利用“三重表征”理论提升学生的科学思维能力*——以“基因自由组合定律”的教学为例

闫白洋 （上海市行知中学 上海 201999）

《普通高中生物学课程标准 （2017年版）》已颁布。此次课程改革围绕“立德树人”的根本任务，在学科教学中发展学生的核心素养。生物学核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。其中科学思维是支持学生获取新知识，学会使用知识，构建并评价假设和观点，形成生命观念和进行科学探究所必需的品质。因此，库恩认为，科学思维是智力发展的最终目标，教育的核心在于发展学生的思维，尤其是科学思维［1］。笔者尝试在“基因自由组合定律”的教学中，利用“三重表征”理论提升学生的科学思维能力。

1 “三重表征”理论内涵

“三重表征” 是由苏格兰格拉斯哥大学科学教育中心的约翰斯顿（A.H.Johnstone）教授提出的化学学习中宏观、微观和符号3 种水平，并认为该理论也适用于物理学、生物学等其他科学课程的学习［2］。生物学科是一门研究生命现象、生命组成、生命规律及原理的学科，既包括对可观察的宏观现象研究，又包括对现象理解的微观水平和符号水平的研究。生物学科的内容特点决定了学生在学习中必然要从宏观、微观和符号等方面对生命现象及其变化规律进行多种感知，从而在心理上形成生物学习的“三重表征”：宏观表征、微观表征和符号表征，并建立三者之间的有机结合和相互转化（图1）。

图1 “三重表征”的关系

在“三重表征”建立过程中，需要学生能基于生物学事实和证据，运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方式进行论证和探究，这也恰恰是生物学核心素养中科学思维的实质。如果学生按照“三重表征”学习生物学知识、思考生物学问题，运用恰当、灵活的表征方式，并在不同表征形式之间熟练进行转化，促进知识的结构化和策略化，必然能促进其科学思维能力的提升，更有效地掌握知识、分析问题和解决问题。

2 “三重表征”理论的教学思路

“基因的自由组合定律”是沪教版《生命科学》第8 章的内容，也是《普通高中生物学课程标准（2017年版）》模块2“遗传与进化”中次位概念“阐明有性生殖中基因的分离和自由组合使得子代的基因型和表型有多种可能，并可由此预测子代的遗传性状”的内容，在高中生物学教学中有着重要的地位。此内容涉及2 对相对性状的豌豆杂交实验的宏观现象、减数分裂和遗传信息表达的微观信息，也需要利用遗传学符号或术语进行表征。由于涉及内容较为抽象和广泛，学生很难建立三者之间的联系，并用其解决日常生活中的问题。利用“三重表征”理论进行实践教学，不仅可突破“基因的自由组合定律”的难点，也可在宏观、微观和符号表征相互转化中提升学生的科学思维能力。

利用“三重表征”理论进行“基因的自由组合定律”教学实践时，首先通过观察、阅读和实验等手段获得黄色圆形和绿色皱形的豌豆杂交实验后代表型的宏观事件，运用遗传信息、减数分裂等微观信息分析与解释宏观事实，并利用符号进行表征。其次，根据基因自由组合定律，结合微观信息和符号表征对测交结果进行预测与分析，通过实验等方法对预测进行宏观证实或证伪。最后，编拟一套生物学符号或术语表示基因自由组合定律的事实、规律与理论。综上分析，在“基因的自由组合定律”教学中，可采取“宏观切入—微观分析—符号表征”和“符号表征—微观预测—宏观验证”的“宏观—微观—符号”的生物学知识表征方式及相互转化方式。

3 “三重表征”理论的教学实践

3.1 宏观切入—微观分析—符号表征 “基因的自由组合定律”教学设计均以学生为主体，教师的作用是提供资源、评价、矫正，重点关注学生科学思维能力的提升。在宏观切入中，教师提供的“孟德尔试验中的黄色圆形豌豆和绿色皱形豌豆杂交的试验过程及结果”，展示方式可以是动画或图片。要求学生能根据教师提供的图文资料，归纳得出黄色圆形豌豆与绿色皱形豌豆的杂交实验中，子一代（F1）全部是黄色圆形豌豆。子一代豌豆自交，子二代（F2）中黄色圆形、黄色皱形、绿色圆形和绿色皱形豌豆的比例是9∶3∶3∶1。在此过程中，学生利用归纳概括等科学思维，认识到生物学规律或概念都是基于科学事实经过论证形成的。在微观分析中，学生需明确联系亲代和子代之间遗传信息的传递方式、遗传物质控制生物性状的方式、受精卵分裂和分化成植物的机理等，将宏观表征向微观表征进行转化。宏观上，黄色圆形豌豆性状表现为子叶黄色、种子圆形；在微观上，该植物细胞的细胞核中有7 对同源染色体，细胞质中有多种细胞器，其中控制子叶颜色的Y和y基因位于一对同源染色体上，控制种子性状的R和r基因位于另一对同源染色体上，其他同源染色体上也有很多对等位基因。为便于学生理解，在微观表征中，只选取这2 对同源染色体，且不考虑细胞质中的结构变化，如图2所示。在解释F2实验结果时，黄色圆形植株的精原细胞和卵原细胞在进行减数分裂时，同源染色体分离，非同源染色体自由组合，从而产生4 种配子，且比例相同。精子和卵细胞随机结合，产生基因型不同的种子 （受精卵），如图3所示。种子（受精卵）在土壤中进行细胞分裂和分化形成完整的豌豆植株，细胞分裂增加细胞的数目，DNA 保持不变，这样使豌豆植株体细胞的DNA 均相同，即所有体细胞都有Y和y基因、R和r基因。但是，在细胞分化过程中，Y或y基因仅在子叶细胞中转录翻译成特定蛋白质，使其呈现黄色或绿色，R和r基因仅在种子细胞中转录翻译成特定蛋白质，使其种子的性状呈现圆形或皱形，如图4所示。在此过程中，学生利用推理与演绎、批判与创造等科学思维方式对宏观现象进行解释，形成微观表征。

图2 子一代（F1）宏观表征与微观表征转化

图3 减数分裂和受精过程的微观表征

图4 受精卵细胞分裂与分化的微观表征

在微观分析的基础上，利用 “P”、“×”、“⊗”、“F1”、“F2”、“→”等遗传学独特的符号，进行符号表征2 对相对性状杂交试验的过程与机理。具体如下。

P：黄色圆形（YYRR）×绿色皱形（yyrr）→F1：黄色圆形（YyRr）。

F1：黄色圆形（YyRr）产生的配子是YR∶Yr∶yR∶yr=1∶1∶1∶1∶1

F1：黄色圆形（YyRr）⊗→F2：9／16 黄色圆形（4／16YyRr、2／16YyRR、2／16YYRr、1／16YYRR）；3／16 黄色皱形（1／16YYrr、2／16Yyrr）；3／16 绿色圆形（1／16yyRR、2／16yyRr）；1／16 绿色皱形（yyrr）。

在符号表征中，学生必须建立宏观—微观—符号三者之间的关联。在此过程中，需要学生能在新的问题情境中，基于事实和证据，采用适当的科学思维方法揭示生物学规律或机制，并选用恰当的方式表达、阐明其内涵，这也恰恰是科学思维核心素养中水平四的要求。

3.2 符号表征—微观预测—宏观验证 通过“三重表征”之间转化验证基因的自由组合定律，以黄色圆形豌豆的测交试验设计真实情境，学生在问题情境中运用适当的思维方法进行情境问题的符号表征。即“黄色圆形（YyRr）×绿色皱形（yyrr）后代表型及比例是多少？”利用基因自由组合定律、基因本质、减数分裂时染色体的行为、雌雄配子随机结合、细胞的分裂与分化等微观信息，对情境中子一代性状进行预测，具体如图5所示。预测结果是：黄色圆形∶黄色皱形∶绿色圆形∶绿色皱形=1∶1∶1∶1。然后，教师提供孟德尔真实试验的数据结果：黄色圆形55 株、黄色皱形49 株，绿色圆形51 株，绿色皱形52 株，通过宏观表征进行结果验证。

学生在此情境中，运用生物学规律和原理，对可能的结果或发展趋势作出预测或解释，能选择文字、图示或模型等方式进行表达并阐明其内涵，这也恰恰是科学思维核心素养中水平三的要求。

图5 测交后代的微观表征

4 “三重表征”理论教学实践反思

在基因自由组合定律教学中，“宏观—微观—符号” 三重表征及相互转化需要学生在新的问题情境中，基于事实和证据，采用归纳与概括、演绎与推理等适当的科学思维方法进行宏观表征、微观表征，并相互转化，从而揭示基因的自由组合定律，利用遗传学符号进行表征和表达，阐明其内涵。因此，“三重表征” 教学实践对提升学生科学思维能力有着重要的作用。

除了基因自由组合定律之外，生物学科很多内容均涉及到宏观、微观和符号的表征，例如植物向光性和顶端优势、洋葱表皮细胞的质壁分离与复原、基因的连锁与互换定律、基因分离定律、伴性遗传定律、脊蛙反射实验、微生物抑菌过程等。因此，“三重表征” 理论在生物学教学中有着广泛应用前景，可尝试进行实践。