類比模型在高中遺傳學(xué)核心概念教學(xué)中的應(yīng)用

陳穎芳++張鋒

摘 要 在高中遺傳學(xué)核心概念教學(xué)過程中，充分利用類比模型建構(gòu)課堂的教學(xué)，能實(shí)現(xiàn)遺傳學(xué)核心概念所表征的事物簡化或抽象化，并且促使學(xué)生深刻理解遺傳學(xué)核心概念的內(nèi)涵和本質(zhì)。

關(guān)鍵詞 遺傳學(xué) 類比模型 概念教學(xué)

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

遺傳學(xué)是生物學(xué)重要的分支，是基礎(chǔ)教育生物學(xué)的重要內(nèi)容。理解掌握遺傳學(xué)的核心概念不僅有助于學(xué)生理解生命的延續(xù)和發(fā)展，還能提高學(xué)生的邏輯思維能力和生物科學(xué)素養(yǎng)。開展高中遺傳學(xué)核心概念的教學(xué)不能僅僅依靠學(xué)生背誦記憶細(xì)枝末節(jié)的信息或事實(shí)，而是需要引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家那樣積極主動(dòng)參與探究，深入理解從大量事實(shí)中概括出的抽象規(guī)律和原理。

建構(gòu)模型的過程是一個(gè)探究的過程，可以使學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的形成深入理解。類比模型及其建構(gòu)是開展高中遺傳學(xué)核心概念教學(xué)的重要的學(xué)習(xí)方法。

1 類比模型簡述

類比模型就是基于相似屬性，用人們熟悉的事物類比和表征不熟悉的事物。從學(xué)生已知的、熟悉的、容易理解的事物模型中找到可比的共性，并讓學(xué)生在學(xué)會(huì)模仿的基礎(chǔ)上，歸納、類比到相應(yīng)的模型當(dāng)中，將各個(gè)知識(shí)點(diǎn)與模型中熟悉的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)類比，從而更好地幫助學(xué)生接受和理解新的事物。

2 運(yùn)用類比模型傳遞遺傳學(xué)核心概念

概念是由眾多事實(shí)歸納推理分析得出的，因此核心概念教學(xué)也應(yīng)該是建立在事實(shí)感知的基礎(chǔ)上。而遺傳學(xué)核心概念所表征的事物DNA、基因等往往微觀且抽象，通過對(duì)生物原型的簡化和純化，以形象化方法建構(gòu)的生物模型，能使研究對(duì)象直觀化。學(xué)生可以根據(jù)模型，推測(cè)原型的未知屬性、并發(fā)現(xiàn)問題，從而認(rèn)識(shí)事物中所蘊(yùn)含的規(guī)律。例如，用毛線類比染色質(zhì)，毛線團(tuán)類比染色體可以讓學(xué)生直觀理解“染色質(zhì)和染色體是同一物質(zhì)在不同時(shí)期的兩種表現(xiàn)形式”。

基于劉恩山等提出的類比模型建構(gòu)的一般程序和指導(dǎo)策略，下面以人教版高中生物必修2第三章第二節(jié)“DNA分子的結(jié)構(gòu)”核心概念教學(xué)為例，呈現(xiàn)類比模型建構(gòu)的一般過程。

2.1 明確類比模型建構(gòu)的目的

本節(jié)課的核心概念為：DNA分子是由四種小分子（脫氧核苷酸）組成的長鏈，兩條反向平行的長鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。針對(duì)這一核心概念，依托類比模型的建構(gòu)，圍繞DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的科學(xué)研究歷程，設(shè)計(jì)學(xué)生建模活動(dòng)，通過形象生動(dòng)的類比模型將DNA這一微觀、抽象的物質(zhì)直觀化形象化，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和進(jìn)一步培養(yǎng)他們探究能力。

2.2 初步選擇類比模型表達(dá)方式

在高中遺傳學(xué)的教學(xué)實(shí)踐中，教師常常用雙條電話線、螺旋樓梯等模型來類比DNA，這些模型雖然可以幫助學(xué)生形象理解DNA雙螺旋空間結(jié)構(gòu)，但是學(xué)生對(duì)于基本組成單位脫氧核苷酸如何構(gòu)成DNA雙鏈仍然缺少感性的認(rèn)識(shí)。磷酸、脫氧核糖、堿基具有復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)，教師可選擇DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型組件中的白色小球、藍(lán)色小球、帶凹凸的圓柱將其展示出來。

學(xué)生親手利用模型盒中的組件制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，不僅能再現(xiàn)課堂教學(xué)中難以直接觀察到的DNA分子的結(jié)構(gòu)，還可以在模型制作過程中體驗(yàn)形象化具體化的過程，加深對(duì)DNA分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)和理解。

2.3 類比模型的建構(gòu)

類比模型建構(gòu)的主要過程可以簡化為“FAR（聚焦-行動(dòng)-反思過程）”，具體如下：

Focus（聚焦）：類比模型的建構(gòu)并不是進(jìn)行單純的手工活動(dòng)，因此進(jìn)行類比模型建構(gòu)的過程初始，教師應(yīng)該關(guān)注并引導(dǎo)學(xué)生思考已學(xué)概念與本節(jié)課核心概念之間的聯(lián)系，讓學(xué)生明確類比模型建構(gòu)的目的。同時(shí)，在師生共同查閱資料基礎(chǔ)上，教師要盡量創(chuàng)造一個(gè)真實(shí)的情境，鼓勵(lì)學(xué)生像科學(xué)家一樣思考，制作模型。

通過課前布置學(xué)生復(fù)習(xí)必修一第二章第三節(jié)“遺傳信息的攜帶者”和預(yù)習(xí)本節(jié)課初始的學(xué)習(xí)任務(wù)：閱讀課本中DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的科學(xué)研究歷程，以小組為單位，應(yīng)用A型DNA的X射線衍射圖譜、B型DNA的X射線衍射圖譜等科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，建構(gòu)DNA結(jié)構(gòu)模型。這樣讓學(xué)生熟悉所要制作的DNA類比模型，為接下來模型建構(gòu)打下良好的基礎(chǔ)。

Action（行動(dòng)）：在學(xué)生建構(gòu)DNA類比模型過程中，教師要注意引導(dǎo)學(xué)生觀察思考模型盒提供的材料如白色小球、帶凹凸的圓柱等所類比的物質(zhì)；注意引導(dǎo)學(xué)生討論DNA與脫氧核苷酸的關(guān)系，DNA類比模型與DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)間的相似性，從而不斷強(qiáng)化學(xué)生建模過程中的思維能力。

課堂上教師以“基本單位—單鏈—平面雙鏈—立體空間結(jié)構(gòu)”為任務(wù)驅(qū)動(dòng)，采取“分步走”策略，逐步深入。學(xué)生以小組為單位根據(jù)資料信息利用模型盒中的組件嘗試建構(gòu)DNA結(jié)構(gòu)模型。

需要指出的是：在模型的建構(gòu)活動(dòng)二、三、四過程中，教師要注重引導(dǎo)激發(fā)學(xué)生分析科學(xué)研究歷程中關(guān)鍵的信息，不斷檢驗(yàn)修正建構(gòu)的DNA模型。

資料1：對(duì)富蘭克林拍攝的DNA之B型X射線衍射照片的分析表明DNA分子是由脫氧核苷酸組成的長鏈。

資料2：磷酯鍵是結(jié)合力最強(qiáng)的共價(jià)鍵。

學(xué)生在分析上述兩則資料的基礎(chǔ)上，明確相鄰脫氧核苷酸的核糖和磷酸脫水縮合形成脫氧核苷酸長鏈，并能順利進(jìn)行活動(dòng)二，準(zhǔn)確建構(gòu)脫氧核苷酸單鏈的結(jié)構(gòu)模型。

資料3：堿基疏水，脫氧核糖和磷酸親水，而DNA在細(xì)胞內(nèi)始終處于水環(huán)境中。

資料4：DNA分子半徑是約10[A] 。并提供四種含氮堿基結(jié)構(gòu)式。

資料5：劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)系研究生格里菲斯應(yīng)用量子力學(xué)和化學(xué)鍵理論計(jì)算不同堿基間的吸引力大小以及如何搭配才能使分子趨于最穩(wěn)定，理論計(jì)算表明A吸引T，G吸引C。

資料6：1952年，奧地利生物化學(xué)家查哥夫?qū)Χ喾N動(dòng)物體內(nèi)的堿基含量進(jìn)行分析，提出A=T、G=C。

資料7：對(duì)富蘭克林拍攝的DNA之B型X射線衍射照片的分析表明A-T堿基對(duì)與G-C堿基對(duì)長度相等，又恰恰與DNA分子的直徑相當(dāng)。

模擬游戲：1名學(xué)生模擬脫氧核苷酸，讓兩列的學(xué)生先各自組成一條脫氧核苷酸鏈，然后再構(gòu)建成雙鏈結(jié)構(gòu)。

學(xué)生在分析資料3～7和進(jìn)行模擬游戲基礎(chǔ)上，提取如下相關(guān)信息并構(gòu)建DNA平面結(jié)構(gòu)模型：① DNA分子由脫氧核糖和磷酸交替連接排列在外側(cè)，構(gòu)成基本骨架，堿基排列在內(nèi)側(cè)；② 堿基遵循堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，通過氫鍵連接成堿基對(duì)；③ DNA分子是由兩條脫氧核苷酸長鏈組成的，這兩條鏈以反向平行方式排列。

資料8：對(duì)富蘭克林拍攝的DNA之B型X射線衍射照片的分析還表明：直線的間距是DNA分子重復(fù)單元（一個(gè)完整的螺旋）的間距；堿基對(duì)的間距是3.4[A] ；每個(gè)完整的螺旋高度是34[A] 。

最終，學(xué)生形成“DNA分子盤旋成雙螺旋結(jié)構(gòu)，每個(gè)螺旋里含10個(gè)堿基對(duì)”這一結(jié)論，并準(zhǔn)確建構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。

通過這樣“點(diǎn)—面—線—立體”建構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)類比模型的過程，最終促進(jìn)學(xué)生對(duì)DNA結(jié)構(gòu)知識(shí)的學(xué)習(xí)和深入理解，同時(shí)使學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家善于捕獲、分析信息的能力，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S品質(zhì)及持之以恒的科研精神。

Reflection（反思）：學(xué)生基于其自身建構(gòu)的類比模型開展小組或全班的討論，教師需要引導(dǎo)學(xué)生在展示、交流和表達(dá)中分析建構(gòu)的類比模型科學(xué)準(zhǔn)確與否，是否需要再修正，同時(shí)比較各組DNA模型，找出模型間的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)，進(jìn)而總結(jié)出DNA模型因堿基的數(shù)目、排列順序不同而存在差異，推導(dǎo)出堿基對(duì)數(shù)目和堿基對(duì)排列方式的數(shù)學(xué)模型，有效地幫助學(xué)生由感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)、由具體到抽象深刻理解DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)多樣性、特異性與穩(wěn)定性的特點(diǎn)。

3 類比模型選擇與建構(gòu)過程中應(yīng)注意的問題

類比模型建構(gòu)的合理應(yīng)用有助于學(xué)生個(gè)性的發(fā)展和潛能的開發(fā)，強(qiáng)化了與數(shù)學(xué)、物理等學(xué)科的內(nèi)在聯(lián)系，加強(qiáng)了理科思維的培養(yǎng)，提高了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。然而，在不同學(xué)習(xí)任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下，教師需要靈活選擇類比模型的表達(dá)方式，注意多種類比模型呈現(xiàn)的時(shí)機(jī)和順序，以便更符合學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)結(jié)構(gòu)與認(rèn)知規(guī)律。

例如，雖然教師在前面的學(xué)習(xí)中指導(dǎo)學(xué)生利用DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型組件制作出形象直觀的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)類比模型，但在接下來一節(jié)“DNA的復(fù)制”中“DNA的復(fù)制方式的發(fā)現(xiàn)”這一科學(xué)史教學(xué)時(shí)，可以進(jìn)一步簡化DNA的類比模型，用線與線段將DNA復(fù)制的方式直觀化形象化。

其次，要讓學(xué)生明確的知道類比模型和原型之間是存在差異的，對(duì)于不同的類比材料，它們的差異程度有較大的區(qū)別。教師在教學(xué)的過程中，要注意引導(dǎo)學(xué)生比較簡化的類比模型和所類比概念間的不同屬性，以免使學(xué)生形成錯(cuò)誤的概念。例如，教學(xué)中，教師經(jīng)常用三葉草結(jié)構(gòu)模型類比tRNA的分子結(jié)構(gòu)，學(xué)生在關(guān)注到單鏈tRNA折疊成三葉草結(jié)構(gòu)的同時(shí)往往誤認(rèn)為組成tRNA的核糖核苷酸之間不形成氫鍵。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張穎之，劉恩山.核心概念在理科教學(xué)中的地位和作用——從記憶事實(shí)向理解概念的轉(zhuǎn)變[J].教育學(xué)報(bào)，2010，6（1）：57-61.

[2] 趙萍萍，劉恩山.科學(xué)教育中模型定義及其分類研究述評(píng)[J].教育學(xué)報(bào)，2015，11（1）：46-53.