基于模型構建對遺傳學進行深度學習

【摘要】遺傳學是高中生物教學的核心也是難點所在，學習難度大，學生對這塊知識畏難情緒較重。本文通過介紹模型構建方法用于遺傳學的教學，根據生物知識的不同選擇合適的生物模型。通過模型構建改變學生的學習方式，加強學生課堂的主動性，從而有效突破教學重難點，增強學生的創新能力和實踐動手能力。同時模型構建過程中有利于培養學生的科學思維，打破學生的思維壁壘、促進學生深入理解知識，實現深度學習，最終實現學生學習效率的提高和學科核心素養的全面發展。

【關鍵詞】模型構建? 深度學習? 科學思維? 核心素養

【基金項目】本文為永安市級2021年立項課題《基于科學思維培養的生物模型構建研究》的研究成果，課題立項編號：YAKT2021104。

【中圖分類號】G633.91 ? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2023）03-0178-03

《普通高中生物學課程標準》以發展學生生物學核心素養為導向，通過生物課程的學習，讓學生能夠運用生物學知識探索生命規律，尋找知識的內在聯系和規律，領悟學科的本質和思想方法，形成科學思維，實現立德樹人的根本目標[1]。遺傳學作為高中生物的核心知識，一直都是教學中突出的難點，學生存在對遺傳相關概念和術語理解不透徹，對基本規律本質認識不深刻，知識遺忘率高和碎片化嚴重等問題，導致對概念無法內化，知識網絡不完整，思路不清晰，信息獲取能力不強，學生“談遺色變”，畏難情緒重。如何解決這一難題，一直是高中生物老師研究的重點。在高中生物學新課標的核心素養要求中，模型和建模是發展學生科學思維的有效手段之一，通過合理模型構建可以加深對原型特點的認識和理解，讓學生經歷知識的發現過程，體驗建立模型的思維過程和科學方法[2]。所以在遺傳學的教學中合理應用模型建構能更好地提升學生科學思維。

生物模型有多種，在高中生物教學中最常用的模型有物理模型、概念模型和數學模型。在教學中，根據遺傳學的具體內容選擇合適的模型，能有效實現科學思維與核心知識的有機結合，知識的學習與知識遷移綜合起來，運用知識解決問題的能力和經驗的拓展整合起來，從而更好地理解遺傳相關術語與概念，加深對基本規律的認識，減輕學生的學習壓力，增強學生分析和解決問題的能力，提升學生創新和實踐能力，為學生學好遺傳并實現綜合發展提供保障，最終達到學生的深度學習和提高學科核心素養的目的。

一、構建物理模型，引導學生發現規律，培養學生的科學思維

物理模型在生物教學中的運用很廣泛，作用也很大，它將某些抽象的知識通過找尋內部本質的聯系，轉化成形象直觀的物象，實現學生對客觀事物認識的拓展和深化。在教學中利用課本素材進行模型構建，并加以改造，可提高學生對知識的理解。

例如在“性狀分離比的模擬實驗中”，引導學生構建配子比模型：用甲、乙兩個小桶分別代表雌、雄生殖器官，甲、乙小桶內的彩球分別代表雌、雄配子，分別從兩個小桶內隨機抓取一個小球，模擬生物在生殖過程中，雌、雄配子的隨機組合[3]。在模擬實際生殖過程中，甲、乙兩個小桶中小球總數可以不等（原因是在生物實際生殖過程中雄性產生的配子數遠遠大于雌性產生的配子數），但兩種彩球在甲、乙兩個小桶中的比例確保1：1，表示產生不同配子的幾率一樣。在教學中，通過對該模型進行改造，可以提升學生對物理模型的構建能力。比如改造成模擬測交實驗模型：只要將一個小桶裝一種顏色的小球，另一個裝兩種顏色的小球，其他模擬過程不變。還可以進一步改造，比如模擬控制兩對相對性狀的雜合子（AaBb×AaBb）基因自由組合模型：在甲桶放置等數量的黑白彩球，代表A，a兩種基因，在乙桶放置等數量紅黃彩球，代表B，b兩種基因，分別從甲、乙小桶中抓取小球模擬等位基因的分離，將甲、乙抓取的小球放在一起又可模擬非等位基因的自由組合。這一模型形象生動地闡釋了分離定律和自由組合定律，有利于學生深入理解兩大定律實質。通過這樣的模型構建，學生既動手又動腦，使課堂變得生動有趣，又讓學生在模型構建中發現規律，提升了思維能力。

再如DNA雙螺旋結構是典型的物理模型，在教學中可以引導學生充分利用教材中的科學史構建物理模型。教師以科學家的研究故事為背景，通過優化課程資源引導學生分析科學史的相關資料：將沃森、克里克建立DNA 雙螺旋結構模型的研究過程轉變為學生邊分析資料邊構建物理模型的探究過程，讓學生沿著科學家的足跡邊建模邊修正，在構建模型過程中發現問題，共同討論、及時糾正，嘗試建構多種雙螺旋和三螺旋結構模型，然后對模型進行評價、修正、完善，最后得到正確的DNA分子結構模型。這樣就把知識的傳授過程優化成為一個科學的探究過程，讓學生沿著科學家的思維和方法去感知和探索，同時用構建模型的方法去解決問題，領悟到科學知識的真諦。整個過程提高了學生科學探究能力，開發了學生的思維，培養學生的空間想象能力，讓學生進行深度學習。在教學中只要對教材中已有的模型充分利用和深入挖掘，并加以分析改造，使之更易于學生找到知識的本質聯系，理解生物學規律，促進學生的深度學習。

二、構建概念模型，形成知識結構體系，提升學生的科學思維

概念學習不是單純機械性的記憶過程，而是一個理解的過程，學生對概念的學習需要逐步深入和提高，要挖掘其內涵和外延。遺傳學中有很多相關概念，有很大的關聯性，學生如果不能對概念理解透徹，容易將不同概念混淆，而造成理解的誤區。如能以核心概念為中心發展形成概念模型，更能加深學生的理性認識，實現深入理解概念間的內在與聯系，提升學生的科學思維。學生還能清晰把握此概念在概念層次中的位置，以及這個概念和其他概念的關聯，在概念之間形成邏輯關系，有助于學生記憶和理解，進行深度學習。比如以核心概念基因與性狀為例，基因的相關概念包括基因、等位基因、非等位基因、顯性基因、隱性基因等；性狀的相關概念包括性狀、相對性狀、顯性性狀、隱性性狀、性狀分離等；與它們有關聯的概念包括基因型、表現型、純合子、雜合子等。將核心概念基因和性狀作為要點構建概念模型時，讓學生學會整合有關概念的基本內容和拓展內容，理解相關概念之間的關系。這樣遺傳學中的基本概念都可以清楚闡述，實現構建基因和性狀完整知識結構。

這個過程同時也將與分離定律有關的核心概念闡述清楚，為自由組合定律、伴性遺傳、變異與育種等知識點的學習奠定了扎實的概念基礎。

又如在“基因指導蛋白質的合成”這一節中，遺傳信息的轉錄和翻譯是這一節的核心概念，其他相關聯的概念有：DNA和RNA分子結構的異同，RNA的種類和功能，遺傳密碼子和反密碼子的組成和區別等。在教學過程中，教師要充分利用教材插圖引導學生自主構建以轉錄和翻譯兩個過程為核心的概念模型，讓學生形成知識網絡，解決知識零散殘缺等問題，讓學生在理解多個知識點的基礎上，形成知識之間的內在聯系，從而構建出完整的基因指導蛋白質的合成概念模型。在教學中，首先構建“DNA和RNA的區別”的概念模型，通過設置問題串引導學生自主閱讀教材：①DNA和RNA在組成單位、結構、功能和分布上有什么區別；②為什么RNA適合作DNA的信使；③RNA有哪幾種，它們的功能分別是什么；接著充分利用課本插圖幫助學生深入理解重要概念，培養學生識圖、辨圖和析圖的能力，構建出“DNA和RNA的區別”的概念，在整個過程中也滲透結構和功能相適應的生命觀念。再構建“遺傳信息的轉錄”的概念模型，教師引導學生閱讀教材，結合教材轉錄插圖和文字，通過思考相關問題串：①圖中真核細胞中，轉錄的場所是在哪里，是整條DNA鏈的完整轉錄，還是片段的轉錄？②圖中轉錄時DNA雙鏈有全部解開嗎，是用DNA的哪一條鏈作為轉錄的模板？③游離的核糖核苷酸是怎樣結合到模板鏈上，遵循什么原則，轉錄時需要什么條件，轉錄的結果一定是形成mRNA嗎？引導學生通過問題串閱讀并描述出轉錄的概念，歸納轉錄的場所、模板、條件、原料、遵循的原則等知識，通過深入理解概念后，指導學生構建及修正形成“遺傳信息的轉錄”的概念模型。接著繼續構建“遺傳信息的翻譯”的概念模型，同樣教師引導學生閱讀教材，結合教材翻譯插圖和文字，通過思考相關問題串：①mRNA進入細胞質后，需與什么細胞器結合才開始合成蛋白質，從mRNA的什么位置開始翻譯的？②游離在細胞質的氨基酸，需要誰的攜帶才能進入核糖體，最多能同時進入幾個？③翻譯時遵循什么原則？需要什么條件？翻譯時的啟動、延伸、終止是如何實現的，產物是什么？引導學生閱讀教材理解翻譯的場所、模板、條件等相關概念，構建及修正形成“遺傳信息的翻譯”的概念模型。最后通過給出一段DNA片段讓學生寫出以其中DNA的一條鏈為模板得到轉錄的結果，接著讓學生結合密碼子表依據相關密碼子對應的氨基酸關系，體驗翻譯的過程。通過學生畫基因的表達過程簡圖，讓學生親身體驗遺傳信息的轉錄和翻譯的模型構建過程，這樣增強學生的課堂參與度，激發學生主動探索知識的樂趣；同時也加深對重要概念的深度理解，提升學生的建模思維和能力。

所以在遺傳知識的學習中，通過對重要概念及相關概念進行梳理，將各方面知識貫穿起來構建概念模型，有利于學生將碎片化的概念系統化，將零散的知識結構化，實現對獲取的知識歸類整合，對重要概念的深度理解，最終形成系統和完整的知識體系。并在此過程提升了歸納和概括，模型和建模等科學思維能力，促進學生生物學核心素養的提高。

三、構建數學模型，揭示事物本質，培養學生的理性思維

數學模型是聯系實際問題與數學的橋梁，它能有效地發現和解決問題，探索新規律，因此利用好數學模型能更好地解釋一些復雜難以理解的生物知識。在高中生物教學過程中，通過分析具體事物或需要理解的現象，運用合適的數學形式來構建數學模型，把抽象的生物問題變得具體化，然后再通過知識點的轉化和提取，變為我們熟悉的內容，再總結歸納出數學規律，獲得特定的數學形式，從而全面推動學生學習效率的提升，實現深度學習。例如“減數分裂”是高中生物教學中的重要內容，也是其中一個難點，對于染色體、染色單體、DNA的變化，學生掌握普遍模糊，容易混淆，常常出錯。在這部分內容的教學時，教師可先播放減數分裂過程的視頻，學生觀察各時期染色體行為變化，讓學生有一個感性認識。然后引導學生利用教材中的減數分裂的過程圖分析各時期染色體行為的變化，并結合對聯會、交叉互換、四分體等相關概念的理解，以同源染色體、染色體、姐妹染色單體的變化繪制減數分裂模式圖，這實際上是物理建模的過程。接著據圖分析不同時期的同源染色體、染色體、染色單體以及DNA數量變化的特征，尋找其增加或減少的原因，構建出染色體、DNA數量變化的數學模型，實現對其變化的本質深入理解。再進一步引導學生將構建出來的模型轉變成染色體、DNA數目變化的曲線圖或柱狀圖，通過模型的轉變，提升學生的建模能力，也深化學生對減數分裂數學模型的理解，實現深度學習。最后教師也可結合有絲分裂，讓學生回憶有絲分裂的過程，分析比較兩者之間的異同點，從而有效區分兩個分裂過程，加深對這兩部分知識的理解，實現深層次教學。

遺傳學的許多知識都涉及到數學的計算問題：比如利用遺傳定律進行概率的計算，特殊比例的應用，后代發病率，遺傳平衡定律等，這些涉及學科知識間的綜合，對學生能力要求更高，如果在教學過程中引導學生根據知識構建曲線模型、概率模型等數學模型來突破遺傳計算的復雜問題，實現學科之間知識的融合，發展學生的生物素養。所以培養學生構建數學模型，能實現學生多角度思維和探究能力的提升，解決問題和思維拓展能力的鍛煉，真正達到核心素養的升華。

綜上所述，高中生物教學中運用模型建構的方法將具體的知識構建成物理、概念或者數學模型，是優化教學行之有效的方式。教師教學中應當深化對模型構建教學模式的認知與把握，以提升學生的學科核心素養為出發點，并根據教學內容采用合適的模型引導學生建模，讓學生學習、思考與探究，從而降低教學難度，豐富教學形式和趣味性，實現深度學習，并促進學生核心素養的綜合發展，使生物核心素養最終落地生根。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準：2017版[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]金爽.基于深度學習的生物模型建構學習策略[J].天津教育，2020（10）：45-46.

[3]普通高中課程標準實驗教科書.生物2.必修.遺傳與進化[M].北京：人民教育出版社，2007.

作者簡介：

鄧宜新（1982年1月—），男，漢族，福建永安人，大學本科學歷，中學一級職稱，研究方向：高中生物教學。