运用“软磁铁模型”突破关于染色体相关知识的教学难点

陆子辰

摘 要 软磁铁作为一种物理模型，将其运用在与染色体相关知识的教学中，可将学生肉眼无法直接观察的染色体，化为直观的物质，利于突出染色体相关知识的教学重点，突破染色体与基因行为关系的教学难点。

关键词 软磁铁模型 交叉互换 易位 染色体组

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

1 软磁铁模型突破染色体相关知识的切入分析

“染色体”是许多生物学知识的基础。基因在染色体上，基因变化本质主要依赖于细胞分裂过程中染色体的行为；在遗传的过程中，遗传信息主要以染色体为载体传递给子代，从而保证亲子代间的相似性；但若传递过程出现异常，即变异，则会出现差异。由此可见，遗传与进化都围绕染色体展开（图1）。但在学习过程中，学生对于染色体相关概念的含义、概念中的定语以及相互关系难以理清，容易出现张冠李戴的现象，为帮助学生理解与染色体相关的容易混淆的知识点，教师可运用软磁铁作为突破该问题的途径。下面主要介绍在教学中运用软磁铁模型突破交叉互换导致基因重组、易位和染色体组等与染色体有关的知识难点。

1.1 从“交叉互换”到“基因重组”的知识迁移突破

教学环节：减数分裂过程。

学生在黑板上演示减Ⅰ前期、减Ⅰ后期的同源染色体以及减数分裂完成后的染色体（图2）。

设计意图：学生巩固减数分裂的过程，回忆染色体行为变化。学生用知识指导行为，将思维过程体现在动态摆放过程中。

教学环节：基因标注。

教师提示：若该细胞基因型为AaBb，且A、B基因和a、b基因分别位于同一条染色体上。

学生将基因分别标注在减数分裂不同阶段细胞的染色体上（图3）。

设计意图：学生通过演示，强化基因与染色体的关系：基因位于染色体上，且一条染色体上含有多个基因。

教学环节：交叉互换过程。

学生在黑板上演示发生交叉互换后，减Ⅰ前期、减Ⅰ后期的同源染色体以及减数分裂完成后的染色体（要事先备好多个红、白染色体“尾部”）。

设计意图：学生通过摆放，模拟染色体片段交叉互换的过程和结果，并厘清交叉互换的发生时间和位置。

教学环节：交叉互换后的基因标注。

教师假设：细胞基因型仍为AaBb，且A、B基因和a、b基因位于同一条染色体上。

学生将基因标注在减数分裂不同阶段细胞的染色体上（图4）。

设计意图：教师引导学生归纳重组配子的基因型，并将抽象的“片段”交叉互换转化为直观的重组配子。

基因重组中同源染色体的交叉互换包括斯特蒂文特1952年发现的不对等交叉互换和高中生物学中要求的对等交叉互换。该变异发生的本质较为复杂，但书本中关于此概念的描述仅限为：在减数分裂过程中同源染色体的非姐妹染色单体之间发生染色体片段的交换，也使染色体上的基因发生重组。学生对于概念中多个定语的理解有一定困难。笔者现将其整合于一个定义中，难度不言而喻。若学生只是死记硬背，会容易遗忘或混淆。为突破该难点，教师可采用不同颜色的软磁铁表示染色体并对其进行拼接。

1.2 “交叉互换”与“易位”的辨析突破

学生在学习时易将减Ⅰ前期发生的交叉互换与易位混淆，究其根源在于对二者概念理解不够深刻，难以分析二者的区别。为突破该难点，笔者设计如下教学过程。

教学环节：易位。

学生自主选择染色体的颜色、形态等即同源或非同源染色体，在黑板上摆放易位发生的位置和结果（图5）。

设计意图：学生在摆放过程中，明确易位发生于非同源染色体之间，深入理解概念。

教学环节：交叉互换重现。

学生回忆相关内容，并在黑板上快速摆放交叉互换的过程（图5）。

设计意图：教师引导学生回忆交叉互换的过程和结果，并为二者的比较打下基础。

教学环节：比较易位和交叉互换。

学生总结差异：发生的染色体不同，易位在非同源染色体之间，交叉互换在同源染色体的非姐妹染色单体之间；二者所属的变异类型不同。

设计意图：教师引导学生将概念表述中的文字转化为染色体（软磁铁）的行为变化，并归纳总结差异，总结简化为思维过程归纳。

1.3 “染色体组”的内涵与外延解读突破

《浙江省普通高中学科教学指导意见（生物）2014版》中对“染色体组”的教学建议为：概念本身较为复杂，尽量运用图解帮助学生理解。以果蝇染色体组作为案例，教师要帮助学生理解染色体组的定义，如运用软磁铁突破该定义中的关键词：“一个染色体组中”“形态、功能各不相同”和“全部遗传信息”。

教学环节：果蝇染色体。

教师在黑板上粘贴果蝇染色体图解，并对4对同源染色体标号和标注基因。

设计意图：学生可以大致了解果蝇的染色体图解，为突破定义中“全部遗传信息”打下基础。

教学环节：在细胞水平的突破概念。

教师找出概念中关键文字，即“形态、功能各不相同”和“全部遗传信息”。

学生根据定义，从图中先后移取出果蝇一个染色体组。学生互评，完善“染色体组”的概念。

教师总结，强调：一个染色体组中不存在同源染色体，即“各不相同”，每对同源染色体各取一条。

设计意图：教师指导学生将定义中的文字转化为移取染色体组过程中的行为，化静态的定义为動态的染色体组生成过程，从而突破概念中关于染色体“各不相同”的描述。

过渡：如图6所示，教师在Ⅱ号染色体上标注长翅V和残翅v；Ⅲ号染色体上标注灰体H和黑檀体h；Ⅳ号染色体上标注正常肢C和短肢c，性染色上标注刚毛B和截毛b（同源区段）。

教学环节：在分子水平突破概念。endprint

教师提出问题：能否确定移取的一个染色体组中含有“全部遗传信息”？

学生在移取的一个染色体组中的不同染色体上，标注控制相应性状的基因（图7），并总结出一个染色体组中虽无同源染色体，但却含有控制“所有”性状的基因，即“全部遗传信息”。就等位基因而言，无法确定移取染色体过程中究竟携带哪一个，以此理解移取同源染色体过程中的随机性。

设计意图：学生在标注过程中明确：等位基因位于同源染色体上，只要存在一对同源染色体中的一条即可携带控制该性状的基因，以此理解“全部遗传信息”。在“选择”显性或隐性等位基因时，教师引导学生将同源染色体转化为等位基因进行选择，以此突破同源染色体随机选取的难点。

学生在突破染色体组的概念难关后，接踵而至的是各种情况下染色体组组数的判断，根据染色体或基因型，得出染色体组组数。对学生而言，如果只是掌握两种角度下的染色体组组数的判断方法并非十分困难，但是将两个角度的判断方式建立的知识体系关联却难度较大。学生对于为何可通过计算每一对等位基因或“相同”基因的数目来判断染色体组组数难以理解，教师运用软磁铁演示，该问题也可迎刃而解。

教学环节：染色体核型图判断染色体组组数。

教师在黑板上零散摆放两组同源染色体。

学生根据定义，判断染色体组组数。

设计意图：教师引导学生运用并强化定义的理解。

教学环节：基因型判断染色体组组数。

假设该细胞基因型为AaBb，且两对等位基因独立遗传。师生共同将基因标注在染色体上，一对同源染色体上分别标注等位基因Aa、Bb。

教师：若从基因型角度出发，不借助染色体，能否得出图8中该细胞染色体组组数？（为避免染色体影响学生观察，移除染色体，仅留下基因型）从染色体角度来看，该细胞含两个染色体组。若从基因型角度分析应仍是两个染色体组，每一对等位基因数目是2，染色体组组数恰好也是2，二者相等。

设计意图：学生从两个角度判断染色体组，依据二者间的等量关系，总结基因型角度的判断方法。学生自主总结规律，掌握方法，提高其思维和行为的主体性。

教师：这仅仅达到了解题层面的“技术”要求，并未深入了解知识内部，为何会呈现这样的关联性。

教学环节：试错教学环节。

教师摆放错误的染色体核型图（图9）。

学生：观察指出错误，调整，呈现正确的图像。

设计意图：将光镜下可见的同源染色体与分子水平的基因建立联系，在纠错中明确两个判断维度的理论支持。

2 软磁铁模型教学开展中的注意事项及反思

软磁铁模型教学从教学过程来看看似简单，但在实际操作過程中如若操作不当，容易出现一些问题。首先，为避免在教学中“寻找和摆放”软磁铁的时间将讲解知识点的时间分割并切断，影响学生对过程连贯性的理解，教师可在课堂教学前将不同的软磁铁分类摆放，易于拿取，此外，还可在黑板上提前粘贴好一部分，以此节约时间。其次，为避免软磁铁的颜色差异引起学生的误解：自然界中同源染色体的来源不同颜色会有所差异，在模型使用之初，教师必须强调：颜色仅为区分，并非其真实状态。最后，教师一定要注意软磁铁模型使用的循序渐进性。教师在教学过程中应当逐步渗透软磁铁代表染色体的模型方法，以书本中众多与染色体有关的知识作为渗透载体，由浅入深。在不断渗透的过程中，教师要引导学生感受并掌握基因、染色体以及遗传和变异等知识间的关联，促使学生建立完善、全面的知识体系。endprint