基于模型构建对遗传学进行深度学习

【摘要】遗传学是高中生物教学的核心也是难点所在，学习难度大，学生对这块知识畏难情绪较重。本文通过介绍模型构建方法用于遗传学的教学，根据生物知识的不同选择合适的生物模型。通过模型构建改变学生的学习方式，加强学生课堂的主动性，从而有效突破教学重难点，增强学生的创新能力和实践动手能力。同时模型构建过程中有利于培养学生的科学思维，打破学生的思维壁垒、促进学生深入理解知识，实现深度学习，最终实现学生学习效率的提高和学科核心素养的全面发展。

【关键词】模型构建  深度学习  科学思维  核心素养

【基金项目】本文为永安市级2021年立项课题《基于科学思维培养的生物模型构建研究》的研究成果，课题立项编号：YAKT2021104。

【中图分类号】G633.91   【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2023）03-0178-03

《普通高中生物学课程标准》以发展学生生物学核心素养为导向，通过生物课程的学习，让学生能够运用生物学知识探索生命规律，寻找知识的内在联系和规律，领悟学科的本质和思想方法，形成科学思维，实现立德树人的根本目标[1]。遗传学作为高中生物的核心知识，一直都是教学中突出的难点，学生存在对遗传相关概念和术语理解不透彻，对基本规律本质认识不深刻，知识遗忘率高和碎片化严重等问题，导致对概念无法内化，知识网络不完整，思路不清晰，信息获取能力不强，学生“谈遗色变”，畏难情绪重。如何解决这一难题，一直是高中生物老师研究的重点。在高中生物学新课标的核心素养要求中，模型和建模是发展学生科学思维的有效手段之一，通过合理模型构建可以加深对原型特点的认识和理解，让学生经历知识的发现过程，体验建立模型的思维过程和科学方法[2]。所以在遗传学的教学中合理应用模型建构能更好地提升学生科学思维。

生物模型有多种，在高中生物教学中最常用的模型有物理模型、概念模型和数学模型。在教学中，根据遗传学的具体内容选择合适的模型，能有效实现科学思维与核心知识的有机结合，知识的学习与知识迁移综合起来，运用知识解决问题的能力和经验的拓展整合起来，从而更好地理解遗传相关术语与概念，加深对基本规律的认识，減轻学生的学习压力，增强学生分析和解决问题的能力，提升学生创新和实践能力，为学生学好遗传并实现综合发展提供保障，最终达到学生的深度学习和提高学科核心素养的目的。

一、构建物理模型，引导学生发现规律，培养学生的科学思维

物理模型在生物教学中的运用很广泛，作用也很大，它将某些抽象的知识通过找寻内部本质的联系，转化成形象直观的物象，实现学生对客观事物认识的拓展和深化。在教学中利用课本素材进行模型构建，并加以改造，可提高学生对知识的理解。

例如在“性状分离比的模拟实验中”，引导学生构建配子比模型：用甲、乙两个小桶分别代表雌、雄生殖器官，甲、乙小桶内的彩球分别代表雌、雄配子，分别从两个小桶内随机抓取一个小球，模拟生物在生殖过程中，雌、雄配子的随机组合[3]。在模拟实际生殖过程中，甲、乙两个小桶中小球总数可以不等（原因是在生物实际生殖过程中雄性产生的配子数远远大于雌性产生的配子数），但两种彩球在甲、乙两个小桶中的比例确保1：1，表示产生不同配子的几率一样。在教学中，通过对该模型进行改造，可以提升学生对物理模型的构建能力。比如改造成模拟测交实验模型：只要将一个小桶装一种颜色的小球，另一个装两种颜色的小球，其他模拟过程不变。还可以进一步改造，比如模拟控制两对相对性状的杂合子（AaBb×AaBb）基因自由组合模型：在甲桶放置等数量的黑白彩球，代表A，a两种基因，在乙桶放置等数量红黄彩球，代表B，b两种基因，分别从甲、乙小桶中抓取小球模拟等位基因的分离，将甲、乙抓取的小球放在一起又可模拟非等位基因的自由组合。这一模型形象生动地阐释了分离定律和自由组合定律，有利于学生深入理解两大定律实质。通过这样的模型构建，学生既动手又动脑，使课堂变得生动有趣，又让学生在模型构建中发现规律，提升了思维能力。

再如DNA双螺旋结构是典型的物理模型，在教学中可以引导学生充分利用教材中的科学史构建物理模型。教师以科学家的研究故事为背景，通过优化课程资源引导学生分析科学史的相关资料：将沃森、克里克建立DNA 双螺旋结构模型的研究过程转变为学生边分析资料边构建物理模型的探究过程，让学生沿着科学家的足迹边建模边修正，在构建模型过程中发现问题，共同讨论、及时纠正，尝试建构多种双螺旋和三螺旋结构模型，然后对模型进行评价、修正、完善，最后得到正确的DNA分子结构模型。这样就把知识的传授过程优化成为一个科学的探究过程，让学生沿着科学家的思维和方法去感知和探索，同时用构建模型的方法去解决问题，领悟到科学知识的真谛。整个过程提高了学生科学探究能力，开发了学生的思维，培养学生的空间想象能力，让学生进行深度学习。在教学中只要对教材中已有的模型充分利用和深入挖掘，并加以分析改造，使之更易于学生找到知识的本质联系，理解生物学规律，促进学生的深度学习。

二、构建概念模型，形成知识结构体系，提升学生的科学思维

概念学习不是单纯机械性的记忆过程，而是一个理解的过程，学生对概念的学习需要逐步深入和提高，要挖掘其内涵和外延。遗传学中有很多相关概念，有很大的关联性，学生如果不能对概念理解透彻，容易将不同概念混淆，而造成理解的误区。如能以核心概念为中心发展形成概念模型，更能加深学生的理性认识，实现深入理解概念间的内在与联系，提升学生的科学思维。学生还能清晰把握此概念在概念层次中的位置，以及这个概念和其他概念的关联，在概念之间形成逻辑关系，有助于学生记忆和理解，进行深度学习。比如以核心概念基因与性状为例，基因的相关概念包括基因、等位基因、非等位基因、显性基因、隐性基因等；性状的相关概念包括性状、相对性状、显性性状、隐性性状、性状分离等；与它们有关联的概念包括基因型、表现型、纯合子、杂合子等。将核心概念基因和性状作为要点构建概念模型时，让学生学会整合有关概念的基本内容和拓展内容，理解相关概念之间的关系。这样遗传学中的基本概念都可以清楚阐述，实现构建基因和性状完整知识结构。

这个过程同时也将与分离定律有關的核心概念阐述清楚，为自由组合定律、伴性遗传、变异与育种等知识点的学习奠定了扎实的概念基础。

又如在“基因指导蛋白质的合成”这一节中，遗传信息的转录和翻译是这一节的核心概念，其他相关联的概念有：DNA和RNA分子结构的异同，RNA的种类和功能，遗传密码子和反密码子的组成和区别等。在教学过程中，教师要充分利用教材插图引导学生自主构建以转录和翻译两个过程为核心的概念模型，让学生形成知识网络，解决知识零散残缺等问题，让学生在理解多个知识点的基础上，形成知识之间的内在联系，从而构建出完整的基因指导蛋白质的合成概念模型。在教学中，首先构建“DNA和RNA的区别”的概念模型，通过设置问题串引导学生自主阅读教材：①DNA和RNA在组成单位、结构、功能和分布上有什么区别；②为什么RNA适合作DNA的信使；③RNA有哪几种，它们的功能分别是什么；接着充分利用课本插图帮助学生深入理解重要概念，培养学生识图、辨图和析图的能力，构建出“DNA和RNA的区别”的概念，在整个过程中也渗透结构和功能相适应的生命观念。再构建“遗传信息的转录”的概念模型，教师引导学生阅读教材，结合教材转录插图和文字，通过思考相关问题串：①图中真核细胞中，转录的场所是在哪里，是整条DNA链的完整转录，还是片段的转录？②图中转录时DNA双链有全部解开吗，是用DNA的哪一条链作为转录的模板？③游离的核糖核苷酸是怎样结合到模板链上，遵循什么原则，转录时需要什么条件，转录的结果一定是形成mRNA吗？引导学生通过问题串阅读并描述出转录的概念，归纳转录的场所、模板、条件、原料、遵循的原则等知识，通过深入理解概念后，指导学生构建及修正形成“遗传信息的转录”的概念模型。接着继续构建“遗传信息的翻译”的概念模型，同样教师引导学生阅读教材，结合教材翻译插图和文字，通过思考相关问题串：①mRNA进入细胞质后，需与什么细胞器结合才开始合成蛋白质，从mRNA的什么位置开始翻译的？②游离在细胞质的氨基酸，需要谁的携带才能进入核糖体，最多能同时进入几个？③翻译时遵循什么原则？需要什么条件？翻译时的启动、延伸、终止是如何实现的，产物是什么？引导学生阅读教材理解翻译的场所、模板、条件等相关概念，构建及修正形成“遗传信息的翻译”的概念模型。最后通过给出一段DNA片段让学生写出以其中DNA的一条链为模板得到转录的结果，接着让学生结合密码子表依据相关密码子对应的氨基酸关系，体验翻译的过程。通过学生画基因的表达过程简图，让学生亲身体验遗传信息的转录和翻译的模型构建过程，这样增强学生的课堂参与度，激发学生主动探索知识的乐趣；同时也加深对重要概念的深度理解，提升学生的建模思维和能力。

所以在遗传知识的学习中，通过对重要概念及相关概念进行梳理，将各方面知识贯穿起来构建概念模型，有利于学生将碎片化的概念系统化，将零散的知识结构化，实现对获取的知识归类整合，对重要概念的深度理解，最终形成系统和完整的知识体系。并在此过程提升了归纳和概括，模型和建模等科学思维能力，促进学生生物学核心素养的提高。

三、构建数学模型，揭示事物本质，培养学生的理性思维

数学模型是联系实际问题与数学的桥梁，它能有效地发现和解决问题，探索新规律，因此利用好数学模型能更好地解释一些复杂难以理解的生物知识。在高中生物教学过程中，通过分析具体事物或需要理解的现象，运用合适的数学形式来构建数学模型，把抽象的生物问题变得具体化，然后再通过知识点的转化和提取，变为我们熟悉的内容，再总结归纳出数学规律，获得特定的数学形式，从而全面推动学生学习效率的提升，实现深度学习。例如“减数分裂”是高中生物教学中的重要内容，也是其中一个难点，对于染色体、染色单体、DNA的变化，学生掌握普遍模糊，容易混淆，常常出错。在这部分内容的教学时，教师可先播放减数分裂过程的视频，学生观察各时期染色体行为变化，让学生有一个感性认识。然后引导学生利用教材中的减数分裂的过程图分析各时期染色体行为的变化，并结合对联会、交叉互换、四分体等相关概念的理解，以同源染色体、染色体、姐妹染色单体的变化绘制减数分裂模式图，这实际上是物理建模的过程。接着据图分析不同时期的同源染色体、染色体、染色单体以及DNA数量变化的特征，寻找其增加或减少的原因，构建出染色体、DNA数量变化的数学模型，实现对其变化的本质深入理解。再进一步引导学生将构建出来的模型转变成染色体、DNA数目变化的曲线图或柱状图，通过模型的转变，提升学生的建模能力，也深化学生对减数分裂数学模型的理解，实现深度学习。最后教师也可结合有丝分裂，让学生回忆有丝分裂的过程，分析比较两者之间的异同点，从而有效区分两个分裂过程，加深对这两部分知识的理解，实现深层次教学。

遗传学的许多知识都涉及到数学的计算问题：比如利用遗传定律进行概率的计算，特殊比例的应用，后代发病率，遗传平衡定律等，这些涉及学科知识间的综合，对学生能力要求更高，如果在教学过程中引导学生根据知识构建曲线模型、概率模型等数学模型来突破遗传计算的复杂问题，实现学科之间知识的融合，发展学生的生物素养。所以培养学生构建数学模型，能实现学生多角度思维和探究能力的提升，解决问题和思维拓展能力的锻炼，真正达到核心素养的升华。

综上所述，高中生物教学中运用模型建构的方法将具体的知识构建成物理、概念或者数学模型，是优化教学行之有效的方式。教师教学中应当深化对模型构建教学模式的认知与把握，以提升学生的学科核心素养为出发点，并根据教学内容采用合适的模型引导学生建模，让学生学习、思考与探究，从而降低教学难度，丰富教学形式和趣味性，实现深度学习，并促进学生核心素养的综合发展，使生物核心素养最终落地生根。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准：2017版[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]金爽.基于深度学习的生物模型建构学习策略[J].天津教育，2020（10）：45-46.

[3]普通高中课程标准实验教科书.生物2.必修.遗传与进化[M].北京：人民教育出版社，2007.

作者简介：

邓宜新（1982年1月—），男，汉族，福建永安人，大学本科学历，中学一级职称，研究方向：高中生物教学。