閆白洋 （上海市行知中學(xué) 上海 201999）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn) （2017年版）》已頒布。此次課程改革圍繞“立德樹人”的根本任務(wù)，在學(xué)科教學(xué)中發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。生物學(xué)核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任。其中科學(xué)思維是支持學(xué)生獲取新知識(shí)，學(xué)會(huì)使用知識(shí)，構(gòu)建并評(píng)價(jià)假設(shè)和觀點(diǎn)，形成生命觀念和進(jìn)行科學(xué)探究所必需的品質(zhì)。因此，庫(kù)恩認(rèn)為，科學(xué)思維是智力發(fā)展的最終目標(biāo)，教育的核心在于發(fā)展學(xué)生的思維，尤其是科學(xué)思維［1］。筆者嘗試在“基因自由組合定律”的教學(xué)中，利用“三重表征”理論提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。

1 “三重表征”理論內(nèi)涵

“三重表征” 是由蘇格蘭格拉斯哥大學(xué)科學(xué)教育中心的約翰斯頓（A.H.Johnstone）教授提出的化學(xué)學(xué)習(xí)中宏觀、微觀和符號(hào)3 種水平，并認(rèn)為該理論也適用于物理學(xué)、生物學(xué)等其他科學(xué)課程的學(xué)習(xí)［2］。生物學(xué)科是一門研究生命現(xiàn)象、生命組成、生命規(guī)律及原理的學(xué)科，既包括對(duì)可觀察的宏觀現(xiàn)象研究，又包括對(duì)現(xiàn)象理解的微觀水平和符號(hào)水平的研究。生物學(xué)科的內(nèi)容特點(diǎn)決定了學(xué)生在學(xué)習(xí)中必然要從宏觀、微觀和符號(hào)等方面對(duì)生命現(xiàn)象及其變化規(guī)律進(jìn)行多種感知，從而在心理上形成生物學(xué)習(xí)的“三重表征”：宏觀表征、微觀表征和符號(hào)表征，并建立三者之間的有機(jī)結(jié)合和相互轉(zhuǎn)化（圖1）。

圖1 “三重表征”的關(guān)系

在“三重表征”建立過程中，需要學(xué)生能基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)，運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方式進(jìn)行論證和探究，這也恰恰是生物學(xué)核心素養(yǎng)中科學(xué)思維的實(shí)質(zhì)。如果學(xué)生按照“三重表征”學(xué)習(xí)生物學(xué)知識(shí)、思考生物學(xué)問題，運(yùn)用恰當(dāng)、靈活的表征方式，并在不同表征形式之間熟練進(jìn)行轉(zhuǎn)化，促進(jìn)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化和策略化，必然能促進(jìn)其科學(xué)思維能力的提升，更有效地掌握知識(shí)、分析問題和解決問題。

2 “三重表征”理論的教學(xué)思路

“基因的自由組合定律”是滬教版《生命科學(xué)》第8 章的內(nèi)容，也是《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》模塊2“遺傳與進(jìn)化”中次位概念“闡明有性生殖中基因的分離和自由組合使得子代的基因型和表型有多種可能，并可由此預(yù)測(cè)子代的遺傳性狀”的內(nèi)容，在高中生物學(xué)教學(xué)中有著重要的地位。此內(nèi)容涉及2 對(duì)相對(duì)性狀的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)的宏觀現(xiàn)象、減數(shù)分裂和遺傳信息表達(dá)的微觀信息，也需要利用遺傳學(xué)符號(hào)或術(shù)語進(jìn)行表征。由于涉及內(nèi)容較為抽象和廣泛，學(xué)生很難建立三者之間的聯(lián)系，并用其解決日常生活中的問題。利用“三重表征”理論進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，不僅可突破“基因的自由組合定律”的難點(diǎn)，也可在宏觀、微觀和符號(hào)表征相互轉(zhuǎn)化中提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。

利用“三重表征”理論進(jìn)行“基因的自由組合定律”教學(xué)實(shí)踐時(shí)，首先通過觀察、閱讀和實(shí)驗(yàn)等手段獲得黃色圓形和綠色皺形的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)后代表型的宏觀事件，運(yùn)用遺傳信息、減數(shù)分裂等微觀信息分析與解釋宏觀事實(shí)，并利用符號(hào)進(jìn)行表征。其次，根據(jù)基因自由組合定律，結(jié)合微觀信息和符號(hào)表征對(duì)測(cè)交結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析，通過實(shí)驗(yàn)等方法對(duì)預(yù)測(cè)進(jìn)行宏觀證實(shí)或證偽。最后，編擬一套生物學(xué)符號(hào)或術(shù)語表示基因自由組合定律的事實(shí)、規(guī)律與理論。綜上分析，在“基因的自由組合定律”教學(xué)中，可采取“宏觀切入—微觀分析—符號(hào)表征”和“符號(hào)表征—微觀預(yù)測(cè)—宏觀驗(yàn)證”的“宏觀—微觀—符號(hào)”的生物學(xué)知識(shí)表征方式及相互轉(zhuǎn)化方式。

3 “三重表征”理論的教學(xué)實(shí)踐

3.1 宏觀切入—微觀分析—符號(hào)表征 “基因的自由組合定律”教學(xué)設(shè)計(jì)均以學(xué)生為主體，教師的作用是提供資源、評(píng)價(jià)、矯正，重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生科學(xué)思維能力的提升。在宏觀切入中，教師提供的“孟德爾試驗(yàn)中的黃色圓形豌豆和綠色皺形豌豆雜交的試驗(yàn)過程及結(jié)果”，展示方式可以是動(dòng)畫或圖片。要求學(xué)生能根據(jù)教師提供的圖文資料，歸納得出黃色圓形豌豆與綠色皺形豌豆的雜交實(shí)驗(yàn)中，子一代（F1）全部是黃色圓形豌豆。子一代豌豆自交，子二代（F2）中黃色圓形、黃色皺形、綠色圓形和綠色皺形豌豆的比例是9∶3∶3∶1。在此過程中，學(xué)生利用歸納概括等科學(xué)思維，認(rèn)識(shí)到生物學(xué)規(guī)律或概念都是基于科學(xué)事實(shí)經(jīng)過論證形成的。在微觀分析中，學(xué)生需明確聯(lián)系親代和子代之間遺傳信息的傳遞方式、遺傳物質(zhì)控制生物性狀的方式、受精卵分裂和分化成植物的機(jī)理等，將宏觀表征向微觀表征進(jìn)行轉(zhuǎn)化。宏觀上，黃色圓形豌豆性狀表現(xiàn)為子葉黃色、種子圓形；在微觀上，該植物細(xì)胞的細(xì)胞核中有7 對(duì)同源染色體，細(xì)胞質(zhì)中有多種細(xì)胞器，其中控制子葉顏色的Y和y基因位于一對(duì)同源染色體上，控制種子性狀的R和r基因位于另一對(duì)同源染色體上，其他同源染色體上也有很多對(duì)等位基因。為便于學(xué)生理解，在微觀表征中，只選取這2 對(duì)同源染色體，且不考慮細(xì)胞質(zhì)中的結(jié)構(gòu)變化，如圖2所示。在解釋F2實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，黃色圓形植株的精原細(xì)胞和卵原細(xì)胞在進(jìn)行減數(shù)分裂時(shí)，同源染色體分離，非同源染色體自由組合，從而產(chǎn)生4 種配子，且比例相同。精子和卵細(xì)胞隨機(jī)結(jié)合，產(chǎn)生基因型不同的種子 （受精卵），如圖3所示。種子（受精卵）在土壤中進(jìn)行細(xì)胞分裂和分化形成完整的豌豆植株，細(xì)胞分裂增加細(xì)胞的數(shù)目，DNA 保持不變，這樣使豌豆植株體細(xì)胞的DNA 均相同，即所有體細(xì)胞都有Y和y基因、R和r基因。但是，在細(xì)胞分化過程中，Y或y基因僅在子葉細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄翻譯成特定蛋白質(zhì)，使其呈現(xiàn)黃色或綠色，R和r基因僅在種子細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄翻譯成特定蛋白質(zhì)，使其種子的性狀呈現(xiàn)圓形或皺形，如圖4所示。在此過程中，學(xué)生利用推理與演繹、批判與創(chuàng)造等科學(xué)思維方式對(duì)宏觀現(xiàn)象進(jìn)行解釋，形成微觀表征。

圖2 子一代（F1）宏觀表征與微觀表征轉(zhuǎn)化

圖3 減數(shù)分裂和受精過程的微觀表征

圖4 受精卵細(xì)胞分裂與分化的微觀表征

在微觀分析的基礎(chǔ)上，利用 “P”、“×”、“?”、“F1”、“F2”、“→”等遺傳學(xué)獨(dú)特的符號(hào)，進(jìn)行符號(hào)表征2 對(duì)相對(duì)性狀雜交試驗(yàn)的過程與機(jī)理。具體如下。

P：黃色圓形（YYRR）×綠色皺形（yyrr）→F1：黃色圓形（YyRr）。

F1：黃色圓形（YyRr）產(chǎn)生的配子是YR∶Yr∶yR∶yr=1∶1∶1∶1∶1

F1：黃色圓形（YyRr）?→F2：9／16 黃色圓形（4／16YyRr、2／16YyRR、2／16YYRr、1／16YYRR）；3／16 黃色皺形（1／16YYrr、2／16Yyrr）；3／16 綠色圓形（1／16yyRR、2／16yyRr）；1／16 綠色皺形（yyrr）。

在符號(hào)表征中，學(xué)生必須建立宏觀—微觀—符號(hào)三者之間的關(guān)聯(lián)。在此過程中，需要學(xué)生能在新的問題情境中，基于事實(shí)和證據(jù)，采用適當(dāng)?shù)目茖W(xué)思維方法揭示生物學(xué)規(guī)律或機(jī)制，并選用恰當(dāng)?shù)姆绞奖磉_(dá)、闡明其內(nèi)涵，這也恰恰是科學(xué)思維核心素養(yǎng)中水平四的要求。

3.2 符號(hào)表征—微觀預(yù)測(cè)—宏觀驗(yàn)證 通過“三重表征”之間轉(zhuǎn)化驗(yàn)證基因的自由組合定律，以黃色圓形豌豆的測(cè)交試驗(yàn)設(shè)計(jì)真實(shí)情境，學(xué)生在問題情境中運(yùn)用適當(dāng)?shù)乃季S方法進(jìn)行情境問題的符號(hào)表征。即“黃色圓形（YyRr）×綠色皺形（yyrr）后代表型及比例是多少？”利用基因自由組合定律、基因本質(zhì)、減數(shù)分裂時(shí)染色體的行為、雌雄配子隨機(jī)結(jié)合、細(xì)胞的分裂與分化等微觀信息，對(duì)情境中子一代性狀進(jìn)行預(yù)測(cè)，具體如圖5所示。預(yù)測(cè)結(jié)果是：黃色圓形∶黃色皺形∶綠色圓形∶綠色皺形=1∶1∶1∶1。然后，教師提供孟德爾真實(shí)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果：黃色圓形55 株、黃色皺形49 株，綠色圓形51 株，綠色皺形52 株，通過宏觀表征進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。

學(xué)生在此情境中，運(yùn)用生物學(xué)規(guī)律和原理，對(duì)可能的結(jié)果或發(fā)展趨勢(shì)作出預(yù)測(cè)或解釋，能選擇文字、圖示或模型等方式進(jìn)行表達(dá)并闡明其內(nèi)涵，這也恰恰是科學(xué)思維核心素養(yǎng)中水平三的要求。

圖5 測(cè)交后代的微觀表征

4 “三重表征”理論教學(xué)實(shí)踐反思

在基因自由組合定律教學(xué)中，“宏觀—微觀—符號(hào)” 三重表征及相互轉(zhuǎn)化需要學(xué)生在新的問題情境中，基于事實(shí)和證據(jù)，采用歸納與概括、演繹與推理等適當(dāng)?shù)目茖W(xué)思維方法進(jìn)行宏觀表征、微觀表征，并相互轉(zhuǎn)化，從而揭示基因的自由組合定律，利用遺傳學(xué)符號(hào)進(jìn)行表征和表達(dá)，闡明其內(nèi)涵。因此，“三重表征” 教學(xué)實(shí)踐對(duì)提升學(xué)生科學(xué)思維能力有著重要的作用。

除了基因自由組合定律之外，生物學(xué)科很多內(nèi)容均涉及到宏觀、微觀和符號(hào)的表征，例如植物向光性和頂端優(yōu)勢(shì)、洋蔥表皮細(xì)胞的質(zhì)壁分離與復(fù)原、基因的連鎖與互換定律、基因分離定律、伴性遺傳定律、脊蛙反射實(shí)驗(yàn)、微生物抑菌過程等。因此，“三重表征” 理論在生物學(xué)教學(xué)中有著廣泛應(yīng)用前景，可嘗試進(jìn)行實(shí)踐。