“基因时间轴”模型建构及其在结构化复习中的应用

贵州 付忠义

人类关于遗传物质的探索历程跨越了一个多世纪，至今还有很多问题没有找到答案。高中生物学教材必修2《遗传与进化》中，有很大一部分内容都与人类对遗传物质探索的过程和阶段性总结有关。将这些具有相关性的科学事件根据时间顺序，按“时间轴”的方式进行梳理，是促进学生理解相关事件之间的联系、构建学科概念的一个重要方法。

一、生命科学史在教材中的编写特征与教学现状

教材的编写通常是根据形成某一概念的需要，对科学史进行板块划分，如“DNA是主要的遗传物质”“基因在染色体上”“DNA的复制”“基因通常是有遗传效应的DNA片段”“基因表达与性状的关系”等概念，均是通过分析大量的科学史料之后得出的结论。

在生命科学的发展历程中，往往可能需要经过几代人的辛苦努力，才能逐渐总结出合理的结论，或形成某个概念。在学习过程中也需要借助对科学史实的分析，逐步构建出概念体系，进而形成学科大概念。但在教材编写过程中，由于教材内容编排的实际需要，很多科学史料并不是按照时间顺序编写的，如1909年，丹麦生物学家约翰逊将孟德尔提出的“遗传因子”改为“基因”；1903年，美国遗传学家萨顿通过观察蝗虫的减数分裂，提出“遗传因子在染色体上”的推论。这两个史实在教材中的位置就相隔一节的内容，但教材并没有按照时间顺序编排相关内容。这就导致很多不细心的学生不理解为什么在教材中萨顿的推论写成“基因(遗传因子)是由染色体携带着从亲代传递给下一代的。”而这时教师若能顺便提示一下时间节点，那么所有学生便都能很快明白其中缘由，也就不存在知识不能融会贯通的现象了。

但是目前很多教师的教学都只是按部就班的进行，不会刻意将分散在很多章节的科学史进行分类整理及汇编，甚至对于一些看似不起眼的小材料直接略过了。虽然这样对学生主干知识的学习看似没有什么影响，但是学生的知识体系中必然会缺少一些连贯性，容易导致知识脱节，部分知识的迁移应用也会受到掣肘。尤其是对一部分学习习惯不好、阅读不细致、缺乏独立思考习惯的学生来说，更是会产生很大的影响。

二、“基因”相关的科学史料“时间轴”建立

关于“基因”的叙述，在高中生物学必修2《遗传与进化》中的分布跨度很大，从第1章“遗传因子的发现”到第5章“基因突变及其他变异”都主要叙述人类对遗传规律及遗传物质的探索历程。包括第6章“生物的进化”也是在变异的基础上对进化的根本原因进行解释。

1.相关科学史梳理(按2019版人教版教材中出现的顺序排列)

序号时间科学家实验(事件)结论11866年孟德尔豌豆杂交实验生物的性状由“遗传因子”控制21900年三位科学家分别重新发现孟德尔的论文31909年约翰逊将“遗传因子”改为“基因”。提出基因型和表型的概念41865年①魏斯曼发表了《作为遗传理论基础的物质连续性》一文染色体减数分裂及其合理性的预测

续表

2.时间轴模型构建

图1 “基因时间轴”模型案例1

构建该模型的目的是使教师对人类对遗传物质的认识过程有一个更清晰的宏观认识，便于教学活动设计。同时也是学生学习和复习过程中的一个重要参考线索。时间轴模型中，主要是标注清楚重要的时间节点，具体的科学事件由于版面问题可以不详尽罗列，而是在教学中通过口述的方式呈现，或者通过学生的主动回忆来补全相关信息，这样还能够更好地引导学生通过“回忆”的形式，实现知识的“再现”和“重复”，达到有效复习的效果。

三、“基因时间轴”的教学意义与教学案例分析

“基因时间轴”的意义在于：学生能够以时间节点为记忆的锚点，联想和回忆相关的科学事件及研究结论；可以通过梳理时间顺序的方式，促进一部分知识的理解及知识网络的构建，如人类对基因的认识过程是按照“功能—结构—信息流向”的基本发展顺序进行的。

在教学中，这种模型通常有两个方面的应用：其一是在新课教学中可以用来创设大情境，进而贯穿整体的教学；其二是在复习过程中可以用来梳理知识网络，实现高效、便捷的复习。

1.新课教学中的应用案例——大情境创设

情境创设的目的是使教学内容和教学活动设计有一定的依托，不至于空洞乏味。但情境的创设不能无病呻吟，情境信息需要紧贴教学内容，不脱离教学的根本需求。不追求花哨，更讲究实用性。在情境创设中，要尽量创设大情境，尽可能地让有内在联系的内容板块的教学能在一个大的情境信息中完成。避免频繁更换情境，割裂了知识板块，使内容碎片化。“基因时间轴”在新课教学中能满足大情境创设的需求。但这个大情境是逐渐构建起来的，而不是一次性完成的，模型的构建需要通过一系列的问题链逐渐形成联结。从必修2《遗传与进化》的第3章开始，使用该思路最为合适。笔者以第3章第1节到第4章第2节共6个小节的内容为例，介绍各小节问题情境的创设以及问题链的设计案例。

1.1DNA是主要的遗传物质

【问题情境】摩尔根等人的实验已经证明了孟德尔所说的“遗传因子”，也就是基因，是真实存在的，并且基因在染色体上呈线性排列。但染色体是由DNA和蛋白质组成的。那么真正的遗传物质是DNA还是蛋白质呢？

【衔接问题】所有生物的遗传物质都是DNA吗？

【形成结论】绝大多数生物以DNA为遗传物质，DNA是主要的遗传物质。

1.2DNA的结构

【问题情境】细胞等生命系统结构层次的结构与功能相适应，实际上生物大分子的结构与功能也是相适应的。那么究竟是什么样的结构使得DNA能作为绝大多数生物的遗传物质呢？

【形成结论】DNA具有反向平行的双螺旋结构；脱氧核糖-磷酸交替连接形成的基本骨架在双螺旋的外侧；碱基按照碱基互补配对原则通过氢键连接成碱基对排列在内侧。

1.3DNA的复制

【问题情境】DNA作为遗传物质，需要从亲代细胞，递到子代细胞。所以DNA必然需要进行复制，以保证子代细胞能得到与亲代相同的DNA，那DNA是怎样进行复制的呢？

【形成结论】DNA以半保留的方式进行复制，需要模板、能量、原料和酶等条件，遵循碱基互补配对的原则。

1.4 基因通常是有遗传效应的DNA片段

【问题情境】已知DNA是主要的遗传物质，可以通过半保留复制的方式保证亲子代细胞遗传信息的连续性。由此可以判断出基因就在染色体中的DNA上。那1个DNA就是1个基因吗？

【形成结论】基因通常是有遗传效应的DNA片段，RNA病毒的基因是有遗传效应的RNA片段(如TMV、HRV、HIV、流感病毒、SARS病毒、新冠病毒等)。

1.5 基因指导蛋白质的合成

【问题情境】在真核细胞中，基因是有遗传效应的DNA片段，DNA作为储存遗传信息的物质，主要分布在细胞核中。而生命活动的主要承担者是蛋白质。蛋白质与DNA之间有着怎样的关系呢？

【形成结论】基因通过转录和翻译控制蛋白质的合成。

1.6 基因表达与性状的关系

【问题情境】孟德尔曾经提出“生物的性状是由遗传因子(基因)控制的”，那么基因是怎样控制生物的性状的呢？基因表达与性状之间是否存在什么联系？(可板书图2所示的模型)

图2 基因表达与性状的关系情境图示1

【形成结论】在学生自主阅读教材内容的前提下，教师可指导学生构建如图3所示的概念图，厘清基因与性状之间的关系，从分子水平解释孟德尔提出的“生物的性状由遗传因子控制”。

图3 基因表达与性状的关系情境图示2

2.复习过程中的应用案例——知识网络构建

在阶段性复习、一轮复习、二轮复习中均可使用前文所述的模型，将从“1866年孟德尔的豌豆杂交实验及结论”到“基因表达与性状的关系”等内容完整地联系在一起，形成一个完整的知识网络。

以一轮复习为例，在复习之前就可以应用完整的模型，根据时间顺序梳理重要的科学实验及结论，形成整体框架，然后再对细节知识进行补充完善，全部复习完之后再让学生自主参考时间轴梳理知识。这种类似于“总-分-总”式的结构化复习策略，能更好地帮助学生建立知识体系。具体操作流程可以分为以下几步。

2.1 构建“时间轴”模型，形成整体认知

在复习“遗传规律”“减数分裂”“基因的本质”“基因表达”“变异”等知识(即必修2第1～5章)之前，教师可以先引导学生将这部分内容中的重大历史事件按时间顺序或者按研究结论进行排列，尽量引导学生通过回忆的方式完成，对于基础薄弱的学生，也可以通过快速翻阅教材来完成。这个过程中要求学生将自己梳理出来的信息记录下来，然后再按照时间顺序进行排列，连接成时间轴。如此一来就可以让学生对该部分的学习内容有整体认知。

2.2 梳理细节知识，排除知识障碍

即使已经学过一遍，又回忆或阅读了一遍，但由于经过了较长时间，且新课学习中本身就有一些知识没有理解透彻，所以逐一梳理知识点、扫除知识障碍的过程仍然是必要的。在基础知识的复习过程中，提醒学生有意识地将科学史的时间顺序考虑进来，能巩固认知。

2.3 回归模型构建，完善知识网络

经过前面两个步骤的训练，有的学生已经能够形成很好的知识体系，但一部分思维能力较差的学生还是不能很好地将各种知识联系在一起。这时教师就需要给学生提供一些参考意见和指导，让学生有目的地将零散的知识归纳起来，以“时间轴”为线索，将各个板块的知识点概括到知识网络上来。图4为添加了部分提示信息的模型。

图4 “基因时间轴”模型案例

尽管这个模型仍然很粗糙简陋，很多信息都没有体现出来，但在时间和科学家两个信息的提示下，很多学生都能快速地复述出相关的知识。对于尚未熟练掌握的知识点也能很明确地找到标识点，然后及时查缺补漏。

四、结束语

“基因时间轴”的模型在教学中具有较高的实用性，对在新课教学中创设大情境，增强教学连贯性大有裨益。也可以用在复习中，通过梳理科学史，实现知识网络的构建。这种具有高度概括性的学习思路，在复习中具有更明显的作用，充分体现了其提纲挈领的优势。

这是一种值得推广尝试的教学思路。不仅在“遗传的分子基础”的教学中可以使用“时间轴”模型，在其他一些时间相关性较强的内容的复习中，也可以尝试利用“时间轴”模型的方式进行复习，例如《分子与细胞》中关于细胞结构与功能的认识以及生命系统结构层次等内容，与时间的相关性就很高。