基于认识系统双重编码理论的“染色体数目变异”概念教学

王吉文

(江苏省南京市人民中学 南京 210005)

1 双重编码理论及其对生物学概念学习的启示

1.1 关于“双重编码理论” 双重编码理论由心理学家佩维奥提出，该理论认为大脑中存在两个功能独立却又相互联系的认知系统处理不同的信息：语言系统和非语言系统。语言与非语言的信息加工过程在信息的贮存、加工与提取中具有同样重要的作用。佩维奥还假定存在两种不同的表征单元：适用于心理映象的“图象单元”和适用于语言实体的“语言单元”；前者是根据部分与整体的关系组织的，而后者是根据联想与层级组织的[1]。

双重编码理论提出信息的三种加工类型：表征性、参照性和联想性。表征性即直接激活语词的或非语词的表征；参照性即利用非语词系统激活语词系统；联想性即在同一语词或非语词系统的内部激活表征。有时一个既定的任务也许只需要其中的一种加工过程，有时则需要三种加工过程。双重编码理论可用于许多认知过程，如记忆、问题解决、概念学习[1]。

1.2 双重编码理论对生物学概念学习的启示 学习是信息的读取、处理、储存和提取的过程。因而在学习过程中，教师如何呈现信息、呈现什么形式的信息和学生如何加工信息是影响学习效果的两个关键环节。双重编码理论的研究表明，同时以视觉和语言形式呈现信息能够增强记忆、识别和理解。而从生物学发展历程来看，很多重要的生物学概念的产生过程常和生物学家对各种包含丰富信息的相关“图”的研究过程有关。

例如，蔡斯利用噬菌体侵染大肠杆菌的电子显微镜照片来探究噬菌体结构特征；克里克利用DNA分子结构的X光衍射照片推测DNA分子结构等。因此，从概念学习的角度看，对于抽象的生物学概念，教师如能针对概念理解过程中的难点，创造性地设计相关“图”“文”信息，丰富必要的信息容量和呈现形式，辅以精心设计的问题，让学生通过多种思维活动(如分析、比较、归纳、推理和演绎等)加工视觉和语言信息，则能促进其主动发现概念的本质特征、建构生物学概念和提高迁移能力。

2 对“染色体数目变异”相关概念的教学建议

“染色体数目变异”所涉及的几个重要概念如染色体组、单倍体、二(多)倍体等内容抽象复杂、相互联系密切，学生难以理解概念的本质，产生诸如染色体组数目的判断、单倍体和二(多)倍体的区别等难点问题。那么，如何解决这些难点问题呢？笔者基于双重编码理论信息加工类型，以摩尔根发现的果蝇染色体数目变异为参考[2]，设计了相关图文信息组织教学。

2.1 关于建构“染色体组”概念的教学建议 教材中对“染色体组”的表述是：“细胞中一组非同源染色体，在形态和功能上各不相同，携带着控制生物生长发育遗传的全部遗传信息，这样的一组染色体，叫做一个染色体组。”通常学生对于“染色体组是由一组非同源染色体组成的”的理解没有问题，但教材上所提供的插图仅是果蝇体细胞及其配子染色体组成示意图，其上并无有关“基因”的信息，很多学生不能理解这一组非同源染色体为什么“携带着控制生物生长发育的全部遗传信息”？

因此，基于双重编码理论中“表征性”和“参照性”的信息加工方式特点，可设计“某雌果蝇体细胞染色体示意图”(图1)，教师提问：同源染色体相同位置的基因有何关系？你能根据减数分裂规律，选取并剪下图中染色体示意图，贴入事先准备好的空白卵细胞示意图中，以表示一个卵细胞中的染色体组成吗？学生通过小组合作完成卵细胞示意图的建构后，教师进一步提问：你所在的小组建构的果蝇卵细胞中染色体组成是什么？基因型是什么？和体细胞相比，果蝇卵细胞(配子)内染色体的存在方式有何不同？与体细胞相比，果蝇卵细胞内的基因种类有无变化？每种基因的数量呢？基因有什么功能？如果卵细胞中少了部分基因，一般情况下其受精后能否发育成正常个体？学生可在以上问题引导下分析信息，再综合各小组结果，通过其所获信息的刺激，让其非语词系统激活语词系统，抽象出“染色体组”的本质特征，建构“染色体组”概念。

图1 某雌果蝇体细胞染色体组成示意图注：A、 B、 C、 X表示染色体，D(d)、 E、 F(f)、 H(h)表示染色体上的基因

2.2 关于建构“单倍体”和“二(多)倍体”概念的教学建议 单倍体概念及其和二(多)倍体概念之间的区别和联系一直是教学中的难点，按照“表征性”和“联想性”信息加工方式，可设计三种果蝇染色体示意图(图2)，并提问学生：三种果蝇体细胞中各有几个染色体组？据你推测，果蝇B是如何产生的？”引导学生首先在非语词系统内部表征(图3)，即果蝇B可能是分别含有四个和两个染色体组的果蝇所产生的配子受精后发育形成的。然后教师分别展示六倍体植物X(甘薯)体细胞染色体组成和以其配子组织培养获得的植物Y体细胞中染色体组成图(略)，并提问：这两种植物体细胞中各有几个染色体组？植物Y可能是如何产生的？植物Y也有三个染色体组，你能说出其产生过程和果蝇B的主要区别是什么吗？以上过程中，学生需要基于视觉信息，对植物Y和果蝇B产生过程进行分析和比较，于是发现某生物是否是单倍体和其体细胞中含有几个染色体组没有直接联系，从而辨别出单倍体和二(多)倍体之间的本质区别，即在非语词系统刺激下激活语词系统，抽象出“单倍体”和“二(多)倍体”概念。

图3 果蝇A和果蝇B产生的可能过程示意图

2.3 关于建构“染色体数目变异”概念的教学建议 在上述基础上，教师提供XXX和XXY型果蝇体细胞染色体组成示意图(图4)和文字资料：小偃麦有蓝粒品种，如果蓝粒小偃麦体细胞缺少一对染色体，则籽粒变为白粒。提问：上述2个实例中染色体增减形式与多倍体、单倍体形成过程中染色体增减有何区别？引导学生归纳出“染色体数目变异包括染色体个别增减和染色体组成倍增减”，建构染色体数目变异的概念。此过程中，学生先要直接辨识图4中染色体组成特点，于是发生了非语词系统的直接表征；然后学生要将图4和图2、图3进行对比，又激活了非语词系统内部的表征；同样，学生需分析、比较和综合有关小偃麦的语言信息和之前已经表征为语言文字的相关概念，这有助于学生语词系统的直接激活和相互间的内部激活；同时学生必须在图4所示的视觉信息和有关小偃麦的语言信息之间寻找到共同规律，并与单(多)倍体概念进行对比才能得出结论。可见这一环节学习中，学生综合运用上述三种信息加工方式来解决问题，能较深刻地理解概念。

图4 XXX型果蝇和XXY型果蝇染色体组成示意图

(基金项目：江苏省教育科学“十三五”重点自筹课题“促进高中生理性思维发展的生物图信息加工学习方式研究”，No.B-b/2016/02/72)