模型建构在高中生物学概念教学中的应用
——以概念“染色体组”的教学为例

寇小永 窦继红

（1.定西市安定区交通路中学 甘肃定西 743000）

（2.西北师范大学第二附属中学 甘肃兰州 730070）

概念教学是以纠正、补充、完善学生的前概念，建构正确的知识网络为目标，将信息整合到综合的、复杂的认知结构中的过程。概念教学模式是“建构性教学”，学生有着大量的前科学概念知识，概念的建构就是要依靠学生原有的前科学概念知识，不断建构新的科学概念体系。该教学模式主要包括4个阶段（图1）。在定向与探索阶段，教师应通过诊断、不断暴露出学生的前科学概念；在建构与交流、解释与拓展阶段，纠正学生的前科学概念，同时促进学生建构新的科学概念体系；反思与评价放在模式的中心，旨在对其他三阶段进行准确的反思与评价，形成教学过程性评价。

图1 科学概念的建构性教学模式

模型是人们对认识对象所作的一种简化的概括性描述，主要包括物理模型、概念模型和数学模型等。模型一般与真实物体、单一事件或一类事物相对应，与原型相比，模型形象、直观，是具有解释力的试探性体系或结构，能够对原型进行表征和解释，是原型的抽象化，也是理论知识的具体化。模型和原型的关系如图2所示。

图2 模型和原型的关系

在高中生物学必修2“染色体变异”一节教学中发现，学生对“染色体组”的概念理解存在困难。下文应用“基于模型建构的概念转变教学模式”，通过引导学生构建物理模型和概念模型，帮助学生突破这一概念的理解，进而区分“单倍体”“二倍体”“三倍体”“多倍体”等概念。

1 教学内容分析

“染色体变异”一节属于高中生物学人教版新教材必修2第五章第二节内容，本章内容共包括3节。在学习本节内容前，学生已经学习了“基因突变和基因重组”的内容，为学习本节内容奠定了基础；本节内容的学习为第三节“人类遗传病”的学习作铺垫。因此，本节内容在本章的学习中具有承上启下的作用。在教学中发现，学生对“染色体组”这一概念难以理解，经常混淆“单倍体”“二倍体”“三倍体”“多倍体”等概念，导致对“基因突变和基因重组”等内容之间的关系理解不清，且难以厘清“人类遗传病”的致病机理。教师将物理模型构建融入概念教学的过程，从本质上引导学生理解“染色体组”这一概念，能够突破本节重难点，引导学生建构本节内容概念体系。

2 模型构建在生物学概念教学中的应用

模型建构教学是一种基于模型的学习过程，即4个阶段的循环：聚焦学生心理模型中的错误概念；引发学生的认知冲突；类比推理，建构新模型；使用新模型，进行科学推理。而物理模型具有化难为易的功能，本身是具有一定逻辑意义的学习材料，物理模型制作的过程也是学生积极主动探究的过程。在教学过程中，模型可以是新旧知识有意义联系的载体，教师通过展示模型或让学生自主建构模型，加深学生对概念的理解。

2.1 聚焦学生心理模型中的错误概念，引发认知冲突

图3为雌、雄果蝇体细胞的染色体图解，教师据此指导学生制作物理模型，模拟雌果蝇的一个体细胞中染色体变化。教师同时让每个小组课前准备一张A4纸，将其四周折起做成一个白纸盘，将模拟雌果蝇体细胞中8条染色体的纸片散乱分布在白纸盘中（图4），用黑色纸代表来自父方的染色体，白色纸代表来自母方的染色体，另制作一个稍大型的8条染色体软磁铁模型教具贴在黑板上。教师先让每个小组的学生将散乱分布的8条染色体进行自由分组，指出每组的染色体数量及分类方法。此时，教师会发现有些小组学生将形状、大小相同的摆放在一起，分出4个组，即找出了同源染色体，这与“染色体组”的概念及“果蝇是二倍体”明显矛盾；有些小组学生只是将同一颜色的染色体分在一组，无法想到随机组合，这是因为学生平时有思维定式，认为形态结构或功能相同的物体才能分在一个组里。教师设问：在一个染色体组里的所有染色体在形态和功能上各不相同，是一组非同源染色体，并没有包含某一物种的全部染色体，为何却携带有控制本物种生长发育、遗传变异的全部遗传信息？这对于抽象逻辑思维由“经验型”向“理论型”转化、辩证思维能力不完全成熟的高中生来说很难理解。利用这一活动，教师引发学生认知冲突。

图3 雌、雄果蝇体细胞的染色体图解

图4 雌果蝇染色体组的模型

2.2 建构新模型，构建科学概念

在学生产生认知冲突后，教师告诉学生，果蝇属于二倍体，体细胞中非同源染色体应该有2套，产生的配子应该包含其中一套非同源染色体。教师让学生再次进行分组，找出一个染色体组。在此过程中，教师引导学生依据基因自由组合规律的实质及同源染色体在减数分裂过程中的行为特征，抓住同源染色体在减数第一次分裂后期发生分离这一关键点，从而使学生深入理解减数分裂形成配子种类的本质，认识到在雌果蝇产生的卵细胞中，每对同源染色体会随机的保留其中之一。具象的染色体模型有利于学生转变思维定势，将新旧知识间建立实质性的联系，深刻理解染色体随机分配的过程及不同染色体组的共性。学生分析、讨论后，得出概念：细胞中的一组非同源染色体，在形态和功能上各不相同，但又相互协调，共同控制生物的生长、发育、遗传和变异，这样的一组染色体为一个染色体组。

2.3 进行科学推理，突破概念“染色体组”

表1为教材中提供的马铃薯和香蕉的染色体数目表，表中已经给出体细胞染色体数和体细胞非同源染色体数，教师要求学生填出配子染色体数，以厘清三者之间的关系。例如，马铃薯野生祖先的体细胞染色体数为24条，体细胞非同源染色体包括2套，配子染色体数有12条，每套非同源染色体称为一个染色体组，则有2个染色体组，称为二倍体。

表1 马铃薯和香蕉的染色体数目表

据此，学生能够通过更多实例，理解染色体组及几倍体的判断方法。教师总结：对于由受精卵发育成的正常生物体而言，其体细胞中含有几个染色体组就称其为几倍体。学生自主建构单倍体、二倍体和多倍体的概念。

2.4 组织概念体系，构建概念模型

学生理解“染色体组”的基础上，再学习“染色体数目的变异”和“染色体结构的变异”，更易于理解染色体数目的变异。教师引导学生构建的关于“染色体数目的变异”概念图，如图5所示。

图5 关于“染色体数目的变异”概念图

3 总结反思

“模型与建模”是一种科学思维方法，有利于培养学生的科学探究能力。在建构模型时，老师不仅要重视静态的模型内容和模型知识的学习，更应该重视动态的建模过程，引导学生在学习的过程中学会运用模型和建模的方法探讨、阐释生命现象及规律，加深对生物学概念的理解和迁移。教师应引导学生学会综合运用各种建模的方法，不去“套模”，学会灵活“建模”，并对模型进行适当的修正与重建，才是模型建构教学的关键。

物理模型具有直观性、简洁性，便于动态展示的特点，适合学生认知发展水平和心理特征的需要。物理模型在生物概念教学中，可以将复杂的过程、抽象的客观事实及概念的实质形象的展示出来；以物理模型为载体，能促进学生更好地进行概念转变，深度学习。在本节教学中，教师让学生通过建构物理模型理解“染色体组”的概念及与“倍体”的关系，进而迁移理解“染色体数目变异”和“染色体结构变异”的过程。本节课以“减数分裂”“有丝分裂”的学习为基础，结合物理模型，理清染色体数目变异可能出现的情况，引导学生组织概念，建构概念体系。此过程能够使学生思维过程可视化，利于提升学生科学思维和科学探究能力，建构概念体系，突破教学重难点及对生物学概念的深化理解，促进学生生物学学科核心素养发展。