張紅梅，蔡寶宏，邢朝斌，袁敏，龍?jiān)录t

利用模型構(gòu)建開(kāi)展遺傳學(xué)教學(xué)的實(shí)踐

張紅梅1，蔡寶宏2，邢朝斌1，袁敏1，龍?jiān)录t1

（1. 華北理工大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河北 唐山 063210；2. 唐山市第一中學(xué)，河北 唐山 063000）

在遺傳學(xué)教學(xué)過(guò)程中，為了能夠?qū)⒊橄蟮膬?nèi)容以直觀、形象的方式呈現(xiàn)給學(xué)生，幫助學(xué)生更好地理解遺傳學(xué)理論知識(shí)，從明確任務(wù)、合作學(xué)習(xí)、制作模型、分析模型、完善模型、應(yīng)用模型六方面將模型構(gòu)建引入課堂教學(xué)．以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建模型，使學(xué)生在構(gòu)建模型的過(guò)程中理解遺傳學(xué)概念，在分析模型中領(lǐng)悟遺傳規(guī)律的實(shí)質(zhì)，在應(yīng)用模型中內(nèi)化遺傳學(xué)知識(shí)，從而提高教學(xué)質(zhì)量，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維．以“連鎖與交換”一節(jié)內(nèi)容為例，講述遺傳學(xué)教學(xué)過(guò)程中開(kāi)展物理模型構(gòu)建的具體流程．

遺傳學(xué)；模型構(gòu)建；物理模型；教學(xué)實(shí)踐

遺傳學(xué)是自然科學(xué)領(lǐng)域中探究生物遺傳與變異規(guī)律的科學(xué)，主要研究基因的結(jié)構(gòu)、功能及其變異、傳遞和表達(dá)規(guī)律．遺傳學(xué)知識(shí)內(nèi)容抽象，難以理解．為了更好地提高教學(xué)質(zhì)量，華北理工大學(xué)遺傳學(xué)專業(yè)采用六步教學(xué)法帶動(dòng)學(xué)生主動(dòng)參與課堂教學(xué)，該教學(xué)方法提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，學(xué)生通過(guò)觀看學(xué)習(xí)通平臺(tái)微課，可以有效進(jìn)行自主性和拓展性學(xué)習(xí)[1]．采用多元考核評(píng)價(jià)體系[2]，可以很好地激勵(lì)學(xué)生注重平時(shí)的過(guò)程性評(píng)價(jià)考核，注重知識(shí)循序漸進(jìn)的積累，這些措施在一定程度上提高了遺傳學(xué)的教學(xué)質(zhì)量．

模型是為了某種特定的目的而對(duì)認(rèn)識(shí)對(duì)象所做的一種簡(jiǎn)化的概括性描述，具有化抽象為具體，化微觀為宏觀，化復(fù)雜為簡(jiǎn)單的特征[3]．物理模型是以實(shí)物或圖畫(huà)形式直觀地表達(dá)認(rèn)識(shí)對(duì)象的特征[4-11]．遺傳學(xué)是探索生命現(xiàn)象，研究基因的結(jié)構(gòu)與功能的學(xué)科．基因是看不見(jiàn)摸不著的，原核細(xì)胞和真核細(xì)胞的基因傳遞方式不同，細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)中的基因傳遞方式也不同，這使遺傳三大定律，尤其是連鎖與交換定律以及真菌、細(xì)菌、病毒的遺傳分析成為學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)．在高校的遺傳學(xué)教學(xué)中，為了將基因直觀地標(biāo)記在看得見(jiàn)的染色體上來(lái)研究基因的傳遞規(guī)律，根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容和模型的特點(diǎn)，將物理模型構(gòu)建、數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、概念模型構(gòu)建應(yīng)用于遺傳學(xué)教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生在建模的過(guò)程中領(lǐng)悟基因的傳遞實(shí)質(zhì)，攻克學(xué)習(xí)難點(diǎn)，進(jìn)而提高教學(xué)質(zhì)量．本文以“連鎖與交換”為例，講述物理模型構(gòu)建在遺傳學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用．

1 利用模型構(gòu)建開(kāi)展遺傳學(xué)教學(xué)的策略

依據(jù)遺傳學(xué)教學(xué)理念、校情、學(xué)情，研析教材，將構(gòu)建模型應(yīng)用于遺傳三大定律，真菌、細(xì)菌、病毒的遺傳分析，數(shù)量性狀遺傳及群體遺傳等教學(xué)中．主要從三方面開(kāi)展模型構(gòu)建：（1）單元或模塊教學(xué)結(jié)束后，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建知識(shí)點(diǎn)間的概念模型；（2）關(guān)于不同生物基因傳遞規(guī)律的探索，鼓勵(lì)學(xué)生構(gòu)建物理模型；（3）關(guān)于數(shù)量性狀遺傳、近親繁殖、雜種優(yōu)勢(shì)、群體遺傳等內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生構(gòu)建數(shù)學(xué)模型．模型構(gòu)建的教學(xué)流程見(jiàn)圖1．

圖1 利用模型構(gòu)建開(kāi)展遺傳學(xué)教學(xué)的流程

2 利用模型構(gòu)建開(kāi)展教學(xué)實(shí)踐

連鎖與交換是生物界的普遍現(xiàn)象，也是形成生物多樣性的重要原因，在動(dòng)植物育種和醫(yī)學(xué)實(shí)踐中具有重要意義．“連鎖與交換”是遺傳學(xué)第三定律的基礎(chǔ)，學(xué)生只有掌握了其發(fā)生機(jī)制，才能更深入地學(xué)習(xí)基因定位、三點(diǎn)測(cè)驗(yàn)等內(nèi)容，才能更好地運(yùn)用第三定律指導(dǎo)生產(chǎn)生活實(shí)踐．該內(nèi)容也是連結(jié)孟德?tīng)柖珊瓦z傳第三定律的橋梁．部分學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中容易將其與自由組合規(guī)律混淆．因此，采用模型構(gòu)建的方法幫助學(xué)生更好地理解此部分內(nèi)容．

2.1 創(chuàng)設(shè)情境，明確任務(wù)

教學(xué)情境：教師課前通過(guò)學(xué)習(xí)通或上一節(jié)課堂提前發(fā)布相關(guān)任務(wù)，以貝特生和龐尼特的科學(xué)史引入，展示兩位科學(xué)家將兩親本分別為紫花長(zhǎng)花粉粒（AABB）和紅花圓花粉粒（aabb）的香豌豆雜交得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果．實(shí)驗(yàn)結(jié)果F1為紫花長(zhǎng)花粉粒，F(xiàn)2的性狀及其統(tǒng)計(jì)的個(gè)體數(shù)為：4 831個(gè)紫花長(zhǎng)花粉粒，390個(gè)紫花圓花粉粒，393個(gè)紅花長(zhǎng)花粉粒，1 338個(gè)紅花圓花粉粒．

基于教學(xué)情境，要求小組合作完成任務(wù)．問(wèn)題驅(qū)動(dòng)1：基于表1中的問(wèn)題構(gòu)建經(jīng)減數(shù)分裂產(chǎn)生配子的染色體變化的物理模型，幫助兩位科學(xué)家驗(yàn)證這兩對(duì)相對(duì)性狀的基因是否符合自由組合定律，并給出合理的解釋．學(xué)生采用手工繪圖或電腦繪圖的方式進(jìn)行制作．

表1 學(xué)生制作模型的內(nèi)容及條件

問(wèn)題驅(qū)動(dòng)2：分析制作的模型，繼續(xù)解決問(wèn)題：（1）發(fā)生交換的胞母細(xì)胞數(shù)的百分率和產(chǎn)生的重組型配子的百分率間存在怎樣的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系；（2）為什么重組型配子的百分率一定小于50%．

2.2 合作學(xué)習(xí)，自主學(xué)習(xí)

基于問(wèn)題，教師首先引導(dǎo)學(xué)生觀看學(xué)習(xí)通平臺(tái)的微視頻，自主學(xué)習(xí)或小組討論連鎖與交換的相關(guān)概念及其交叉互換的機(jī)制，有助于學(xué)生制作模型，也使模型更符合科學(xué)事實(shí)和依據(jù)．

2.3 小組合作，制作模型

學(xué)生提前學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，課前分組討論，共同設(shè)計(jì)方案，解決相關(guān)問(wèn)題．按照模型的制作流程（確定模型種類(lèi)——準(zhǔn)備材料用具——確定實(shí)施過(guò)程和小組成員分工——完成模型制作——檢查修補(bǔ)模型——與他人交流等）制作初步模型，并將制作好的初步模型上交，采用電腦軟件制作的模型上傳到學(xué)習(xí)通，手工繪圖或采用彩泥制作的模型直接交給教師，也可將本組的模型分享給其他小組進(jìn)行對(duì)比交流．

2.4 教師精講，分析模型

由于經(jīng)過(guò)課下自主學(xué)習(xí)及模型制作，大部分學(xué)生對(duì)連鎖與交換現(xiàn)象有了初步了解，為了教學(xué)的連續(xù)性，課堂上，教師以課前設(shè)置的教學(xué)情境引入，借助學(xué)生制作的模型，只對(duì)本節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行選擇性講解，教學(xué)側(cè)重引導(dǎo)學(xué)生用遺傳學(xué)的思維探究遺傳現(xiàn)象，認(rèn)識(shí)連鎖遺傳現(xiàn)象，進(jìn)而領(lǐng)悟連鎖交換的實(shí)質(zhì)．

構(gòu)建模型之后，對(duì)模型分析，從中得到相關(guān)信息，悟出相應(yīng)的道理才是模型構(gòu)建活動(dòng)的根本目的，才能從本質(zhì)上理解遺傳現(xiàn)象．教師精講本節(jié)內(nèi)容后，在后半節(jié)課，首先由學(xué)生講述自己制作的模型，之后針對(duì)學(xué)生的建模情況、建模過(guò)程中遇到的典型問(wèn)題，師生間展開(kāi)討論、歸納總結(jié)，教師補(bǔ)充相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)．討論主要集中在幾個(gè)方面：（1）在學(xué)生構(gòu)建的模型（見(jiàn)圖2）中，對(duì)比模型2和模型3，呈現(xiàn)出完全連鎖和不完全連鎖兩種情況，完全連鎖類(lèi)似于一對(duì)等位基因的遺傳；（2）對(duì)比模型1和模型3，可以看出獨(dú)立遺傳和連鎖遺傳的實(shí)質(zhì)區(qū)別，配子產(chǎn)生的方式不同；（3）對(duì)比模型3和模型4，可知重組型配子的產(chǎn)生需要在兩連鎖基因間發(fā)生交叉互換，綜合模型3和模型4可知，重組型配子所占的比例一定小于50%；（4）除了完全連鎖外，是不是兩基因間都可以發(fā)生交叉互換．討論結(jié)果為：離著絲粒近的基因間不容易發(fā)生交換，兩連鎖基因間距離太近不容易發(fā)生交換．據(jù)此學(xué)生檢查自己的模型，是否存在不合理之處．

圖2 學(xué)生制作的4種模型

在此次物理模型構(gòu)建教學(xué)實(shí)踐中，基于教師的全程引導(dǎo)，全班分為6組，每組5人．其中一組學(xué)生所構(gòu)建的模型存在姐妹染色單體的長(zhǎng)度明顯不等，產(chǎn)生的配子中存在染色體組合異常；另一組學(xué)生將兩對(duì)基因分別定位于染色體的長(zhǎng)臂和短臂，對(duì)兩基因間的交叉互換理解錯(cuò)誤，這也是教學(xué)中需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)，兩基因間交叉互換考慮的是位于同一染色體同一臂上的基因，這也為后續(xù)的基因定位三點(diǎn)測(cè)驗(yàn)打下基礎(chǔ)．

2.5 深悟知識(shí)，完善模型

針對(duì)課上講解的內(nèi)容，各組學(xué)生課下將模型完善修改，進(jìn)一步深入領(lǐng)會(huì)連鎖與交換的實(shí)質(zhì)，并將修改好的模型提交，作為過(guò)程性考核評(píng)價(jià)的一項(xiàng)成績(jī)．

為了更好地開(kāi)展下一節(jié)課的教學(xué)，教師課下布置新的建模任務(wù)．問(wèn)題驅(qū)動(dòng)3：基因型為AaBbCc的個(gè)體，其中A，B，C位于一條同源染色體上，a，b，c位于另一條同源染色體上，在上述建模的基礎(chǔ)上，請(qǐng)你構(gòu)建一種在A/a和B/b之間發(fā)生交叉互換的同時(shí)，B/b和C/c之間也發(fā)生交叉互換的模型5．通過(guò)建好的模型5，將產(chǎn)生的重組型配子與親本型配子相比，位于哪個(gè)位置的基因發(fā)生互換．

2.6 內(nèi)化知識(shí)，應(yīng)用模型

教師通過(guò)學(xué)習(xí)通平臺(tái)發(fā)布一道試題，檢驗(yàn)學(xué)生能否通過(guò)構(gòu)建簡(jiǎn)易模型解決遺傳學(xué)問(wèn)題．

原題：下面有兩種雜交組合，①aaBb×Aabb雜交；②AaBb×aabb雜交，請(qǐng)你用圖解的方式說(shuō)明這兩種雜交組合能否證明自由組合定律？（用豎線表示相關(guān)染色體，用點(diǎn)表示基因的位置，不考慮交叉互換，嘗試畫(huà)出兩組別親本的基因位置關(guān)系并寫(xiě)出后代的基因分離情況）．

參考答案（見(jiàn)圖3）：AaBb×aabb雜交，在獨(dú)立遺傳時(shí)后代性狀分離比和連鎖遺傳的情況下后代性狀分離比不同，因而可以證明自由組合定律；而aaBb×Aabb雜交，在獨(dú)立遺傳和連鎖遺傳時(shí)后代性狀分離比相同，因而不能驗(yàn)證自由組合定律．

親本（不考慮交叉互換）后代基因型及比例后代表現(xiàn)型及比例 兩對(duì)基因獨(dú)立遺傳4種AaBb∶Aabb∶aaBb∶aabb=1∶1∶1∶14種1∶1∶1∶1 兩對(duì)基因連鎖遺傳2種AaBb∶aabb=1∶12種1∶1 兩對(duì)基因連鎖遺傳2種Aabb∶aaBb=1∶12種1∶1 兩對(duì)基因獨(dú)立遺傳4種AaBb∶Aabb∶aaBb∶aabb=1∶1∶1∶14種1∶1∶1∶1 兩對(duì)基因獨(dú)立遺傳4種AaBb∶Aabb∶aaBb∶aabb=1∶1∶1∶14種1∶1∶1∶1

在循序漸進(jìn)、學(xué)生已有知識(shí)的基礎(chǔ)上，首先，利用教學(xué)情境激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)他們積極思考，自主學(xué)習(xí)微課，主動(dòng)構(gòu)建4種主要的模型，進(jìn)而幫助學(xué)生更好地理解自由組合定律和連鎖交換律之間的異同、連鎖與交換的實(shí)質(zhì)、連鎖的類(lèi)型等相關(guān)知識(shí)．之后，通過(guò)進(jìn)一步的問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生建立三對(duì)等位基因間的雙交換模型，為下節(jié)課的教學(xué)打下基礎(chǔ)．通過(guò)一道試題的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生都能很好地掌握連鎖與交換的內(nèi)容，能通過(guò)用豎線表示相關(guān)染色體，用點(diǎn)表示基因建立簡(jiǎn)單的模型來(lái)解決問(wèn)題．

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)引入科學(xué)史實(shí)，引導(dǎo)學(xué)生將新知識(shí)遷移到原有的知識(shí)體系中建立物理模型，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，體驗(yàn)建模的過(guò)程，主動(dòng)參與科學(xué)探知，充分體現(xiàn)了學(xué)生為主體的學(xué)習(xí)地位，提高了學(xué)生的科研探究能力．將構(gòu)建模型引入遺傳學(xué)教學(xué)，將看不見(jiàn)、摸不著的基因定位于看得見(jiàn)的染色體上來(lái)研究減數(shù)分裂過(guò)程中染色體的行為，形成感性認(rèn)識(shí)，使抽象的內(nèi)容具體化、形象化，加深學(xué)生對(duì)相應(yīng)知識(shí)的理解．在知識(shí)點(diǎn)考查難度一致的前提下，將實(shí)驗(yàn)班（2020級(jí)生物技術(shù)專業(yè)）與對(duì)照班（2019級(jí)生物技術(shù)專業(yè)）相比，實(shí)驗(yàn)班平均分為83.3分，而對(duì)照班平均分為78分，可見(jiàn)模型構(gòu)建有助于學(xué)生對(duì)遺傳學(xué)知識(shí)的理解．

經(jīng)過(guò)建模過(guò)程的教學(xué)實(shí)踐，得出建模過(guò)程中應(yīng)注意的幾點(diǎn)內(nèi)容：（1）對(duì)于建模，教師教學(xué)過(guò)程中要圍繞教學(xué)目標(biāo)，選取合適的教學(xué)內(nèi)容布置建模任務(wù)，此外，教師要給出明確的方向或者示范性的簡(jiǎn)單指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生從不同的角度分析模型，進(jìn)而完善模型，使其更具科學(xué)性；（2）學(xué)生的繪圖能力不同，所建模型有好壞之分，但一定注重學(xué)生親自建模的過(guò)程，堅(jiān)決杜絕利用已有的模型，不親身感受建模的過(guò)程，難以領(lǐng)悟建模的目的，難以理解模型中蘊(yùn)含的遺傳知識(shí)；（3）教師授課過(guò)程中，借用學(xué)生已建成的模型進(jìn)行講解，讓學(xué)生具有成就感，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)要掌控教學(xué)的“量”和課堂教學(xué)時(shí)間；（4）模型的建立是在一定前提條件下建成的，具有一定的局限性，任何一種模型都不能完美地代表真實(shí)的遺傳現(xiàn)象，因此要用發(fā)展的眼光看待模型，由一種模型推及另一種模型，真正實(shí)現(xiàn)通過(guò)模型認(rèn)識(shí)遺傳現(xiàn)象背后的遺傳規(guī)律．

[1] 張紅梅，邢朝斌，蔡寶宏，等．五步教學(xué)法在遺傳學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J]．高師理科學(xué)刊，2023，43（4）：107-110．

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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

河北省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（2022GJJG211）

張紅梅（1977-），女，河北唐山人，副教授，碩士，從事遺傳學(xué)研究．E-mail：1441063447@qq.com