促进深度学习的高中生物学建模教学实践——以“减数分裂”复习教学为例

王扬飞

（厦门市松柏中学，福建 厦门 361000）

《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020 年修订）》强调引导学生主动参与学习，正确认识事物、解决实际问题，习得生物学知识的同时发展生物学学科核心素养。［1］有关“减数分裂”知识是学生学习高中遗传学的基础。在新课学习中，学生往往局限于对减数分裂过程中染色体的静态图像分析，无法将减数分裂与抽象的基因变化相联系。为了解决这个问题，笔者尝试在“减数分裂”复习教学时，引导学生围绕具有一定挑战性的学习主题，主动参与建构概念模型、物理模型及数学模型等活动［2］，促进学生深度学习，内化和理解生物学知识，学会运用模型与建模这一生物科学思维方法［3］，提升生物学学科核心素养。

一、建构概念模型，在“联想与结构”中梳理概念联系

“联想与结构”是深度学习的重要特征。“联想”是指学生学习过程要密切联系已有知识与经验，达到“温故知新”和“融会贯通”。通过“联想”，抓住“本质”，把平时积累的“知识点”连接成“知识网”结构。这样，学生在以后的学习生活中只要碰到一个“点”，就能“一触即发”，轻松解决实际问题。“知识网”一般是围绕某一重要概念构建的概念模型，有助于学生梳理、整合知识，提高归纳能力，发展科学思维。

复习“减数分裂”时，引导学生回忆高中阶段所学的与重要概念“减数分裂”相关的生物学概念，如染色体、基因、同源染色体、非同源染色体、染色体、有丝分裂、受精作用等，分析“基因和染色体”的关系，归纳减数分裂过程中“同源染色体分离，其上的等位基因随之分离；非同源染色体自由组合，其上的非等位基因也自由组合”等本质特点，建构减数分裂概念模型（图1），促进学生梳理、整合有关“减数分裂”概念，使其逻辑化、结构化及系统化。

图1 减数分裂概念模型

二、建构物理模型，在“活动与体验”中揭示概念本质

“活动与体验”是深度学习的核心特征，要求教师设计有效的学习活动，引导学生“身临其境”，动手动脑、讨论交流、合作互助，在发现及解决问题过程中，揭示问题的本质，体验与构建知识。减数分裂复习教学时，以“发生基因重组的非等位基因是否一定位于非同源染色体上”为探究课题，组织学生开展物理模型建构活动，促进学生体验与理解重要概念“基因重组”的本质。

（一）建构非同源染色体自由组合模型

A 与a、B 与b 这两对等位基因分别位于某动物（2N=4）精原细胞的两对同源染色体上，指导学生建构非同源染色体自由组合模型（图2），要求不考虑交叉互换等其他变异，并在模型的染色体上标注等位基因。再组织学生观察、分析各自建构的模型，学生发现减数第一次分裂后期出现两种不同的染色体分配，即两种不同的基因组合AB 和ab 或者Ab 和aB。由此，得出结论1：非同源染色体上的非等位基因可以自由组合。

图2 非同源染色体自由组合模型

（二）建构同源染色体非姐妹染色单体交叉互换模型

指导学生建构一对同源染色体非姐妹染色单体交叉互换模型（图3），要求用不同颜色标示所建构的两个染色单体，并在这对同源染色体上标注两对等位基因A 和a、B 和b，分析每个染色单体的基因组合。通过建模、观察及分析，学生发现原先每个染色单体上的基因组合只有AB 和ab 两种。同源染色体非姐妹染色单体交叉互换后，每个染色单体的基因组合有AB、Ab、aB 和ab 等四种类型，增加了Ab 和aB 两种类型。得出结论2：通过同源染色体非姐妹染色单体交叉互换，同源染色体上的非等位基因也会发生重组。

图3 同源染色体非姐妹染色单体交叉互换模型

通过物理模型建构活动，引导学生主动参与科学探究，在合作交流、思维碰撞过程中，亲历知识的发现与形成过程，促进学生深刻理解“有性生殖过程中，由于基因的分离和重组，使得双亲后代的基因组合有多种可能”这一遗传多样性本质［4］，并要求学生补充、修正“减数分裂概念模型”，以体现对遗传多样性的正确认识。

三、建构数学模型，在“迁移与应用”中揭示规律、解决问题

深度学习要求学习者能够进行知识迁移，将所学知识转化成能力，解决新的情境中有关问题或作出相应决策。［5］“迁移与应用”是检验深度学习是否发生的最佳途径与方式。数学模型是以数学形式描述一个系统的本质［6］，是帮助学生迁移与应用知识的重要载体。如果学生能将减数分裂过程染色体及DNA 数量变化以数学模型表示，则可以很好地揭示染色体的行为变化规律，以便解决复杂问题。

指导学生以直角坐标系建构某动物（2N=20）细胞有丝分裂、减数分裂及其受精卵有丝分裂过程中染色体和核DNA 的数学模型（图4）。要求学生：1.认识“有丝分裂的起点和终点数值不变（都是2N）；无论是染色体还是核DNA，减数分裂结束后终点（N）对应数值都是起点（2N）的一半，即“减数”。2.认识核DNA 分子数目的加倍和减半规律。染色体的DNA 分子数目加倍发生在有丝分裂和减数第一次分裂前的间期，数目减半发生在细胞完成每次分裂后，所以减数分裂过程DNA 分子数量“一加倍两减半（细胞连续分裂两次）”。有丝分裂则是“一加倍一减半（细胞分裂一次）”。3.认识染色体数目的加倍和减半规律。染色体数目的加倍发生在细胞分裂后期着丝点的分裂，减半发生在细胞完成每次分裂后。学生小组讨论、分析，发现减数分裂时，染色体的数量有“减半-恢复-减半”的变化规律，有丝分裂则是“加倍后减半”的规律，并以此解决“为什么减数分裂和受精作用保证每个物种前后代体细胞染色体数目恒定”的问题。此外，指导学生建构一条染色体在有丝分裂和减数分裂过程中，DNA 分子数量变化数学模型（图5）。通过模型建构及讨论分析，学生发现：无论是减数分裂还是有丝分裂，每条染色体行为变化规律皆是一条染色体（含1个DNA 分子）经过复制形成两个姐妹染色单体（含两个DNA 分子），随着丝点分裂分开形成两个子染色体（含1 个DNA 分子）。

图4 染色体和核DNA 分子数量变化模型

图5 染色体的DNA 数量变化模型

在一个直角坐标系中同时构建减数分裂与有丝分裂的染色体及DNA 数量变化数学模型，帮助学生认识减数分裂、有丝分裂与受精作用的本质；“减数分裂过程中，基因随染色体的行为数目变化而变化”规律；以及“生物遗传具有连续性”这一生命现象及其规律，形成“基因在染色体上”的生命物质观，提高分析与综合、归纳与概括等科学思维能力。

四、“减数分裂”复习教学反思

“减数分裂”复习教学遵循“核心素养为宗旨”这一高中生物学课程基本理念，围绕探究“减数分裂过程中染色体与基因的变化”这一学习主题，设计与实施模型建构活动，引导学生亲历“非同源染色体自由组合模型”及“同源染色体非姐妹染色单体交叉互换模型”等物理模型建构过程，结合“减数分裂”概念模型，以“基因在染色体上”为基础，发现、解决日常学习中存在的不足及问题，复习巩固有关“基因重组的实质”知识。通过建构数学模型，指导学生分析“减数分裂”“受精作用”及“有丝分裂”时DNA 分子数目与染色体数目的变化，帮助学生深刻理解“减数分裂”在遗传变异中的重要意义，初步建立稳态与平衡观、进化与适应观。

总之，为了有效开展深度学习，教师应基于生物学学科核心素养培育的视角，合理设计建模活动。同时，营造一个民主、和谐的课堂教学气氛，理解、尊重学生，促进学生主动参与建模探究活动，勇于说出自己的观点与想法，在建构、分析、评价与修正模型的过程，梳理生物学概念之间的内在联系，揭示概念本质及生命规律，解决与生物学密切相关的、真实的问题，复习、巩固及迁移应用生物学知识，提高科学思维能力及科学探究能力，发展生物学学科核心素养。