利用模型构建开展遗传学教学的实践

张红梅，蔡宝宏，邢朝斌，袁敏，龙月红

利用模型构建开展遗传学教学的实践

张红梅1，蔡宝宏2，邢朝斌1，袁敏1，龙月红1

（1. 华北理工大学 生命科学学院，河北 唐山 063210；2. 唐山市第一中学，河北 唐山 063000）

在遗传学教学过程中，为了能够将抽象的内容以直观、形象的方式呈现给学生，帮助学生更好地理解遗传学理论知识，从明确任务、合作学习、制作模型、分析模型、完善模型、应用模型六方面将模型构建引入课堂教学．以问题驱动引导学生构建模型，使学生在构建模型的过程中理解遗传学概念，在分析模型中领悟遗传规律的实质，在应用模型中内化遗传学知识，从而提高教学质量，发展学生的科学思维．以“连锁与交换”一节内容为例，讲述遗传学教学过程中开展物理模型构建的具体流程．

遗传学；模型构建；物理模型；教学实践

遗传学是自然科学领域中探究生物遗传与变异规律的科学，主要研究基因的结构、功能及其变异、传递和表达规律．遗传学知识内容抽象，难以理解．为了更好地提高教学质量，华北理工大学遗传学专业采用六步教学法带动学生主动参与课堂教学，该教学方法提高了学生的学习兴趣和积极性，学生通过观看学习通平台微课，可以有效进行自主性和拓展性学习[1]．采用多元考核评价体系[2]，可以很好地激励学生注重平时的过程性评价考核，注重知识循序渐进的积累，这些措施在一定程度上提高了遗传学的教学质量．

模型是为了某种特定的目的而对认识对象所做的一种简化的概括性描述，具有化抽象为具体，化微观为宏观，化复杂为简单的特征[3]．物理模型是以实物或图画形式直观地表达认识对象的特征[4-11]．遗传学是探索生命现象，研究基因的结构与功能的学科．基因是看不见摸不着的，原核细胞和真核细胞的基因传递方式不同，细胞核、细胞质中的基因传递方式也不同，这使遗传三大定律，尤其是连锁与交换定律以及真菌、细菌、病毒的遗传分析成为学生学习的难点．在高校的遗传学教学中，为了将基因直观地标记在看得见的染色体上来研究基因的传递规律，根据不同的教学内容和模型的特点，将物理模型构建、数学模型构建、概念模型构建应用于遗传学教学中，引导学生在建模的过程中领悟基因的传递实质，攻克学习难点，进而提高教学质量．本文以“连锁与交换”为例，讲述物理模型构建在遗传学教学中的应用．

1 利用模型构建开展遗传学教学的策略

依据遗传学教学理念、校情、学情，研析教材，将构建模型应用于遗传三大定律，真菌、细菌、病毒的遗传分析，数量性状遗传及群体遗传等教学中．主要从三方面开展模型构建：（1）单元或模块教学结束后，引导学生构建知识点间的概念模型；（2）关于不同生物基因传递规律的探索，鼓励学生构建物理模型；（3）关于数量性状遗传、近亲繁殖、杂种优势、群体遗传等内容，鼓励学生构建数学模型．模型构建的教学流程见图1．

图1 利用模型构建开展遗传学教学的流程

2 利用模型构建开展教学实践

连锁与交换是生物界的普遍现象，也是形成生物多样性的重要原因，在动植物育种和医学实践中具有重要意义．“连锁与交换”是遗传学第三定律的基础，学生只有掌握了其发生机制，才能更深入地学习基因定位、三点测验等内容，才能更好地运用第三定律指导生产生活实践．该内容也是连结孟德尔定律和遗传第三定律的桥梁．部分学生在学习过程中容易将其与自由组合规律混淆．因此，采用模型构建的方法帮助学生更好地理解此部分内容．

2.1 创设情境，明确任务

教学情境：教师课前通过学习通或上一节课堂提前发布相关任务，以贝特生和庞尼特的科学史引入，展示两位科学家将两亲本分别为紫花长花粉粒（AABB）和红花圆花粉粒（aabb）的香豌豆杂交得到的实验结果．实验结果F1为紫花长花粉粒，F2的性状及其统计的个体数为：4 831个紫花长花粉粒，390个紫花圆花粉粒，393个红花长花粉粒，1 338个红花圆花粉粒．

基于教学情境，要求小组合作完成任务．问题驱动1：基于表1中的问题构建经减数分裂产生配子的染色体变化的物理模型，帮助两位科学家验证这两对相对性状的基因是否符合自由组合定律，并给出合理的解释．学生采用手工绘图或电脑绘图的方式进行制作．

表1 学生制作模型的内容及条件

问题驱动2：分析制作的模型，继续解决问题：（1）发生交换的胞母细胞数的百分率和产生的重组型配子的百分率间存在怎样的数学函数关系；（2）为什么重组型配子的百分率一定小于50%．

2.2 合作学习，自主学习

基于问题，教师首先引导学生观看学习通平台的微视频，自主学习或小组讨论连锁与交换的相关概念及其交叉互换的机制，有助于学生制作模型，也使模型更符合科学事实和依据．

2.3 小组合作，制作模型

学生提前学习相关内容，课前分组讨论，共同设计方案，解决相关问题．按照模型的制作流程（确定模型种类——准备材料用具——确定实施过程和小组成员分工——完成模型制作——检查修补模型——与他人交流等）制作初步模型，并将制作好的初步模型上交，采用电脑软件制作的模型上传到学习通，手工绘图或采用彩泥制作的模型直接交给教师，也可将本组的模型分享给其他小组进行对比交流．

2.4 教师精讲，分析模型

由于经过课下自主学习及模型制作，大部分学生对连锁与交换现象有了初步了解，为了教学的连续性，课堂上，教师以课前设置的教学情境引入，借助学生制作的模型，只对本节的内容进行选择性讲解，教学侧重引导学生用遗传学的思维探究遗传现象，认识连锁遗传现象，进而领悟连锁交换的实质．

构建模型之后，对模型分析，从中得到相关信息，悟出相应的道理才是模型构建活动的根本目的，才能从本质上理解遗传现象．教师精讲本节内容后，在后半节课，首先由学生讲述自己制作的模型，之后针对学生的建模情况、建模过程中遇到的典型问题，师生间展开讨论、归纳总结，教师补充相应的知识点．讨论主要集中在几个方面：（1）在学生构建的模型（见图2）中，对比模型2和模型3，呈现出完全连锁和不完全连锁两种情况，完全连锁类似于一对等位基因的遗传；（2）对比模型1和模型3，可以看出独立遗传和连锁遗传的实质区别，配子产生的方式不同；（3）对比模型3和模型4，可知重组型配子的产生需要在两连锁基因间发生交叉互换，综合模型3和模型4可知，重组型配子所占的比例一定小于50%；（4）除了完全连锁外，是不是两基因间都可以发生交叉互换．讨论结果为：离着丝粒近的基因间不容易发生交换，两连锁基因间距离太近不容易发生交换．据此学生检查自己的模型，是否存在不合理之处．

图2 学生制作的4种模型

在此次物理模型构建教学实践中，基于教师的全程引导，全班分为6组，每组5人．其中一组学生所构建的模型存在姐妹染色单体的长度明显不等，产生的配子中存在染色体组合异常；另一组学生将两对基因分别定位于染色体的长臂和短臂，对两基因间的交叉互换理解错误，这也是教学中需要强调的一点，两基因间交叉互换考虑的是位于同一染色体同一臂上的基因，这也为后续的基因定位三点测验打下基础．

2.5 深悟知识，完善模型

针对课上讲解的内容，各组学生课下将模型完善修改，进一步深入领会连锁与交换的实质，并将修改好的模型提交，作为过程性考核评价的一项成绩．

为了更好地开展下一节课的教学，教师课下布置新的建模任务．问题驱动3：基因型为AaBbCc的个体，其中A，B，C位于一条同源染色体上，a，b，c位于另一条同源染色体上，在上述建模的基础上，请你构建一种在A/a和B/b之间发生交叉互换的同时，B/b和C/c之间也发生交叉互换的模型5．通过建好的模型5，将产生的重组型配子与亲本型配子相比，位于哪个位置的基因发生互换．

2.6 内化知识，应用模型

教师通过学习通平台发布一道试题，检验学生能否通过构建简易模型解决遗传学问题．

原题：下面有两种杂交组合，①aaBb×Aabb杂交；②AaBb×aabb杂交，请你用图解的方式说明这两种杂交组合能否证明自由组合定律？（用竖线表示相关染色体，用点表示基因的位置，不考虑交叉互换，尝试画出两组别亲本的基因位置关系并写出后代的基因分离情况）．

参考答案（见图3）：AaBb×aabb杂交，在独立遗传时后代性状分离比和连锁遗传的情况下后代性状分离比不同，因而可以证明自由组合定律；而aaBb×Aabb杂交，在独立遗传和连锁遗传时后代性状分离比相同，因而不能验证自由组合定律．

亲本（不考虑交叉互换）后代基因型及比例后代表现型及比例 两对基因独立遗传4种AaBb∶Aabb∶aaBb∶aabb=1∶1∶1∶14种1∶1∶1∶1 两对基因连锁遗传2种AaBb∶aabb=1∶12种1∶1 两对基因连锁遗传2种Aabb∶aaBb=1∶12种1∶1 两对基因独立遗传4种AaBb∶Aabb∶aaBb∶aabb=1∶1∶1∶14种1∶1∶1∶1 两对基因独立遗传4种AaBb∶Aabb∶aaBb∶aabb=1∶1∶1∶14种1∶1∶1∶1

在循序渐进、学生已有知识的基础上，首先，利用教学情境激发学生的学习兴趣，引导他们积极思考，自主学习微课，主动构建4种主要的模型，进而帮助学生更好地理解自由组合定律和连锁交换律之间的异同、连锁与交换的实质、连锁的类型等相关知识．之后，通过进一步的问题驱动，鼓励学生建立三对等位基因间的双交换模型，为下节课的教学打下基础．通过一道试题的检测发现，大部分学生都能很好地掌握连锁与交换的内容，能通过用竖线表示相关染色体，用点表示基因建立简单的模型来解决问题．

3 结语

通过引入科学史实，引导学生将新知识迁移到原有的知识体系中建立物理模型，激发学生的学习兴趣，体验建模的过程，主动参与科学探知，充分体现了学生为主体的学习地位，提高了学生的科研探究能力．将构建模型引入遗传学教学，将看不见、摸不着的基因定位于看得见的染色体上来研究减数分裂过程中染色体的行为，形成感性认识，使抽象的内容具体化、形象化，加深学生对相应知识的理解．在知识点考查难度一致的前提下，将实验班（2020级生物技术专业）与对照班（2019级生物技术专业）相比，实验班平均分为83.3分，而对照班平均分为78分，可见模型构建有助于学生对遗传学知识的理解．

经过建模过程的教学实践，得出建模过程中应注意的几点内容：（1）对于建模，教师教学过程中要围绕教学目标，选取合适的教学内容布置建模任务，此外，教师要给出明确的方向或者示范性的简单指导，引导学生从不同的角度分析模型，进而完善模型，使其更具科学性；（2）学生的绘图能力不同，所建模型有好坏之分，但一定注重学生亲自建模的过程，坚决杜绝利用已有的模型，不亲身感受建模的过程，难以领悟建模的目的，难以理解模型中蕴含的遗传知识；（3）教师授课过程中，借用学生已建成的模型进行讲解，让学生具有成就感，调动学生的学习积极性，同时要掌控教学的“量”和课堂教学时间；（4）模型的建立是在一定前提条件下建成的，具有一定的局限性，任何一种模型都不能完美地代表真实的遗传现象，因此要用发展的眼光看待模型，由一种模型推及另一种模型，真正实现通过模型认识遗传现象背后的遗传规律．

[1] 张红梅，邢朝斌，蔡宝宏，等．五步教学法在遗传学教学中的应用[J]．高师理科学刊，2023，43（4）：107-110．

[2] 张红梅，李明，沈海娥，等．多元考核评价体系在遗传学教学中的实践[J]．高师理科学刊，2019，39（10）：100-102．

[3] 王茹，胡选萍，封涛，等．物理模型教学的误区与超越[J]．中学生物教学，2022（2）：29-31．

[4] 合娆娆，刘剑，朱明艳．基于模型构建的“细胞的能量‘货币’ATP”教学设计[J]．中学生物教学，2023（3）：52-54．

[5] 杨海莲．利用模型构建开展概念教学的实践研究：以“生物与环境组成生态系统”为例[J]．中学生物教学，2023（4）：24-26．

[6] 王栩，朱晓燕．运用SNP模式进行“体液免疫”一节论证式建模教学尝试[J]．生物学通报，2020，55（12）：41-43．

[7] 张士亮．在概念模型建构中发展学生学科核心素养[J]．教学考试，2020（24）：24-27．

[8] 赵萍萍，赵博，刘恩山．建模教学研究进展及其对理科建模教学的启示：基于学科教学视角[J]．教育导刊，2015（2）：42-45．

[9] 严惠馨，刘艳秋，李晓杰，等．基于学生实验探究构建数学模型的“种群数量的变化”教学设计[J]．生物学通报，2021，56（7）：28-31．

[10] 张玉平，冯明董．遗传计算中数学模型的构建[J]．生物学通报，2019，54（1）：21-23．

[11] 潘晓燕，陈琼．基于纸模型的“基因伴随染色体传递”一节的教学设计[J]．生物学教学，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

河北省高等教育教学改革研究与实践项目（2022GJJG211）

张红梅（1977-），女，河北唐山人，副教授，硕士，从事遗传学研究．E-mail：1441063447@qq.com