陳穎芳++張鋒

摘 要 在高中遺傳學(xué)核心概念教學(xué)過程中，充分利用類比模型建構(gòu)課堂的教學(xué)，能實(shí)現(xiàn)遺傳學(xué)核心概念所表征的事物簡化或抽象化，并且促使學(xué)生深刻理解遺傳學(xué)核心概念的內(nèi)涵和本質(zhì)。

關(guān)鍵詞 遺傳學(xué) 類比模型 概念教學(xué)

中圖分類號 G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

遺傳學(xué)是生物學(xué)重要的分支，是基礎(chǔ)教育生物學(xué)的重要內(nèi)容。理解掌握遺傳學(xué)的核心概念不僅有助于學(xué)生理解生命的延續(xù)和發(fā)展，還能提高學(xué)生的邏輯思維能力和生物科學(xué)素養(yǎng)。開展高中遺傳學(xué)核心概念的教學(xué)不能僅僅依靠學(xué)生背誦記憶細(xì)枝末節(jié)的信息或事實(shí)，而是需要引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家那樣積極主動參與探究，深入理解從大量事實(shí)中概括出的抽象規(guī)律和原理。

建構(gòu)模型的過程是一個探究的過程，可以使學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的形成深入理解。類比模型及其建構(gòu)是開展高中遺傳學(xué)核心概念教學(xué)的重要的學(xué)習(xí)方法。

1 類比模型簡述

類比模型就是基于相似屬性，用人們熟悉的事物類比和表征不熟悉的事物。從學(xué)生已知的、熟悉的、容易理解的事物模型中找到可比的共性，并讓學(xué)生在學(xué)會模仿的基礎(chǔ)上，歸納、類比到相應(yīng)的模型當(dāng)中，將各個知識點(diǎn)與模型中熟悉的知識點(diǎn)進(jìn)行對應(yīng)類比，從而更好地幫助學(xué)生接受和理解新的事物。

2 運(yùn)用類比模型傳遞遺傳學(xué)核心概念

概念是由眾多事實(shí)歸納推理分析得出的，因此核心概念教學(xué)也應(yīng)該是建立在事實(shí)感知的基礎(chǔ)上。而遺傳學(xué)核心概念所表征的事物DNA、基因等往往微觀且抽象，通過對生物原型的簡化和純化，以形象化方法建構(gòu)的生物模型，能使研究對象直觀化。學(xué)生可以根據(jù)模型，推測原型的未知屬性、并發(fā)現(xiàn)問題，從而認(rèn)識事物中所蘊(yùn)含的規(guī)律。例如，用毛線類比染色質(zhì)，毛線團(tuán)類比染色體可以讓學(xué)生直觀理解“染色質(zhì)和染色體是同一物質(zhì)在不同時期的兩種表現(xiàn)形式”。

基于劉恩山等提出的類比模型建構(gòu)的一般程序和指導(dǎo)策略，下面以人教版高中生物必修2第三章第二節(jié)“DNA分子的結(jié)構(gòu)”核心概念教學(xué)為例，呈現(xiàn)類比模型建構(gòu)的一般過程。

2.1 明確類比模型建構(gòu)的目的

本節(jié)課的核心概念為：DNA分子是由四種小分子（脫氧核苷酸）組成的長鏈，兩條反向平行的長鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。針對這一核心概念，依托類比模型的建構(gòu)，圍繞DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的科學(xué)研究歷程，設(shè)計學(xué)生建?；顒?，通過形象生動的類比模型將DNA這一微觀、抽象的物質(zhì)直觀化形象化，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和進(jìn)一步培養(yǎng)他們探究能力。

2.2 初步選擇類比模型表達(dá)方式

在高中遺傳學(xué)的教學(xué)實(shí)踐中，教師常常用雙條電話線、螺旋樓梯等模型來類比DNA，這些模型雖然可以幫助學(xué)生形象理解DNA雙螺旋空間結(jié)構(gòu)，但是學(xué)生對于基本組成單位脫氧核苷酸如何構(gòu)成DNA雙鏈仍然缺少感性的認(rèn)識。磷酸、脫氧核糖、堿基具有復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)，教師可選擇DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型組件中的白色小球、藍(lán)色小球、帶凹凸的圓柱將其展示出來。

學(xué)生親手利用模型盒中的組件制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，不僅能再現(xiàn)課堂教學(xué)中難以直接觀察到的DNA分子的結(jié)構(gòu)，還可以在模型制作過程中體驗(yàn)形象化具體化的過程，加深對DNA分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的認(rèn)識和理解。

2.3 類比模型的建構(gòu)

類比模型建構(gòu)的主要過程可以簡化為“FAR（聚焦-行動-反思過程）”，具體如下：

Focus（聚焦）：類比模型的建構(gòu)并不是進(jìn)行單純的手工活動，因此進(jìn)行類比模型建構(gòu)的過程初始，教師應(yīng)該關(guān)注并引導(dǎo)學(xué)生思考已學(xué)概念與本節(jié)課核心概念之間的聯(lián)系，讓學(xué)生明確類比模型建構(gòu)的目的。同時，在師生共同查閱資料基礎(chǔ)上，教師要盡量創(chuàng)造一個真實(shí)的情境，鼓勵學(xué)生像科學(xué)家一樣思考，制作模型。

通過課前布置學(xué)生復(fù)習(xí)必修一第二章第三節(jié)“遺傳信息的攜帶者”和預(yù)習(xí)本節(jié)課初始的學(xué)習(xí)任務(wù)：閱讀課本中DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的科學(xué)研究歷程，以小組為單位，應(yīng)用A型DNA的X射線衍射圖譜、B型DNA的X射線衍射圖譜等科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計，建構(gòu)DNA結(jié)構(gòu)模型。這樣讓學(xué)生熟悉所要制作的DNA類比模型，為接下來模型建構(gòu)打下良好的基礎(chǔ)。

Action（行動）：在學(xué)生建構(gòu)DNA類比模型過程中，教師要注意引導(dǎo)學(xué)生觀察思考模型盒提供的材料如白色小球、帶凹凸的圓柱等所類比的物質(zhì)；注意引導(dǎo)學(xué)生討論DNA與脫氧核苷酸的關(guān)系，DNA類比模型與DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)間的相似性，從而不斷強(qiáng)化學(xué)生建模過程中的思維能力。

課堂上教師以“基本單位—單鏈—平面雙鏈—立體空間結(jié)構(gòu)”為任務(wù)驅(qū)動，采取“分步走”策略，逐步深入。學(xué)生以小組為單位根據(jù)資料信息利用模型盒中的組件嘗試建構(gòu)DNA結(jié)構(gòu)模型。

需要指出的是：在模型的建構(gòu)活動二、三、四過程中，教師要注重引導(dǎo)激發(fā)學(xué)生分析科學(xué)研究歷程中關(guān)鍵的信息，不斷檢驗(yàn)修正建構(gòu)的DNA模型。

資料1：對富蘭克林拍攝的DNA之B型X射線衍射照片的分析表明DNA分子是由脫氧核苷酸組成的長鏈。

資料2：磷酯鍵是結(jié)合力最強(qiáng)的共價鍵。

學(xué)生在分析上述兩則資料的基礎(chǔ)上，明確相鄰脫氧核苷酸的核糖和磷酸脫水縮合形成脫氧核苷酸長鏈，并能順利進(jìn)行活動二，準(zhǔn)確建構(gòu)脫氧核苷酸單鏈的結(jié)構(gòu)模型。

資料3：堿基疏水，脫氧核糖和磷酸親水，而DNA在細(xì)胞內(nèi)始終處于水環(huán)境中。

資料4：DNA分子半徑是約10[A] 。并提供四種含氮堿基結(jié)構(gòu)式。

資料5：劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)系研究生格里菲斯應(yīng)用量子力學(xué)和化學(xué)鍵理論計算不同堿基間的吸引力大小以及如何搭配才能使分子趨于最穩(wěn)定，理論計算表明A吸引T，G吸引C。

資料6：1952年，奧地利生物化學(xué)家查哥夫?qū)Χ喾N動物體內(nèi)的堿基含量進(jìn)行分析，提出A=T、G=C。

資料7：對富蘭克林拍攝的DNA之B型X射線衍射照片的分析表明A-T堿基對與G-C堿基對長度相等，又恰恰與DNA分子的直徑相當(dāng)。

模擬游戲：1名學(xué)生模擬脫氧核苷酸，讓兩列的學(xué)生先各自組成一條脫氧核苷酸鏈，然后再構(gòu)建成雙鏈結(jié)構(gòu)。

學(xué)生在分析資料3～7和進(jìn)行模擬游戲基礎(chǔ)上，提取如下相關(guān)信息并構(gòu)建DNA平面結(jié)構(gòu)模型：① DNA分子由脫氧核糖和磷酸交替連接排列在外側(cè)，構(gòu)成基本骨架，堿基排列在內(nèi)側(cè)；② 堿基遵循堿基互補(bǔ)配對原則，通過氫鍵連接成堿基對；③ DNA分子是由兩條脫氧核苷酸長鏈組成的，這兩條鏈以反向平行方式排列。

資料8：對富蘭克林拍攝的DNA之B型X射線衍射照片的分析還表明：直線的間距是DNA分子重復(fù)單元（一個完整的螺旋）的間距；堿基對的間距是3.4[A] ；每個完整的螺旋高度是34[A] 。

最終，學(xué)生形成“DNA分子盤旋成雙螺旋結(jié)構(gòu)，每個螺旋里含10個堿基對”這一結(jié)論，并準(zhǔn)確建構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。

通過這樣“點(diǎn)—面—線—立體”建構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)類比模型的過程，最終促進(jìn)學(xué)生對DNA結(jié)構(gòu)知識的學(xué)習(xí)和深入理解，同時使學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家善于捕獲、分析信息的能力，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S品質(zhì)及持之以恒的科研精神。

Reflection（反思）：學(xué)生基于其自身建構(gòu)的類比模型開展小組或全班的討論，教師需要引導(dǎo)學(xué)生在展示、交流和表達(dá)中分析建構(gòu)的類比模型科學(xué)準(zhǔn)確與否，是否需要再修正，同時比較各組DNA模型，找出模型間的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)，進(jìn)而總結(jié)出DNA模型因堿基的數(shù)目、排列順序不同而存在差異，推導(dǎo)出堿基對數(shù)目和堿基對排列方式的數(shù)學(xué)模型，有效地幫助學(xué)生由感性認(rèn)識到理性認(rèn)識、由具體到抽象深刻理解DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)多樣性、特異性與穩(wěn)定性的特點(diǎn)。

3 類比模型選擇與建構(gòu)過程中應(yīng)注意的問題

類比模型建構(gòu)的合理應(yīng)用有助于學(xué)生個性的發(fā)展和潛能的開發(fā)，強(qiáng)化了與數(shù)學(xué)、物理等學(xué)科的內(nèi)在聯(lián)系，加強(qiáng)了理科思維的培養(yǎng)，提高了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。然而，在不同學(xué)習(xí)任務(wù)的驅(qū)動下，教師需要靈活選擇類比模型的表達(dá)方式，注意多種類比模型呈現(xiàn)的時機(jī)和順序，以便更符合學(xué)生現(xiàn)有的知識結(jié)構(gòu)與認(rèn)知規(guī)律。

例如，雖然教師在前面的學(xué)習(xí)中指導(dǎo)學(xué)生利用DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型組件制作出形象直觀的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)類比模型，但在接下來一節(jié)“DNA的復(fù)制”中“DNA的復(fù)制方式的發(fā)現(xiàn)”這一科學(xué)史教學(xué)時，可以進(jìn)一步簡化DNA的類比模型，用線與線段將DNA復(fù)制的方式直觀化形象化。

其次，要讓學(xué)生明確的知道類比模型和原型之間是存在差異的，對于不同的類比材料，它們的差異程度有較大的區(qū)別。教師在教學(xué)的過程中，要注意引導(dǎo)學(xué)生比較簡化的類比模型和所類比概念間的不同屬性，以免使學(xué)生形成錯誤的概念。例如，教學(xué)中，教師經(jīng)常用三葉草結(jié)構(gòu)模型類比tRNA的分子結(jié)構(gòu)，學(xué)生在關(guān)注到單鏈tRNA折疊成三葉草結(jié)構(gòu)的同時往往誤認(rèn)為組成tRNA的核糖核苷酸之間不形成氫鍵。

參考文獻(xiàn)：

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