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类比模型在高中遗传学核心概念教学中的应用

[日期:2017-02-19] 来源:《中学生物学》2016年第12期  作者:陈颖芳 张锋 [字体: ]

    摘要 在高中遗传学核心概念教学过程中,充分利用类比模型建构课堂的教学,能实现遗传学核心概念所表征的事物简化或抽象化,并且促使学生深刻理解遗传学核心概念的内涵和本质。

    关键词 遗传学 类比模型 概念教学

 

    遗传学是生物学重要的分支,是基础教育生物学的重要内容。理解掌握遗传学的核心概念不仅有助于学生理解生命的延续和发展,还能提高学生的逻辑思维能力和生物科学素养。开展高中遗传学核心概念的教学不能仅仅依靠学生背诵记忆细枝末节的信息或事实,而是需要引导学生像科学家那样积极主动参与探究,深入理解从大量事实中概括出的抽象规律和原理。

    建构模型的过程是一个探究的过程,可以使学生对所学内容的形成深入理解。类比模型及其建构是开展高中遗传学核心概念教学的重要的学习方法。

1 类比模型简述

    类比模型就是基于相似属性,用人们熟悉的事物类比和表征不熟悉的事物。从学生己知的、熟悉的、容易理解的事物模型中找到可比的共性,并让学生在学会模仿的基础上,归纳、类比到相应的模型当中,将各个知识点与模型中熟悉的知识点进行对应类比,从而更好地帮助学生接受和理解新的事物。

2 运用类比模型传递遗传学核心概念

    概念是由众多事实归纳推理分析得出的,因此核心概念教学也应该是建立在事实感知的基础上。而遗传学核心概念所表征的事物DNA、基因等往往微观且抽象,通过对生物原型的简化和纯化,以形象化方法建构的生物模型,能使研究对象直观化。学生可以根据模型,推测原型的未知属性、并发现问题,从而认识事物中所蕴含的规律。例如,用毛线类比染色质,毛线团类比染色体可以让学生直观理解“染色质和染色体是同一物质在不同时期的两种表现形式”。

    基于刘恩山等提出的类比模型建构的一般程序和指导策略,下面以人教版高中生物必修2第三章第二节“DNA分子的结构”核心概念教学为例,呈现类比模型建构的一般过程。

2.1 明确类比模型建构的目的

    本节课的核心概念为:DNA分子是由四种小分子(脱氧核苷酸)组成的长链,两条反向平行的长链形成双螺旋结构。针对这一核心概念,依托类比模型的建构,围绕DNA双螺旋结构模型的科学研究历程,设计学生建模活动,通过形象生动的类比模型将DNA这一微观、抽象的物质直观化形象化,从而激发学生的学习兴趣和进一步培养他们探究能力。

2.2 初步选择类比模型表达方式

    在高中遗传学的教学实践中,教师常常用双条电话线、螺旋楼梯等模型来类比DNA,这些模型虽然可以帮助学生形象理解DNA双螺旋空间结构,但是学生对于基本组成单位脱氧核苷酸如何构成DNA双链仍然缺少感性的认识。磷酸、脱氧核糖、碱基具有复杂的分子结构,教师可选择DNA分子双螺旋结构模型组件中的白色小球、蓝色小球、带凹凸的圆柱将其展示出来。

    学生亲手利用模型盒中的组件制作DNA双螺旋结构模型,不仅能再现课堂教学中难以直接观察到的DNA分子的结构,还可以在模型制作过程中体验形象化具体化的过程,加深对DNA分子结构特点的认识和理解。

2.3 类比模型的建构

    类比模型建构的主要过程可以简化为“FAR(聚焦-行动-反思过程)”,具体如下:

    Focus(聚焦):类比模型的建构并不是进行单纯的手工活动,因此进行类比模型建构的过程初始,教师应该关注并引导学生思考己学概念与本节课核心概念之间的联系,让学生明确类比模型建构的目的。同时,在师生共同查阅资料基础上,教师要尽量创造一个真实的情境,鼓励学生像科学家一样思考,制作模型。

    通过课前布置学生复习必修一第二章第三节“遗传信息的携带者”和预习本节课初始的学习任务:阅读课本中DNA双螺旋结构模型的科学研宄历程,以小组为单位,应用A型DNA的X射线衍射图谱、B型DNA的X射线衍射图谱等科学实验数据设计,建构DNA结构模型。这样让学生熟悉所要制作的DNA类比模型,为接下来模型建构打下良好的基础。

    Action(行动):在学生建构DNA类比模型过程中,教师要注意引导学生观察思考模型盒提供的材料如白色小球、带凹凸的圆柱等所类比的物质;注意引导学生讨论DNA与脱氧核苷酸的关系,DNA类比模型与DNA双螺旋结构间的相似性,从而不断强化学生建模过程中的思维能力。

    课堂上教师以“基本单位一单链一平面双链一立体空间结构”为任务驱动,采取“分步走”策略,逐步深入。学生以小组为单位根据资料信息利用模型盒中的组件尝试建构DNA结构模型。

    需要指出的是:在模型的建构活动二、三、四过程中,教师要注重引导激发学生分析科学研宄历程中关键的信息,不断检验修正建构的DNA模型。

    资料1:对富兰克林拍摄的DNA之B型X射线衍射照片的分析表明DNA分子是由脱氧核苷酸组成的长链。

    资料2:磷酯键是结合力最强的共价键。

    学生在分析上述两则资料的基础上,明确相邻脱氧核苷酸的核糖和磷酸脱水缩合形成脱氧核苷酸长链,并能顺利进行活动二,准确建构脱氧核苷酸单链的结构模型。

    资料3:碱基疏水,脱氧核糖和磷酸亲水,而DNA在细胞内始终处于水环境中。

    资料4:DNA分子半径是约10Å。并提供四种含氮碱基结构式。

    资料5:剑桥大学数学系研宄生格里菲斯应用量子力学和化学键理论计算不同碱基间的吸引力大小以及如何搭配才能使分子趋于最稳定,理论计算表明A吸引T,G吸引C。

    资料6:1952年,奥地利生物化学家查哥夫对多种动物体内的碱基含量进行分析,提出A=T、G=C。

    资料7:对富兰克林拍摄的DNA之B型X射线衍射照片的分析表明A-T碱基对与G-C碱基对长度相等,又恰恰与DNA子的直径相当。

    模拟游戏:名学生模拟脱氧核苷酸,让两列的学生先各自组成一条脱氧核苷酸链,然后再构建成双链结构。

    学生在分析资料3~7和进行模拟游戏基础上,提取如下相关信息并构建DNA平面结构模型:①DNA分子由脱氧核糖和磷酸交替连接排列在外侧,构成基本骨架,碱基排列在内侧;②碱基遵循碱基互补配对原则,通过氢键连接成碱基对;③DNA分子是由两条脱氧核苷酸长链组成的,这两条链以反向平行方式排列。

    资料8:对富兰克林拍摄的DNA之B型X射线衍射照片的分析还表明:直线的间距是DNA分子重复单元(一个完整的螺旋)的间距;碱基对的间距是3.4Å;每个完整的螺旋高度是34Å

    最终,学生形成“DNA分子盘旋成双螺旋结构,每个螺旋里含10个碱基对”这一结论,并准确建构DNA双螺旋结构。

    通过这样“点一面一线一立体”建构DNA双螺旋结构类比模型的过程(图1),最终促进学生对DNA结构知识的学习和深入理解,同时使学生学习科学家善于捕获、分析信息的能力,严谨的思维品质及持之以恒的科研精神。

 

图1DNA类比模型的建构过程

 

    Reflection(反思):学生基于其自身建构的类比模型开展小组或全班的讨论,教师需要引导学生在展示、交流和表达中分析建构的类比模型科学准确与否,是否需要再修正,同时比较各组DNA模型,找出模型间的相同点与不同点,进而总结出DNA模型因碱基的数目、排列顺序不同而存在差异,推导出碱基对数目和碱基对排列方式的数学模型,有效地帮助学生由感性认识到理性认识、由具体到抽象深刻理解DNA双螺旋结构多样性、特异性与稳定性的特点。

3 类比模型选择与建构过程中应注意的问题

    类比模型建构的合理应用有助于学生个性的发展和潜能的开发,强化了与数学、物理等学科的内在联系,加强了理科思维的培养,提高了学生的科学素养。然而,在不同学习任务的驱动下,教师需要灵活选择类比模型的表达方式,注意多种类比模型呈现的时机和顺序,以便更符合学生现有的知识结构与认知规律。

    例如,虽然教师在前面的学习中指导学生利用DNA分子双螺旋结构模型组件制作出形象直观的DNA双螺旋结构类比模型,但在接下来一节“DNA的复制”中“DNA的复制方式的发现”这一科学史教学时,可以进一步简化DNA的类比模型,用线与线段将DNA复制的方式直观化形象化。

    其次,要让学生明确的知道类比模型和原型之间是存在差异的,对于不同的类比材料,它们的差异程度有较大的区别。教师在教学的过程中,要注意引导学生比较简化的类比模型和所类比概念间的不同属性,以免使学生形成错误的概念。例如,教学中,教师经常用三叶草结构模型类比tRNA的分子结构,学生在关注到单链tRNA折叠成三叶草结构的同时往往误认为组成tRNA的核糖核苷酸之间不形成氢键。

 

参考文献:

[1]  张颖之,刘恩山.核心概念在理科教学中的地位和作用——从记忆事实向理解概念的转变J].教育学报,2010,057-61.

[2]  赵萍萍,刘恩山.科学教育中模型定义及其分类研究述评J].教育学报,2015,1(①:46-53.

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