“基因時間軸”模型建構及其在結構化復習中的應用

貴州 付忠義

人類關于遺傳物質的探索歷程跨越了一個多世紀，至今還有很多問題沒有找到答案。高中生物學教材必修2《遺傳與進化》中，有很大一部分內容都與人類對遺傳物質探索的過程和階段性總結有關。將這些具有相關性的科學事件根據時間順序，按“時間軸”的方式進行梳理，是促進學生理解相關事件之間的聯系、構建學科概念的一個重要方法。

一、生命科學史在教材中的編寫特征與教學現狀

教材的編寫通常是根據形成某一概念的需要，對科學史進行板塊劃分，如“DNA是主要的遺傳物質”“基因在染色體上”“DNA的復制”“基因通常是有遺傳效應的DNA片段”“基因表達與性狀的關系”等概念，均是通過分析大量的科學史料之后得出的結論。

在生命科學的發展歷程中，往往可能需要經過幾代人的辛苦努力，才能逐漸總結出合理的結論，或形成某個概念。在學習過程中也需要借助對科學史實的分析，逐步構建出概念體系，進而形成學科大概念。但在教材編寫過程中，由于教材內容編排的實際需要，很多科學史料并不是按照時間順序編寫的，如1909年，丹麥生物學家約翰遜將孟德爾提出的“遺傳因子”改為“基因”；1903年，美國遺傳學家薩頓通過觀察蝗蟲的減數分裂，提出“遺傳因子在染色體上”的推論。這兩個史實在教材中的位置就相隔一節的內容，但教材并沒有按照時間順序編排相關內容。這就導致很多不細心的學生不理解為什么在教材中薩頓的推論寫成“基因(遺傳因子)是由染色體攜帶著從親代傳遞給下一代的。”而這時教師若能順便提示一下時間節點，那么所有學生便都能很快明白其中緣由，也就不存在知識不能融會貫通的現象了。

但是目前很多教師的教學都只是按部就班的進行，不會刻意將分散在很多章節的科學史進行分類整理及匯編，甚至對于一些看似不起眼的小材料直接略過了。雖然這樣對學生主干知識的學習看似沒有什么影響，但是學生的知識體系中必然會缺少一些連貫性，容易導致知識脫節，部分知識的遷移應用也會受到掣肘。尤其是對一部分學習習慣不好、閱讀不細致、缺乏獨立思考習慣的學生來說，更是會產生很大的影響。

二、“基因”相關的科學史料“時間軸”建立

關于“基因”的敘述，在高中生物學必修2《遺傳與進化》中的分布跨度很大，從第1章“遺傳因子的發現”到第5章“基因突變及其他變異”都主要敘述人類對遺傳規律及遺傳物質的探索歷程。包括第6章“生物的進化”也是在變異的基礎上對進化的根本原因進行解釋。

1.相關科學史梳理(按2019版人教版教材中出現的順序排列)

序號時間科學家實驗(事件)結論11866年孟德爾豌豆雜交實驗生物的性狀由“遺傳因子”控制21900年三位科學家分別重新發現孟德爾的論文31909年約翰遜將“遺傳因子”改為“基因”。提出基因型和表型的概念41865年①魏斯曼發表了《作為遺傳理論基礎的物質連續性》一文染色體減數分裂及其合理性的預測

續表

2.時間軸模型構建

圖1 “基因時間軸”模型案例1

構建該模型的目的是使教師對人類對遺傳物質的認識過程有一個更清晰的宏觀認識，便于教學活動設計。同時也是學生學習和復習過程中的一個重要參考線索。時間軸模型中，主要是標注清楚重要的時間節點，具體的科學事件由于版面問題可以不詳盡羅列，而是在教學中通過口述的方式呈現，或者通過學生的主動回憶來補全相關信息，這樣還能夠更好地引導學生通過“回憶”的形式，實現知識的“再現”和“重復”，達到有效復習的效果。

三、“基因時間軸”的教學意義與教學案例分析

“基因時間軸”的意義在于：學生能夠以時間節點為記憶的錨點，聯想和回憶相關的科學事件及研究結論；可以通過梳理時間順序的方式，促進一部分知識的理解及知識網絡的構建，如人類對基因的認識過程是按照“功能—結構—信息流向”的基本發展順序進行的。

在教學中，這種模型通常有兩個方面的應用：其一是在新課教學中可以用來創設大情境，進而貫穿整體的教學；其二是在復習過程中可以用來梳理知識網絡，實現高效、便捷的復習。

1.新課教學中的應用案例——大情境創設

情境創設的目的是使教學內容和教學活動設計有一定的依托，不至于空洞乏味。但情境的創設不能無病呻吟，情境信息需要緊貼教學內容，不脫離教學的根本需求。不追求花哨，更講究實用性。在情境創設中，要盡量創設大情境，盡可能地讓有內在聯系的內容板塊的教學能在一個大的情境信息中完成。避免頻繁更換情境，割裂了知識板塊，使內容碎片化。“基因時間軸”在新課教學中能滿足大情境創設的需求。但這個大情境是逐漸構建起來的，而不是一次性完成的，模型的構建需要通過一系列的問題鏈逐漸形成聯結。從必修2《遺傳與進化》的第3章開始，使用該思路最為合適。筆者以第3章第1節到第4章第2節共6個小節的內容為例，介紹各小節問題情境的創設以及問題鏈的設計案例。

1.1DNA是主要的遺傳物質

【問題情境】摩爾根等人的實驗已經證明了孟德爾所說的“遺傳因子”，也就是基因，是真實存在的，并且基因在染色體上呈線性排列。但染色體是由DNA和蛋白質組成的。那么真正的遺傳物質是DNA還是蛋白質呢？

【銜接問題】所有生物的遺傳物質都是DNA嗎？

【形成結論】絕大多數生物以DNA為遺傳物質，DNA是主要的遺傳物質。

1.2DNA的結構

【問題情境】細胞等生命系統結構層次的結構與功能相適應，實際上生物大分子的結構與功能也是相適應的。那么究竟是什么樣的結構使得DNA能作為絕大多數生物的遺傳物質呢？

【形成結論】DNA具有反向平行的雙螺旋結構；脫氧核糖-磷酸交替連接形成的基本骨架在雙螺旋的外側；堿基按照堿基互補配對原則通過氫鍵連接成堿基對排列在內側。

1.3DNA的復制

【問題情境】DNA作為遺傳物質，需要從親代細胞，遞到子代細胞。所以DNA必然需要進行復制，以保證子代細胞能得到與親代相同的DNA，那DNA是怎樣進行復制的呢？

【形成結論】DNA以半保留的方式進行復制，需要模板、能量、原料和酶等條件，遵循堿基互補配對的原則。

1.4 基因通常是有遺傳效應的DNA片段

【問題情境】已知DNA是主要的遺傳物質，可以通過半保留復制的方式保證親子代細胞遺傳信息的連續性。由此可以判斷出基因就在染色體中的DNA上。那1個DNA就是1個基因嗎？

【形成結論】基因通常是有遺傳效應的DNA片段，RNA病毒的基因是有遺傳效應的RNA片段(如TMV、HRV、HIV、流感病毒、SARS病毒、新冠病毒等)。

1.5 基因指導蛋白質的合成

【問題情境】在真核細胞中，基因是有遺傳效應的DNA片段，DNA作為儲存遺傳信息的物質，主要分布在細胞核中。而生命活動的主要承擔者是蛋白質。蛋白質與DNA之間有著怎樣的關系呢？

【形成結論】基因通過轉錄和翻譯控制蛋白質的合成。

1.6 基因表達與性狀的關系

【問題情境】孟德爾曾經提出“生物的性狀是由遺傳因子(基因)控制的”，那么基因是怎樣控制生物的性狀的呢？基因表達與性狀之間是否存在什么聯系？(可板書圖2所示的模型)

圖2 基因表達與性狀的關系情境圖示1

【形成結論】在學生自主閱讀教材內容的前提下，教師可指導學生構建如圖3所示的概念圖，厘清基因與性狀之間的關系，從分子水平解釋孟德爾提出的“生物的性狀由遺傳因子控制”。

圖3 基因表達與性狀的關系情境圖示2

2.復習過程中的應用案例——知識網絡構建

在階段性復習、一輪復習、二輪復習中均可使用前文所述的模型，將從“1866年孟德爾的豌豆雜交實驗及結論”到“基因表達與性狀的關系”等內容完整地聯系在一起，形成一個完整的知識網絡。

以一輪復習為例，在復習之前就可以應用完整的模型，根據時間順序梳理重要的科學實驗及結論，形成整體框架，然后再對細節知識進行補充完善，全部復習完之后再讓學生自主參考時間軸梳理知識。這種類似于“總-分-總”式的結構化復習策略，能更好地幫助學生建立知識體系。具體操作流程可以分為以下幾步。

2.1 構建“時間軸”模型，形成整體認知

在復習“遺傳規律”“減數分裂”“基因的本質”“基因表達”“變異”等知識(即必修2第1～5章)之前，教師可以先引導學生將這部分內容中的重大歷史事件按時間順序或者按研究結論進行排列，盡量引導學生通過回憶的方式完成，對于基礎薄弱的學生，也可以通過快速翻閱教材來完成。這個過程中要求學生將自己梳理出來的信息記錄下來，然后再按照時間順序進行排列，連接成時間軸。如此一來就可以讓學生對該部分的學習內容有整體認知。

2.2 梳理細節知識，排除知識障礙

即使已經學過一遍，又回憶或閱讀了一遍，但由于經過了較長時間，且新課學習中本身就有一些知識沒有理解透徹，所以逐一梳理知識點、掃除知識障礙的過程仍然是必要的。在基礎知識的復習過程中，提醒學生有意識地將科學史的時間順序考慮進來，能鞏固認知。

2.3 回歸模型構建，完善知識網絡

經過前面兩個步驟的訓練，有的學生已經能夠形成很好的知識體系，但一部分思維能力較差的學生還是不能很好地將各種知識聯系在一起。這時教師就需要給學生提供一些參考意見和指導，讓學生有目的地將零散的知識歸納起來，以“時間軸”為線索，將各個板塊的知識點概括到知識網絡上來。圖4為添加了部分提示信息的模型。

圖4 “基因時間軸”模型案例

盡管這個模型仍然很粗糙簡陋，很多信息都沒有體現出來，但在時間和科學家兩個信息的提示下，很多學生都能快速地復述出相關的知識。對于尚未熟練掌握的知識點也能很明確地找到標識點，然后及時查缺補漏。

四、結束語

“基因時間軸”的模型在教學中具有較高的實用性，對在新課教學中創設大情境，增強教學連貫性大有裨益。也可以用在復習中，通過梳理科學史，實現知識網絡的構建。這種具有高度概括性的學習思路，在復習中具有更明顯的作用，充分體現了其提綱挈領的優勢。

這是一種值得推廣嘗試的教學思路。不僅在“遺傳的分子基礎”的教學中可以使用“時間軸”模型，在其他一些時間相關性較強的內容的復習中，也可以嘗試利用“時間軸”模型的方式進行復習，例如《分子與細胞》中關于細胞結構與功能的認識以及生命系統結構層次等內容，與時間的相關性就很高。