基于概念模型建构的人类遗传专题复习设计

吴文清

摘要 在人类的遗传专题复习教学中，建构有性生殖过程中染色体和相关基因传递的概念模型，可以较好地实现初中学生对遗传及相关知识的概念化和体系化，深入理解生物遗传模块中的重要概念，发展理性思维能力。

关键词 有性生殖 概念模型 染色体 基因

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

概念模型是科学模型中思维模型的一种形式，是学生在教师的引导下，利用已有的知识背景，自主建构知识体系的过程，常用于生物学核心概念的学习。模型建构是人们按照特定的科学研究目的，在一定的假设条件下，通过研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法，是以简化和直观的形式来显示复杂事物或过程的手段。模型建构作为一种认识手段和思维方式，在生物学教学中有着广泛的应用。

生物遗传是建立在生物生殖发育基础上的遗传信息的传递和表达过程。学生通过初中生物遗传模块学习后，可以初步运用基因在亲子代之间的传递过程来解释遗传现象，但由于对生殖与遗传的关系以及遗传的本质理解不到位，无法将遗传知识概念化和体系化，导致无法熟练应用概念，例如无法对遗传基础上发生的生物变异现象作出准确的分析和解释。因此，教师需要给学生提供必要的认识手段来内化遗传模块的有关概念。以人类的遗传专题复习为例，教师可以对教材内容进行重组，首先使学生理清有性生殖的基本过程和实质，接着以有性生殖过程中遗传信息如何传递为思维线索，促使学生建构概念模型，促进学生对重要概念的理解和应用。

1回顾遗传信息的载体——染色体的特点

教师展示人类女性体细胞内的染色体图谱，通过“数一数”活动，明确人类体细胞中染色体的特点：共有46条，形态两两相同。

教师：不同生物的染色体上携带着特定的遗传信息，从染色体角度来看每种生物体细胞中染色体的形态和数目保持恒定。例如果蝇体细胞中有4对染色体；蝗虫体细胞内有12对染色体；豌豆体细胞内7对染色体；玉米体细胞内有10对染色体。细胞分裂过程如何保证了细胞前后代遗传信息的稳定？

教师展示动植物细胞分裂的过程，总结细胞分裂的基本过程：细胞核先一分为二，接着细胞质也一分为二，最后一个细胞分裂成两个子细胞。

教师引导学生分析：因为每对染色体上都含有该种生物特定的遗传信息，为保证这些遗传信息能准确无误地传递给子代细胞，在细胞分裂过程中细胞核中的染色体会先进行复制，形成形态和数量完全相同的两份染色体；然后两份染色体分别进入到新形成的细胞核中；最终每个新形成的子细胞其染色体的形态和数量都和母细胞完全相同，遗传信息就实现了稳定传递。

2依据有性生殖的过程，建构染色体传递概念模型

教師引导学生回顾人的生殖过程，与无性生殖进行比较，明确有性生殖的特征：生物体雌、雄个体分别产生卵细胞和精子；在生殖活动中，精子和卵细胞通过受精作用（细胞核融合）形成受精卵；受精卵经过发育形成子代个体。

教师提出问题：有性生殖过程中如何保证生物亲子代遗传信息的稳定？假设经细胞分裂形成的精子或卵细胞的染色体也是23对，精子与卵细胞结合成的受精卵中染色体的数目是多少？若为46对染色体呢？

教师：科学家发现，进行有性生殖的生物，其生殖细胞中的染色体数目为体细胞的一半，保证了父本产生的精子与母本产生的卵细胞随机融合形成的受精卵，其细胞核中的染色体一半来自父本，一半来自母本。据此，请构建有性生殖染色体传递概念模型（图1）。

教师引导学生分析：从染色体的形态和数量两方面分析，生殖细胞中的染色体形态各不相同，彼此不能成对，受精卵细胞中的染色体两两成对。受精卵是有性生殖生物个体发育的起点，染色体携带父母的遗传信息通过受精卵结合在一起，共同对子代的遗传性状起作用。

3建构有性生殖基因传递概念模型，分析人类基因在亲子代之间的传递

教师：遗传信息在生物的生长发育过程中会起调控作用，使得生物体的后代表现出和亲代个体相同或相似的形态结构和生理特征，这些特征被称为生物的遗传性状。

教师展示资料1：遗传学家通过研究，揭示了控制生物遗传性状的基本单位是基因，它们存在于细胞里的DNA分子上。DNA分子含有许多有遗传功能的片段，其中不同的片段含有不同的遗传信息，分别控制不同的性状，这些片段就是基因。细胞核中的DNA分子和它们所携带的基因大多规律地集中在染色体上。每条染色体含有上千个基因。

教师要求学生根据资料1，填写染色体、DNA和基因三者的关系图（图2）。

教师展示资料2：遗传学家进一步研究发现：控制生物性状的基因有显性和隐性之分，在生物的生殖细胞中，基因是单个独立存在的；而在生物的受精卵和其他细胞中，基因则是成对存在的。成对的基因共同控制着生物体的某一遗传性状。用荧光染色技术可准确地确定基因在特定染色体上的位置（图3中蓝色棒状结构为染色体，不同颜色的发光点为基因）。

教师要求学生完成关于基因与染色体关系的概念图4，并完成技能训练技能训练1：Ⅰ号和Ⅱ号染色体为人类体细胞中成对的染色体，那么这对染色体的来源有什么不同？1条来自于父本，1条来自于母本；从父方和母方的体细胞内选取一对染色体，在每对染色体上分别用A或a表示成对的基因，构建有性生殖基因传递概念模型（图5）。

教师：根据孟德尔遗传定律，基因组成为AA和aa的亲本分别表现出相对性状中的显性性状和隐性性状。基因组成为Aa的子代个体表现为显性基因所控制的性状。在一个龙凤双胞胎家庭中父母和双胞胎哥哥都是双眼皮，妹妹是单眼皮，请尝试分析为什么妹妹是单眼皮？请利用基因传递概念模型进行分析并在小组内展示。

4建构有性生殖性染色体传递概念模型，分析人类性别决定的过程和特点

学生：比较男性和女性染色体图谱，回忆1～22号染色体男女彼此相同，被称为常染色体，第23号的两条染色体男女不同，与性别形成有关，被称为性染色体。女性的性染色体可表示为XX，男性的性染色体表示为XY。

教师要求学生完成表1。遗传病，患者不能分辨红色和绿色。根据统计，男性群体红绿色盲症的发病率约为6.8%，女性群体发病率约为0.5%。该遗传病是由红绿色盲基因控制的遗传病。人类控制色觉的基因位于X染色体上，Y染色体过于短小，缺失与X染色体同源的片段，所以没有控制色觉的基因分布。

教师要求学生完成表2。

教师提出问题：一对色觉正常的夫妇生了一个患有红绿色盲症的儿子，这对夫妇的色觉基因组成分别是怎样的？（X^AY，X^AX^a）。这对夫妇再生一个孩子，生出患有红绿色盲症孩子的概率是多少？构建该情境下的有性生殖色觉基因传递概念模型（图7）。

首先教师利用掷硬币活动，让学生了解什么是概率事件。再让学生回顾模拟探究人类性别决定活动，指出小袋内放数量相等的两种颜色小球、每次只从小袋内随机摸出一个小球等操作都体现了人类性别决定是概率性事件。最后，教师引导学生尝试解释人类群体中性别比例接近1：1的原因：在自然人群中，男性产生x精子和Y精子的数量比接近1：1，两种精子与卵细胞结合的机会是均等的，即形成XX和XY两种合子的机会接近1：1，又由于两种合子发育成新个体的机会是均等的。这三个均等的概率事件共同决定了在无人为干预下，人类的性别比例接近于1：1。

5建构有性生殖色觉基因传递概念模型，分析人类红绿色盲症遗传特点

教師展示资料3：红绿色盲症是一种常见的人类

教师引导学生分析：由于父亲的x染色体具有色觉正常基因，经婚配后将该基因传给女儿，所以该家庭女性后代色觉都是正常的；而母亲是色盲基因携带者，其产生的卵细胞一半含有色盲基因，经婚配后所生的男孩有50%的可能性是色盲患者。综合男孩、女孩的患病概率，这对夫妇生出患有红绿色盲症孩子的概率是25%。此外，如果这个家庭中的色盲症患者再婚配，其色盲基因会传给儿子，从而进一步总结红绿色盲症的遗传方式——隔代交叉遗传。

本次概念模型建构的创新教学重在通过展现生物的生殖与遗传之间的内在关联，促进学生理解遗传是以染色体和基因为载体的信息传递过程，达成对“生物能以不同的方式将遗传信息传递给后代；一些进行有性生殖，后代的遗传信息可来自不同的亲本”这一重要概念的深刻理解。在分析具体案例中，学生的科学思维能力也得到了相应的提高。