升科学思维素养教材按照“遗传因子的发现”、“基因在染色体的关系”安排教学内容，希望学生能将孟德尔的遗传规律、配子形成过程中染色体的变化规律和基因在染色体上等知识进行综合，最终理清基因和染色体的关系，形成遗传规律的现代解释。其中，“分离定律的模拟实验”、“建立减数分裂过程中染色体变化的模型”两个探究实验以及“哺乳动物精子、卵细胞的形成过程示意图”都属于模型类研究方法，帮助学生理解抽象的遗传因子和微观的染色体是如何将遗传信息从亲代传递给子代。这样，当学生跟随着萨顿和摩尔根进行理论推导和科学探究时，可以自主构建出基因和染色体的关系，形成遗传规律的现代解释。在整个学习过程中，教材多次利用物理模型化抽象为具体，帮助学生认识微观世界的变换规律，提升科学思维素养。比如模拟配子的分离和结合，体验假说演绎科学研究方法；图示减数分裂过程中染色体的变化，总结归纳出减数分裂过程不同时期染色体的特点。基于教材编排的特点以及学生学习中暴露出来的抽象思维、灵活应用、归纳总结等能力较弱的问题，笔者安排的活动规划如图1所示。图1学期活动规划1．开展模拟实验，理解孟德尔假说，领会建模思想模拟实验是一种代替性实验，它是在研究对象无法被直接进行实际实验时，选定合适的代替物模拟研究对象的实际情况，通过对代替物进行实验，进而获得对研究现象的认识。孟德尔在分析高矮茎豌豆实验时，利用遗传因子这一概念，解释F2出现3:1的性状分离比的原因。但是遗传因子是什么，孟德尔没有说明，学生无法将这个词具象化，更想象不出遗传因子是怎样成对存在、如何分离组合。开展模拟实验，将抽象的遗传因子实物化，学生可以直接操作，模拟遗传因子的分离及雌、雄配子的随机结合，得出后代的性状与比例，更好地体验与理解分离定律。在开展活动前，要求学生阅读教材中的高矮茎豌豆实验和模拟实验，明确原型和模型的对应关系：两个小桶分别模拟雌性和雄性的生殖器、桶内小球模拟遗传因子、从桶内随机抓取一个彩球模拟遗传因子的分离、两个桶内随机抓取的彩球组合在一起模拟雌雄配子的随机结合。由于小桶难存放、小球易蹦出小桶，同学们对实验材料进行了创新，用教室中易获取的材料进行了替换（图2）。教师辅助同学们分析、讨论实验结果。若实验结果和理论值接近，引导学生回顾孟德尔的假说内容，强化学生对假说内容的理解。若实验结果和理论差有较大差异，引导学生分析误差产生的原因，意识到模型材料的选取、实验次数的适中、彩球有无放回等操作对F2性状分离比可能存在的影响，从而得出模型选择的合理性、实验步骤设计的科学性，对于研究事物本质的重要性。图2模型材料的选择2．变通模拟实验，适应新问题情境，提升探究能力由于教材提供的模拟实验，是基于雌雄配子数量相同的前提，与真实情形有一定的差异。为了考查学生应用模型解决问题的能力，笔者提出新的活动任务：自然条件下，雌配子数远远少于雄配子数。若子一代杂合子自交，子二代性状分离比是否还符合3:1？如何证明你们的观点？各个小组将原有模型进行了改动，以适应新的问题情境。（图3）新模型分为四类：①将代表雄配子的两种笔芯数目均增加一倍；②将代表雌配子的两种笔芯数目均减少一半；③只增加代表雄配子D的蓝色笔芯，直至雄配子总数增加一倍；③只减少代表雌配子D的蓝色小球，直至雌配子总数减少一半。各小组实验结果差异较大，其中①②两种模型的结果接近3:1；③④两种模型的结果远离3:1。这时，笔者利用问题串引导学生对结果进行分析：改动后的四种模型，配子的比例是否相同？说明了什么结果？自然中是否存在这种情况？同学们通过热烈的讨论，得出结论：雌雄配子的数量对于后代没有影响；3:1的性状分离比是由雌配子、雄配子参与受精作用时的概率所决定的；自然界中可能存在某种配子致死的情况，使得后代出现1:1而不是3:1的性状分离比。通过对各组模型的差异性分析，不仅总结出F2出现性状分离比3:1的条件，还帮助学生突破3:1的思维定势，在遇见1:1等特殊性状比例时，敢于提出现象符合分离定律的观点。图3 学生正在进行模拟实验3．构建物理模型，模拟减数分裂过程，提升分析综合能力减数分裂从细胞的角度解释遗传信息从亲代传到子代的过程，是高中阶段学生需要掌握的核心概念。在教学过程中，教师引导学生构建物理模型，将微观的染色体转化成可触摸的实物，将不可见的染色体行为变化转化成宏观的可操作过程，帮助学生理解减数分裂过程各时期的特点及配子多样性的原因。在开展模型构建活动之前，要求学生阅读教材，思考以下几个问题：①活动模拟的对象是什么，如何制作模型模拟原型；②如何区分同源染色体和非同源染色体，姐妹染色单体和非姐妹染色单体这两组概念；③减数分裂各时期，染色体的行为分别有什么特点；④减数第一次分裂前期，染色体会发生互换，对形成的配子有无影响。经过小组讨论，最终确定模型和原型的的关系：不同长度的黏土棒表示不同的染色体，不同颜色的黏土表示染色体的来源。然后以两对同源染色体为例构建减数分裂过程中染色体的行为变化物理模型。在模型建构的过程中，同学们通过改变模型的数目、形状和位置，模拟减数分裂过程中不同时期染色体数目、位置、行为的变化，促进学生对同源染色体概念的理解，明确减数分裂不同时期染色体的变化特点，从而达到准确阐述哺乳动物精子和卵细胞的形成过程这个教学目标（图4）；通过对模型进行拆卸和重组，模拟四分体时期同源染色体上的非姐妹染色单体之间的互换、减数第一次分裂后期非同源染色体的自由组合，归纳出配子多样性的原因（图5）。在构建减数分裂模型后，小组代表将减数分裂与孟德尔遗传规律进行比较、讨论，思考染色体和遗传因子的关系，为下一节基因在染色体埋下伏笔。当学生学习了“基因在染色体上”后，鼓励学生重新设计和制作具有两对同源染色体的减数分裂的过程模型，标出两对等位基因在染色体的位置，并模拟非等位基因随同源染色体而自由组合的情况。从基因和染色体关系的关系，总结出“孟德尔遗传规律的现代解释”，实现减数分裂过程和基因遗传规律的有机整合，从而更好的解释生活中的遗传现象。图4减数分裂过程的物理模型图5讨论配子多样性的原因4．构建数学模型，抓住现象的本质，促进模型分析能力的提高数学模型是把实际问题与某种数学结构之间建立起对应关系，利用数学语言揭示出生物学现象的本质特征或数量变化关系。例如减数分裂过程中，染色体行为的变化将会导致细胞内染色体数量、染色单体数量、DNA数量的变化；子一代黄圆豌豆进行自交时，后代出现9:3:3:1的性状分离比。当学生能够利用物理模型，熟练地阐述减数分裂全过程及各时期的染色体的特征后，以模型为切入点，绘制减数分裂过程中染色体和DNA数目变化的柱状图或曲线图，分析曲线中各转折点出现的原因，认清减数分裂过程中染色体变化的本质，逐步培养学生数学建模思想、透过现象揭示本质的洞察力。图6数学模型展示5．构建思维导图，理清概念之间的关系，提升归纳能力思维导图是围绕某个主题，利用符号或者文字将杂乱的知识串联起来，构建知识系统和网络，呈现知识之间的相互联系，揭示研究主题的主要特征和本质的一种模型结构。在构建思维导图的过程中，可以以问题串的方式提示学生相关概念，完善知识结构，形成以遗传规律为主题的知识网络。例如减数分裂、遗传分离定律和自由组合定律学习结束后，提问：①分离定律和自由组合定律之间有何联系；②减数分裂过程中各时期染色体行为、数目、DNA分别发生了哪些变化；③遗传因子与基因有什么关系，基因与染色体有什么关系；④什么是受精作用，受精作用前后染色体数目发生了哪些变化？受精作用的意义是什么？学生根据老师提示的问题，小组讨论，完善各小组的任务。图7优秀思维导图展示三、评价与反思高中生物学课程标准高度关注学生在学习过程中的实践经历，强调学习的过程应该是学生主动参与的过程，在学习的过程中，深化基本概念的理解，形成正确科学的研究方法和思维方式。模型构建作为现代科学中的重要研究方法，可以帮助学生认识事物的本质和规律，促进知识的理解。同时培养学生学会观察、设计实验、归纳演绎的能力。1．活动前心中有目标每次活动前有明确的活动目标，可以是要理解的学科知识，也可以是学生需要提升的能力，保证每次活动开展的效果，提高活动的效果和效率。例如利用黏土模拟减数分裂过程，是为了帮助学生能阐述减数分裂各时期染色体行为和数目的特点，区分自由组合和交叉互换这两个概念的不同，提高学生的综合分析和语言概括能力；开设性状分离比模拟实验及其拓展实验，是为了培养学生模型构建、逻辑思维、归纳总结的能力。每一次实验的开展，不仅仅是知识的巩固，同时也是能力的提升。2．活动中行动有方向在落实模型建构活动，教师作为教学的组织者和启发者，应注意把握活动开展的时机、学生的接收程度，围绕着活动目标，循序渐进的提高活动难度。坚持让学生自己唱主角，引导学生在真正的“做”科学的过程中，丰富学生的体验，提高运用模型解决问题的能力。例如，分离定律的模拟开展是为了让学生理解假说内容，同时