促進深度學習的高中生物學建模教學實踐
——以“減數分裂”復習教學為例

王揚飛

（廈門市松柏中學，福建 廈門 361000）

《普通高中生物學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》強調引導學生主動參與學習，正確認識事物、解決實際問題，習得生物學知識的同時發展生物學學科核心素養。［1］有關“減數分裂”知識是學生學習高中遺傳學的基礎。在新課學習中，學生往往局限于對減數分裂過程中染色體的靜態圖像分析，無法將減數分裂與抽象的基因變化相聯系。為了解決這個問題，筆者嘗試在“減數分裂”復習教學時，引導學生圍繞具有一定挑戰性的學習主題，主動參與建構概念模型、物理模型及數學模型等活動［2］，促進學生深度學習，內化和理解生物學知識，學會運用模型與建模這一生物科學思維方法［3］，提升生物學學科核心素養。

一、建構概念模型，在“聯想與結構”中梳理概念聯系

“聯想與結構”是深度學習的重要特征。“聯想”是指學生學習過程要密切聯系已有知識與經驗，達到“溫故知新”和“融會貫通”。通過“聯想”，抓住“本質”，把平時積累的“知識點”連接成“知識網”結構。這樣，學生在以后的學習生活中只要碰到一個“點”，就能“一觸即發”，輕松解決實際問題。“知識網”一般是圍繞某一重要概念構建的概念模型，有助于學生梳理、整合知識，提高歸納能力，發展科學思維。

復習“減數分裂”時，引導學生回憶高中階段所學的與重要概念“減數分裂”相關的生物學概念，如染色體、基因、同源染色體、非同源染色體、染色體、有絲分裂、受精作用等，分析“基因和染色體”的關系，歸納減數分裂過程中“同源染色體分離，其上的等位基因隨之分離；非同源染色體自由組合，其上的非等位基因也自由組合”等本質特點，建構減數分裂概念模型（圖1），促進學生梳理、整合有關“減數分裂”概念，使其邏輯化、結構化及系統化。

圖1 減數分裂概念模型

二、建構物理模型，在“活動與體驗”中揭示概念本質

“活動與體驗”是深度學習的核心特征，要求教師設計有效的學習活動，引導學生“身臨其境”，動手動腦、討論交流、合作互助，在發現及解決問題過程中，揭示問題的本質，體驗與構建知識。減數分裂復習教學時，以“發生基因重組的非等位基因是否一定位于非同源染色體上”為探究課題，組織學生開展物理模型建構活動，促進學生體驗與理解重要概念“基因重組”的本質。

（一）建構非同源染色體自由組合模型

A 與a、B 與b 這兩對等位基因分別位于某動物（2N=4）精原細胞的兩對同源染色體上，指導學生建構非同源染色體自由組合模型（圖2），要求不考慮交叉互換等其他變異，并在模型的染色體上標注等位基因。再組織學生觀察、分析各自建構的模型，學生發現減數第一次分裂后期出現兩種不同的染色體分配，即兩種不同的基因組合AB 和ab 或者Ab 和aB。由此，得出結論1：非同源染色體上的非等位基因可以自由組合。

圖2 非同源染色體自由組合模型

（二）建構同源染色體非姐妹染色單體交叉互換模型

指導學生建構一對同源染色體非姐妹染色單體交叉互換模型（圖3），要求用不同顏色標示所建構的兩個染色單體，并在這對同源染色體上標注兩對等位基因A 和a、B 和b，分析每個染色單體的基因組合。通過建模、觀察及分析，學生發現原先每個染色單體上的基因組合只有AB 和ab 兩種。同源染色體非姐妹染色單體交叉互換后，每個染色單體的基因組合有AB、Ab、aB 和ab 等四種類型，增加了Ab 和aB 兩種類型。得出結論2：通過同源染色體非姐妹染色單體交叉互換，同源染色體上的非等位基因也會發生重組。

圖3 同源染色體非姐妹染色單體交叉互換模型

通過物理模型建構活動，引導學生主動參與科學探究，在合作交流、思維碰撞過程中，親歷知識的發現與形成過程，促進學生深刻理解“有性生殖過程中，由于基因的分離和重組，使得雙親后代的基因組合有多種可能”這一遺傳多樣性本質［4］，并要求學生補充、修正“減數分裂概念模型”，以體現對遺傳多樣性的正確認識。

三、建構數學模型，在“遷移與應用”中揭示規律、解決問題

深度學習要求學習者能夠進行知識遷移，將所學知識轉化成能力，解決新的情境中有關問題或作出相應決策。［5］“遷移與應用”是檢驗深度學習是否發生的最佳途徑與方式。數學模型是以數學形式描述一個系統的本質［6］，是幫助學生遷移與應用知識的重要載體。如果學生能將減數分裂過程染色體及DNA 數量變化以數學模型表示，則可以很好地揭示染色體的行為變化規律，以便解決復雜問題。

指導學生以直角坐標系建構某動物（2N=20）細胞有絲分裂、減數分裂及其受精卵有絲分裂過程中染色體和核DNA 的數學模型（圖4）。要求學生：1.認識“有絲分裂的起點和終點數值不變（都是2N）；無論是染色體還是核DNA，減數分裂結束后終點（N）對應數值都是起點（2N）的一半，即“減數”。2.認識核DNA 分子數目的加倍和減半規律。染色體的DNA 分子數目加倍發生在有絲分裂和減數第一次分裂前的間期，數目減半發生在細胞完成每次分裂后，所以減數分裂過程DNA 分子數量“一加倍兩減半（細胞連續分裂兩次）”。有絲分裂則是“一加倍一減半（細胞分裂一次）”。3.認識染色體數目的加倍和減半規律。染色體數目的加倍發生在細胞分裂后期著絲點的分裂，減半發生在細胞完成每次分裂后。學生小組討論、分析，發現減數分裂時，染色體的數量有“減半-恢復-減半”的變化規律，有絲分裂則是“加倍后減半”的規律，并以此解決“為什么減數分裂和受精作用保證每個物種前后代體細胞染色體數目恒定”的問題。此外，指導學生建構一條染色體在有絲分裂和減數分裂過程中，DNA 分子數量變化數學模型（圖5）。通過模型建構及討論分析，學生發現：無論是減數分裂還是有絲分裂，每條染色體行為變化規律皆是一條染色體（含1個DNA 分子）經過復制形成兩個姐妹染色單體（含兩個DNA 分子），隨著絲點分裂分開形成兩個子染色體（含1 個DNA 分子）。

圖4 染色體和核DNA 分子數量變化模型

圖5 染色體的DNA 數量變化模型

在一個直角坐標系中同時構建減數分裂與有絲分裂的染色體及DNA 數量變化數學模型，幫助學生認識減數分裂、有絲分裂與受精作用的本質；“減數分裂過程中，基因隨染色體的行為數目變化而變化”規律；以及“生物遺傳具有連續性”這一生命現象及其規律，形成“基因在染色體上”的生命物質觀，提高分析與綜合、歸納與概括等科學思維能力。

四、“減數分裂”復習教學反思

“減數分裂”復習教學遵循“核心素養為宗旨”這一高中生物學課程基本理念，圍繞探究“減數分裂過程中染色體與基因的變化”這一學習主題，設計與實施模型建構活動，引導學生親歷“非同源染色體自由組合模型”及“同源染色體非姐妹染色單體交叉互換模型”等物理模型建構過程，結合“減數分裂”概念模型，以“基因在染色體上”為基礎，發現、解決日常學習中存在的不足及問題，復習鞏固有關“基因重組的實質”知識。通過建構數學模型，指導學生分析“減數分裂”“受精作用”及“有絲分裂”時DNA 分子數目與染色體數目的變化，幫助學生深刻理解“減數分裂”在遺傳變異中的重要意義，初步建立穩態與平衡觀、進化與適應觀。

總之，為了有效開展深度學習，教師應基于生物學學科核心素養培育的視角，合理設計建模活動。同時，營造一個民主、和諧的課堂教學氣氛，理解、尊重學生，促進學生主動參與建模探究活動，勇于說出自己的觀點與想法，在建構、分析、評價與修正模型的過程，梳理生物學概念之間的內在聯系，揭示概念本質及生命規律，解決與生物學密切相關的、真實的問題，復習、鞏固及遷移應用生物學知識，提高科學思維能力及科學探究能力，發展生物學學科核心素養。