“試錯教學(xué)”在模型構(gòu)建中的應(yīng)用
——以“2021年高考浙江選考題”為例

呂召志

（黑龍江省大慶第一中學(xué) 黑龍江大慶 163000）

1 模型試錯

物理模型可以理解為模擬對象的復(fù)制品，是經(jīng)過抽象后又具體化的復(fù)制品。抽象是經(jīng)分析推理后，簡化提煉事物的本質(zhì)；具體化是能清楚地觀察到，可以變現(xiàn)為實物，也可以是事物規(guī)律的反應(yīng)。試錯法是美國心理學(xué)家桑代克提出的著名教學(xué)理論，他認(rèn)為個體的學(xué)習(xí)是一種漸進(jìn)的、反復(fù)試誤的過程。在這個過程中，無關(guān)的錯誤反應(yīng)會逐漸減少，最終使刺激情境與正確的反應(yīng)之間形成聯(lián)結(jié)，其基本模式及操作程序如圖1所示。染色體標(biāo)記問題是高中生物學(xué)教學(xué)的難點，教師創(chuàng)設(shè)問題情境，通過試錯教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)錯誤、修正并反思錯誤，將形象的圖形和抽象文字概念有機(jī)結(jié)合，從而實現(xiàn)了物理模型和概念模型的統(tǒng)一。

圖1 試錯法的基本模式和操作程序

1.1 構(gòu)建染色體與脫氧核苷酸鏈的模型

教師設(shè)問：若染色體中一個DNA分子用15N標(biāo)記，利用含有14N的脫氧核苷酸為原料，復(fù)制后的染色體與脫氧核苷酸鏈的模式圖應(yīng)該如何呈現(xiàn)？學(xué)生往往會構(gòu)建兩個錯誤的物理模型，如圖2中A與B所示。A中學(xué)生沒有明確染色體與脫氧核苷酸鏈的關(guān)系，B中學(xué)生沒有掌握DNA半保留復(fù)制的特點，誤將DNA的復(fù)制理解為全保留復(fù)制。此時，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生修正模型。學(xué)生反思得出：一條染色體在復(fù)制之前含有1個DNA分子，即有2條脫氧核苷酸鏈（用實線表示，數(shù)字15標(biāo)記）。DNA復(fù)制后一條染色體含有2個DNA分子，含有4條脫氧核苷酸鏈。根據(jù)半保留復(fù)制的特點，模板分別存在于兩個姐妹染色單體中，如圖2中C所示（新合成的子鏈均是14N，用虛線表示，數(shù)字14標(biāo)記）。若學(xué)生已完全理解C，建議學(xué)生遇到此類問題可直接畫出圖2中D模型，以便提高解題效率。

圖2 染色體與脫氧核苷酸鏈的模型

1.2 構(gòu)建姐妹染色單體分離模型

教師繼續(xù)設(shè)問：若染色體中一個DNA分子的一條脫氧核苷酸鏈含15N，另一條鏈含14N，利用含有14N的脫氧核苷酸為原料，DNA復(fù)制后形成姐妹染色單體，那么姐妹染色單體分開后，染色單體中的N元素在脫氧核苷酸鏈的模型中又該如何呈現(xiàn)？學(xué)生往往會構(gòu)建如圖3中A所示的錯誤模型，即沒有分清楚染色單體中脫氧核苷酸鏈的分布情況。著絲粒斷裂后染色單體中脫氧核苷酸鏈在結(jié)構(gòu)上仍有一定的完整性，且子染色體移動到兩極具有一定的隨機(jī)性。學(xué)生反思可以參照圖2中C脫氧核苷酸鏈的具體位置，用如圖3中B和C所示的黑色部分表示一個完整的染色單體（含有15N和14N）。

圖3 姐妹染色單體分離模型

2 模型應(yīng)用

2.1 有絲分裂例題及解析

【例1】取一個含有一對同源染色體的受精卵，用15N標(biāo)記細(xì)胞核中的DNA，然后放在不含15N的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，讓其連續(xù)進(jìn)行兩次有絲分裂，形成四個細(xì)胞，這四個細(xì)胞中含15N的細(xì)胞個數(shù)可能是多少？

試題解析：首先畫出第一次有絲分裂模式圖，再用元素標(biāo)記脫氧核苷酸鏈，如圖4中A所示。以上述結(jié)果中一個細(xì)胞為例畫出第二次有絲分裂模式圖，再用元素標(biāo)記脫氧核苷酸鏈，結(jié)果有兩種情況，如圖4中B所示。子染色體移動到兩極具有一定的隨機(jī)性，因此四個子細(xì)胞中含有15N的細(xì)胞個數(shù)是2個或3個或4個。

圖4 “有絲分裂”模型

2.2 減數(shù)分裂例題及解析

【例2】某二倍體的精原細(xì)胞中一個DNA分子用15N標(biāo)記，放在含14N的培養(yǎng)基中，完成減數(shù)第一次分裂后再換用含15N的培養(yǎng)基，在不考慮突變的情況下，產(chǎn)生的四個精子中含15N的有多少？

試題解析：由于二倍體精原細(xì)胞含有同源染色體，可以一對同源染色體為例構(gòu)建模型。再用元素標(biāo)記脫氧核苷酸鏈，題中只有1個DNA分子的兩條鏈都是15N，即隱含了另外一條同源染色體中DNA分子的兩條鏈都是14N之意，根據(jù)上述兩個模型標(biāo)記DNA鏈（圖5），據(jù)圖可知四個精細(xì)胞中有2個精細(xì)胞含有15N。

圖5 “減數(shù)分裂”模型

3 高考再現(xiàn)

【例3】（2021年·浙江卷·25）現(xiàn)建立“動物精原細(xì)胞（2n=4）有絲分裂和減數(shù)分裂過程”模型。1個精原細(xì)胞（假定DNA中的P元素都為32P，其它分子不含32P）在不含32P的培養(yǎng)液中正常培養(yǎng)，分裂為2個子細(xì)胞，其中1個子細(xì)胞發(fā)育為細(xì)胞①。細(xì)胞①和②的染色體組成如圖所示，H（h）、R（r）是其中的兩對基因，細(xì)胞②和③處于相同的分裂時期（圖6）。下列敘述正確的是 （ ）

圖6 “動物精原細(xì)胞有絲分裂和減數(shù)分裂過程”模型

A.細(xì)胞①形成過程中沒有發(fā)生基因重組

B.細(xì)胞②中最多有兩條染色體含有32P

C.細(xì)胞②和細(xì)胞③中含有32P的染色體數(shù)相等

D.細(xì)胞④-⑦中含32P的核DNA分子數(shù)可能分別是2、1、1、1

試題解析：根據(jù)題意和圖6可知，細(xì)胞①處于減數(shù)第一次分裂前期，且發(fā)生了交換和基因突變（R突變?yōu)閞），細(xì)胞②和③處于減數(shù)第二次分裂后期，細(xì)胞④-⑦都是精細(xì)胞。交換可以引起基因重組，A錯誤。由圖6中2n=4推斷出精原細(xì)胞含四條染色體，精原細(xì)胞（DNA分子中的32P用2表示，31P用1表示）先進(jìn)行一次有絲分裂（圖7），其中一個子細(xì)胞又經(jīng)過一次減數(shù)分裂（圖8），根據(jù)模型構(gòu)建結(jié)果，細(xì)胞②和③都有兩條染色體含有32P。若圖中a與b或a’與b’交換，交換后不受影響染色體放射性，此時細(xì)胞②和③有兩條染色體含有32P；若a與b’（ 或a’與b）交換后，染色體放射性受到部分影響，即含有31P和31P的H與含有32P和31P的h交換（或含有32P和31P的H與含有31P和31P的h交換）。圖8中h用●表示，H用▲表示。交換后，細(xì)胞②（或③）中3條染色體含有32P，因此細(xì)胞②與細(xì)胞③中2條或3條染色體含有32P，B和C錯誤。若僅考慮a與b’交換，細(xì)胞②產(chǎn)生的子細(xì)胞含32P的核DNA分子數(shù)分別是2、1或1、2。細(xì)胞③產(chǎn)生的子細(xì)胞含32P的核DNA分子數(shù)分別是2、0或1、1，因此細(xì)胞④-⑦中含32P的核DNA分子數(shù)可能分別是2、1、1、1，D正確。

圖7 精原細(xì)胞先進(jìn)行一次有絲分裂

圖8 一個子細(xì)胞再進(jìn)行一次減數(shù)分裂

錯誤是學(xué)生在學(xué)習(xí)中自然存在的現(xiàn)象，充分利用錯誤可使它變成獨特的教學(xué)資源。通過試錯教學(xué)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)錯誤，剖析錯誤，修正錯誤，反思錯誤，反思到“染色體標(biāo)記”模型構(gòu)建中首先應(yīng)畫出染色體形態(tài)行為變化簡圖，同時用數(shù)字厘清染色體與脫氧核苷酸鏈的關(guān)系，尤其注意到DNA半保留復(fù)制和姐妹染色單體的分離具有隨機(jī)性。在教學(xué)過程中，學(xué)生的批判性思維和演繹-推理能力有效提升，通過將抽象事物具體化，知識不斷被打破與重構(gòu)，自我學(xué)習(xí)能力得到提升。教學(xué)過程有效落實了生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。