“遗传与进化”中模型方法教学策略的探讨

“遗传与进化”中模型方法教学策略的探讨

海万福

模型方法是生物学研究的一种重要方法。《普通高中生物课程标准（实验）》《2008年普通高等学校招生全国统一考试生物科考试大纲（课程标准实验版）》中对模型方法都有明确的要求和具体的表述，在根据《普通高中生物课程标准（实验）》编制的高中生物教材必修模块中，有很多模型或建立模型的教学活动设计。由此可见，模型方法在生物科学研究中具有重要的作用，模型方法的教学对提高学生生物科学素养具有十分重要的价值。

一、模型方法及其类型

根据人教版教材对模型方法的表述，模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所作的一种简化的概括性的描述方法。这种描述可以是定性的，也可以是定量的；有的借助于具体的实物或其他形象化的手段，有的则通过抽象的形式来表达。模型的形式很多，包括物理模型、概念模型、数学模型等。以实物或图画形式直观地表达认识对象的特征，这种模型就是物理模型。沃森和克里克制作的著名的DNA双螺旋结构模型，就是物理模型，它形象而概括地反映了所有DNA分子结构的共同特征。以概念图、关系图等抽象的形式来表述生物学现象、原理的特征，就是概念模型，如现代综合进化理论。数学模型则是用来描述一个系统或它的性质的数学形式，如种群增长模型。

二、模型方法的教学策略

新课程更强调学习是一个主动建构知识、发展能力、形成正确的情感态度与价值观的过程。建构主义学习理论认为，认知建构是通过新信息与原有知识经验的双向的相互作用而实现的，意义建构主要受三个条件的制约：学习材料本身的可理解性、学习者的先前知识水平、学习者的建构性加工活动如意思、总结、推理、提问等。这是模型方法的教学设计所必须要考虑的因素，也是模型方法的教学有针对性地选择相应策略的依据所在。同一生物学现象，可以有不同的模型；同一生物学模型，可以有不同的教学方法。不同的模型体现了不同的描述方法，不同的描述方法可以适合于不同学习风格类型的学生，在不同的学习阶段，针对学生学习的实际情况，也可以运用不同的模型方法的组合，来达到使学生对模型的理解有一个不断深化的过程，使学生的生物科学素养螺旋式上升的教学效果。

三、“生物2：遗传与进化”中的模型方法及其教学策略

（一）遗传的细胞基础

1.建立减数分裂中染色体变化的物理模型

用不同颜色的橡皮泥或纸片与胶带纸模拟减数分裂中的染色体，通过小组合作学习动态演示减数分裂中染色体行为的变化，在动手制作、配合演示、讲解说明、讨论交流与评价的过程中不断修改完善，集中达成减数分裂教学单元的过程与方法目标。理解减数分裂过程，关键是要达成以下四个目标：

（1）模拟减数分裂中染色体数目的变化；

（2）模拟减数分裂中同源染色体的分离；

（3）模拟减数分裂中同源染色体的交叉互换；

（4）模拟减数分裂中非同源染色体的自由组合。

2.建立减数分裂中染色体变化的数学模型

在已经建立了减数分裂中染色体数目、行为变化认识的基础上，要运用减数分裂的知识来解决相关问题，关键是抓住减数分裂中染色体数目和行为的变化这个核心。数目变化，如图1所示，Ⅰ表示减数分裂第一次分裂的分裂面位置，Ⅱ表示减数分裂第二次分裂的分裂面位置；行为变化，还是利用图1，标出2对同源染色体，3对不同位置的等位基因，讨论基因的分离规律、自由组合规律、连锁互换规律的细胞学基础。

教学策略：

（1）高一、高二教学宜采用物理模型，着眼于动手操作，理解过程易，记忆方式牢。

（2）高三复习教学宜采用数学模型，着眼于应用模型解决遗传变异问题，因为遗传变异问题的解决，最终大都要依赖于减数分裂与受精作用过程的分析。

图1

图2

例1：果蝇（2n=8）的两对性状：红眼（A）对白眼（a）为显性，位于X染色体上；长翅（B）对残翅（b）为显性，位于常染色体上。一只雄果蝇基因型为BbXaY，减数分裂时产生了一个BbbXa的精子，则来自于同一精原细胞的另外三个精子的基因型为。

参考答案：见图2，BXa，Y，Y。

（二）遗传的分子基础

1.制作DNA双螺旋结构的物理模型

用曲别针、塑料片或其他材料制作DNA双螺旋结构模型，加深对DNA分子结构特点的认识和理解。制作模型之前要考虑设计：（1）DNA具有怎样的立体结构？（2）DNA的基本骨架是怎样的？（3）DNA的碱基之间是如何配对的？模型制作完成之后要考虑回答：（4）DNA如何储存遗传信息？——排列顺序；（5）DNA如何维持结构稳定？——磷酸二酯键、氢键、碱基对平面间相互作用力；（6）DNA如何保持遗传连续？——半保留复制。

2.建立DNA双螺旋结构的数学模型

在学习了DNA结构、DNA复制、基因的表达、基因突变等内容之后，回过头来复习，就可以转换一种思路，用一个简单的数学模型，体现DNA分子结构的反向、平行、互补关系，解决相关的应用性问题，如图3所示。

教学策略：

（1）理解DNA结构组成方式、结构特点，宜采用物理模型，到位不越位。

（2）以DNA结构为基础，解决有关DNA复制、基因的表达、基因突变等应用性问题，宜采用数学模型，简洁直观。

例2：现有一待测核酸样品，经检测后，对碱基个数统计和计算的结果为：（A＋T）/（G＋C）=1，（A＋G）/（T＋C）=1，根据此结果，该样品（）

A.无法被确定是脱氧核糖核酸还是核糖核酸　　B.可被确定为双链DNA

C.无法被确定是单链DNA还是双链DNA　　　　　D.可被确定为单链DNA

参考答案：C。

（三）遗传的基本规律

1.自由组合规律的解释模型

（1）杂交实验分析：在假说演绎法的程序中，杂交实验分析应属于假说的范畴。

（2）测交结果预测：在假说演绎法的程序中，测交结果预测应属于验证的范畴。

测交：YyRr×yyrr→测交后代：YyRr∶yyRr∶Yyrr∶yyrr=1∶1∶1∶1

2.自由组合规律的数学模型

教学策略：

（1）理解自由组合规律、假说演绎的测交验证，宜采用自由组合规律的棋盘法解释模型。因为学生未必学习过概率统计的原理，用棋盘法更直观、简洁。

（2）解决遗传方式判断、基因型确定、遗传概率计算，宜采用自由组合规律的组合法数学模型。组合法可以结合加法原则、乘法原则的数学意义来讨论其生物学意义，因而可以承载更多的内容，如分离规律、自由组合规律、减数分裂的相关问题都有可能采用组合法加以解决。

例3：人眼的颜色（以下简称眼色）是由两对等位基因（AaBb）（二者独立遗传）共同决定的。在一个个体中，两对基因处于不同状态时，人的眼色如下表。现有一对黄眼夫妇。其基因型均为AaBb。请回答：

（1）这两对基因的行为___________（遵循、不遵循）基因的自由组合定律，后代呈现_______________（固定、不固定）的分离比。

（2）他们所生的子女中，理论上应有的表现型及比例为：________________。

（3）他们所生的子女中，能稳定遗传的个体的表现型及比例为：_________________。

参考答案：

（1）遵循　　固定

（2）黑色：褐色：黄色：深蓝色：浅蓝色=1∶4∶6∶4∶1

（3）黑色：黄色：浅蓝色=1∶2∶1

3.摩尔根关于果蝇白眼性状遗传的解释模型

（1）杂交实验分析

（2）测交结果预测：人教版教材涉及本实验的表述大段都在假说部分，验证部分仅一句话：“后来，摩尔根等人又通过测交等方式验证了该解释。”这一点必须要注意。

测交（正交）：XWXw×XwY→

测交后代：XWXw∶XwXw∶XWY∶XwY=1∶1∶1∶1

测交（反交）：XwXw×XWY→

测交后代：XWXw∶XwY=1∶1

教学策略：

（1）理解基因的传递规律、基因的传递方式，必须明确基因在染色体上的位置关系。如图4所示，三对等位基因Aa、Bb、Dd位于两对同源染色体上，由于基因在染色体上，因而基因的传递规律、基因的传递方式，取决于基因在染色体上的位置关系：

A—a：等位基因分离←同源染色体分离；

Aa—Dd：非同源染色体上的非等位基因自由组合←非同源染色体自由组合；

Aa—Bb：同源染色体上非等位基因连锁互换←同源染色体非姐妹染色单体间部分交换。

（2）解决遗传方式判断问题，可以按照“一对一对分析——通过‘有生无’或‘无生有’的特殊图解判断显隐性关系——通过隐性女性或显性男性推断染色体位置”的程序来分析。

图4

（四）生物的进化

1.模拟探究自然选择对种群基因频率变化影响的模型按照人教版教材P117探究程序实施即可，纯数学公式的推导可能最少在此时并不是一个很好的选择。

2.用数学方法讨论种群基因频率变化的模型

在一个种群中的个体对一对等位基因有AA=x，Aa=y，aa=z，则该种群的基因频率为：

A=（2x+y）/（2x+2y+2z）=p，

a=（2z+y）/（2x+2y+2z）=q，

p+q=1

若该种群为基因平衡的群体，则其子代的基因型频率和基因频率分别为：

AA=p2，Aa=2pq，aa=q2，p2+2pq+q2=1，

A=p，a=q，p+q=1

教学策略：

（1）遗传平衡的群体，必须要符合5个条件，很少见；随机交配的自然群体可以近似看成遗传平衡的群体，可以采用数学方法讨论种群基因频率的变化。如人群中的伴X染色体隐性遗传病（红绿色盲症）男患＞女患，伴X染色体显性遗传病（抗维生素D佝偻病）男患＜女患，有两种教学方法。

定性方法：

定量方法：

（2）自然选择对种群基因频率变化的影响，在一定程度上可以通过交配方式的变化来实现，因而必须特别注意交配方式的说明。