模型與建模思維在研究高中生物遺傳規律中的應用

徐玉送 蘭瑛

【摘要】本文以教學基因分離定律為例，論述模型與建模思維在研究高中生物遺傳規律中的應用：通過分析遺傳規律構建模型，進一步提煉與升級模型，進而讓學生在真實的情境中識別基本模型、解釋相應的現象，從而達成突破遺傳規律學習難點、培養學生科學思維的目的。

【關鍵詞】模型與建模思維 基因分離定律

科學思維 高中生物

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2022）17-0131-04

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》明確指出：學生應該在學習過程中逐步發展科學思維，能夠基于生物學事實和證據運用模型與建模等方法，探討、闡釋生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題。因此，培養學生模型與建模的科學思維是高中生物教學的重要任務之一。遺傳學是研究生物的遺傳與變異的科學，是研究基因的結構、功能及其變異、傳遞和表達規律的學科。其中，遺傳規律是高中生物學習中的重點和難點，這部分內容在考試評價中要求高、難度大。很多教育工作者將模型與建模的科學思維培養引入遺傳規律的教學當中，取得了豐碩的成果。筆者在總結前人經驗的基礎上進一步深化和拓展，期望突破高中生物教學中遺傳規律的難點，進一步培養學生模型和建模的科學思維。

一、構建概念模型：遺傳圖解

用模型進行教學，實際上是組織學生進行模型建立與模型應用的活動過程。用模型進行教學與模型構建的基本過程是一致的。基本模型構建步驟如圖1所示。

為了清晰地呈現親代和子代之間的關系，學者們很早就建立了概念模型——遺傳圖解。遺傳圖解是遺傳規律教學中最基本和最重要的模型之一，也是生物學概念模型教學的經典內容。常規的教學方法就是通過孟德爾的實驗現象引入遺傳圖解。

（一）用孟德爾的實驗結果引入概念模型

在教學人教版《孟德爾的豌豆雜交實驗（一）》時，教師運用模型的普遍思路是：根據課本提供的孟德爾雜交實驗結果以及假說演繹法的介紹，引入概念模型——遺傳圖解，進而用遺傳圖解（如圖2所示）的方式帶領學生分析孟德爾的三次雜交實驗，解釋遺傳現象背后的原因。

引入遺傳圖解的概念模型，可以清晰地呈現遺傳因子的傳遞過程。在遺傳圖解概念模型的構建過程中，教師會組織學生進行相關的必要的訓練，從而讓學生較為熟練地運用概念模型這個工具。但如果模型教學止步于此的話，學生在解決實際的遺傳規律的問題時會出現兩個問題：一是遺傳圖解的過程符號繁多，初學者運用不熟練容易出錯;二是運用遺傳圖解對遺傳情境進行分析時步驟較為繁瑣、不夠精煉，耗時較長，對學生的逆向推理能力要求比較高。

（二）概念模型的延伸

為解決第一個問題，筆者在教學中直接通過強化的方法加以拓展，具體做法如下。在引導學生完成上述遺傳圖解的基礎上，進一步提問：除了上述的遺傳圖解，一對等位基因決定的性狀還能寫出哪些遺傳圖解？教師分配任務之后，學生在小組內進行討論和協作。這個問題的提出可以檢測學生對概念模型——遺傳圖解寫法的掌握程度，也能增強學生進一步延伸模型的能力，為下一步的模型提煉和升級做好鋪墊。學生通過呈現、評價、總結，很容易得出以下6種遺傳圖解（如圖3所示）。

一般的教學過程，概念模型構建到此就結束了。但是事實上，教師還可以引導學生通過分析歸納進一步提煉上述遺傳圖解，得出分離定律中基本的交配方式，進一步升級模型，進而解決直接利用遺傳圖解步驟煩瑣、耗時較長、思維強度要求較高等問題。

二、模型提煉和升級

遺傳規律描述的是某性狀在親代和子代之間的遺傳規律，換言之，親代不同基因型（遺傳因子組合）的交配造成了后代的不同，即交配方式決定了后代不同的表現型種類及比例。

（一）提煉升級，得出數學模型

在研究遺傳規律的實驗過程中，我們觀察到的往往是表現型，因此我們可以在親代到子代表現型的種類變化上做文章。教師可以引導學生分析上述6種遺傳圖解表現型種類的數量變化，通過討論和總結可得到表1。

由表1可知，我們可以通過分析親代和子代之間表現型種類數量變化，進而判斷親本遺傳因子組合，從而構建出基本的數學模型。

值得注意的是，雜合子與隱性純合子雜交的實驗結果，由于沒有表現型種類的變化，因此無法推斷顯隱性。

此數學模型的構建可以幫助學生從較為復雜的遺傳圖解中解放出來，幫助他們更快捷地完成遺傳因子組成的推理。同時，此數學模型的構建也讓學生從簡單地根據后代3∶1或1∶1分離比進行推斷中解放出來，更好地理解遺傳規律是親代和子代之間的遺傳規律。

（二）模型的修正和完善

在教學實踐過程中筆者發現，通過以上數學模型進行遺傳分析確實能夠幫助學生更好地基于生物學事實和證據運用模型與建模的方法，闡釋遺傳規律，實現科學思維的突破。但是模型的識別、運用模型解釋相關現象時依舊會出現一些讓學生感到疑惑的問題，比如分析遺傳系譜圖中的交配方式。于是筆者設計了“利用數學模型分析遺傳系譜圖中的交配方式”的教學環節，讓學生進行分析、辯論，并進一步修正模型（如圖4所示）。

在該環節中，學生對甲、乙、丁三個圖的識別意見統一：親本都是雜合子自交;個別學生對丙圖提出了質疑。在肯定學生質疑精神的基礎上，筆者引導學生分析并總結：在丙圖中，F1均為正常男女但樣本個數較少，并不代表樣本個數足夠多時不會出現患病男女，換言之，在使用“2→1，純合子雜交（AA×aa）”時要注意，后代數目較少或者有限時，該判斷方法是不適用的，因為Aa與aa雜交時，Aa（顯性）∶aa（隱性）=1∶1，數目較少時有相當大的概率只表現出一種表現型。

因此我們對模型加上限制條件進行修正，得出表3。

注：親代與子代的表現型種類變化為2→1，且后代數目有限時，親本交配方式可能為純合子雜交，也可能為雜合子與隱性純合子雜交，即親本交配方式存在AA×aa、Aa×aa、aa×Aa三種情況。

雖然僅僅是對模型加上一個限制條件，卻能體現邏輯推理的嚴謹性，讓學生能夠從中感悟到科學思維的嚴密性。

三、模型識別與應用

學習的魅力在于學以致用。在完成模型提煉和修正的基礎上，教師就可以引導學生在多種情境中識別模型和運用模型了。筆者設計了兩個環節：一是在不同的表述情境下識別模型，推斷親本的交配方式，進行顯隱性的判斷;二是結合分離定律的本質，運用相應模型進行分離定律的驗證。

（一）模型識別，判斷交配方式

筆者運用不同形式呈現情境，讓學生在不同呈現形式的情境中識別模型，判斷親本的遺傳因子組成。

1.文字描述類

通過一系列由淺入深的情境設計，讓學生準確完成模型識別。

情境1：基因型為Aa的黑色豚鼠與基因型為aa的白色豚鼠雜交，F1的表現型有兩種，其比例是？

情境2：白化病是由隱性基因控制的遺傳病。雙親表現型正常，生了一個患該病的女兒，若再生一個孩子患該病的可能性是？

情境1直接給出了親本的基因組合方式，是最簡單的情境;情境2可以直接通過表現型的種類變化（1→2）來進行識別，仍屬于簡單題。在完成兩個情境識別的基礎上，教師可以進一步將情境復雜化，鍛煉學生運用模型的能力。

情境3：（2017年全國I卷）果蠅的某對相對性狀由等位基因G、g控制，且對于這對性狀的表現型而言，G對g完全顯性。受精卵中不存在G、g中的某個特定基因時會致死。用一對表現型不同的果蠅進行交配，得到的子一代果蠅中雌∶雄=2∶1，且雌蠅有兩種表現型。

情境3結合了伴性遺傳的知識，學生初學進行判斷顯然是有難度的，教師只需要學生識別親本的交配方式即可。學生能夠結合表現型的種類變化（2→2）判斷出親本的交配方式為雜合子與隱性純合子雜交。情境越復雜，越能體現我們運用交配方式的數學模型進行遺傳分析的優越性，學生學習獲得的成就感就越強，他們對模型的認可度和學習興趣也會提升。

2.遺傳系譜圖類

遺傳系譜圖作為遺傳規律的重要呈現方式，它需要引起教師及學生的高度關注。筆者設計了一系列的圖譜讓學生學會由淺入深地進行模型識別（如圖5所示）。

在系譜圖的識別環節，可以通過開小火車提問的方式，擴大提問的面，加快識別進度。同時需要特別強調親代與子代的表現型種類變化為2→1時，后代數目有限時可能為純合子雜交，也可能為雜合子與隱性純合子雜交，即出現AA×aa、Aa×aa、aa×Aa三種情況。

在完成基本圖譜識別的基礎上，筆者布置以下習題幫助學生鞏固所學。

習題1：（2014年全國Ⅱ卷）（改編）山羊性別決定方式為XY型。下面的系譜圖表示了山羊某種性狀的遺傳，圖中深色表示該種性狀的表現者。已知該性狀受一對等位基因控制，在不考慮染色體變異和基因突變的條件下，回答下列問題：

假設控制該性狀的基因位于常染色體上，依照遺傳規律，則系譜圖中一定是雜合子的個體是? ? ? ?（填個體編號），可能是雜合子的個體是? ? ?（填個體編號）。

教師甚至可以延伸拓展至兩種病混合在一起的遺傳系譜圖，讓學生逐一識別每種病的每一代的交配方式。

3.表格呈現類

教師在呈現表格數據的基礎上，可以通過層層設問的方式引導學生根據模型深入思考。

習題2：（問題1）如表4所示，組合一、二、三的親本基因型組合分別是什么？

（問題2）可以通過哪些組合判定紫花與白花的顯隱性？說說你的依據。

在學生回答完上述基于模型應用的問題后，筆者進一步延伸拓展，設計了另一道習題。題干數據如表5所示，問題1、2與習題2相同。

習題3：（問題1）如表5所示，組合四、五、六的親本基因型組合分別是什么？

（問題2）可以通過哪些組合判定紫花與白花的顯隱性？說說你的依據。

在回答問題1、2的過程中，學生利用3∶1進行遺傳分析產生了認知沖突。筆者在學生充分辯論的基礎上拋出問題3：組合四紫花中純合子的比例是多少？

通過對比兩道表格型的題目，學生可以清楚地辨析出一對親本進行雜交和多對表現型相同的親本進行雜交的區別，進而加深對模型的理解，從而對遺傳規律的情境分析游刃有余。

（二）模型應用，驗證分離定律

遺傳定律的驗證是遺傳規律教學中的重要內容。對分離定律驗證的掌握程度最能體現學生對遺傳規律本質的掌握程度。學生結合分離定律的實質與構建的模型，很容易得出驗證分離定律的基本方法。

分離定律的本質就是等位基因隨同源染色體的分開而分離進入不同配子中。根據定律本質，首先要獲得雜合子，然后要得到不同的配子。針對植物，可以直接觀察花粉的情況;花粉不能直接觀察的，可以觀察自交后代是否發生性狀分離現象或測交后代是否出現兩種表現型。

因此，我們可以得出驗證分離定律的教學策略。在分析定律實質的基礎上，采用逆向思維：得到雜合子之后才能夠通過花粉觀測、雜合子自交、雜合子測交等方式驗證分離定律，因此我們首先需要獲得雜合子，獲得雜合子的方式為采用純合子雜交。所以驗證的方法可以總結為“兩步三法”：第一步獲得雜合子，第二步用雜合子進行驗證，其中包含三種基本方法，即花粉觀測、雜合子自交以及雜合子測交。

當學生厘清解決問題的邏輯后，教師可以通過情境幫助學生強化理解。

情境4：（2019年全國Ⅲ卷）玉米是一種二倍體異花傳粉作物，可作為研究遺傳規律的實驗材料。玉米子粒的飽滿與凹陷是一對相對性狀，受一對等位基因控制。現有在自然條件下獲得的一些飽滿的玉米子粒和一些凹陷的玉米子粒，若要用這兩種玉米子粒為材料驗證分離定律。寫出兩種驗證思路及預期結果。

通過模型的構建、延伸、提煉、修正，學生能夠對模型有更深刻的感悟;創設多種不同情境讓學生進行模型的識別和應用，能夠培養學生基于生物學事實和證據，運用模型與建模等方法，探討、闡釋生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題的能力。此外，本文筆者提出的交配方式的概念數學模型還可以進一步推廣到自由組合定律和伴性遺傳等遺傳規律教學，進而實現以交配方式為主線的大單元教學的設想。

參考文獻

[1]張娜.高中生物《遺傳與進化》模塊模型建構與應用研究[D].山東：聊城大學，2018.

注：本文系2018年廣西教育研究院課題“廣西普通高中生物學科關鍵問題實踐研究之基于學科核心素養培養的生物情境教學”的研究成果之一。

作者簡介：徐玉送（1967— ），廣西陽朔人，高級教師，主要研究方向為生物教學;蘭瑛（1967— ），正高級教師，主要研究方向為生物教學與研究。

（責編 劉小瑗）