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【摘要】模型建构是一种发展科学思维的科学方法。笔者以人教版高中生物《减数分裂和受精作用》为例，围绕减数分裂中配子染色体组合的多样性、减数分裂和受精作用对遗传的意义，用模型建构开展教学，利用物理模型和数学模型突破重难点，最后运用模型来解释生活中的现象，发展学生的科学思维。

【关键词】高中生物；模型建构；科学思维；减数分裂和受精作用

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》提出，学生应该在学习过程中逐步发展科学思维发展，运用演绎与推理、模型与建模等方法，探讨、阐释生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题。模型是人们为了描述某种特定目的而对认识对象所作的一种简化、概括性的描述，有物理模型、数学模型和概念模型等形式。模型建构一般有模型分析、模型准备、模型建构、模型评价或修正、模型运用等过程。模型具有直观、形象的优点，可以帮助学生更好地理解生命活动和基本概念。人教版高中生物教材中有多处适合用模型建构的方法开展教学。下面，笔者以人教版高中生物《减数分裂和受精作用》为例，探究利用模型建构活动来模拟染色体变化，在建立染色体数目变化数学模型的同时，培养学生的科学思维，通过活动体验帮助学生理解“减数分裂”和“受精作用”对生物遗传的重要意义。

一、模型的使用

在本课中，主要用到两个模型：减数分裂过程中染色体行为变化的物理模型和染色体数目变化的数学模型。减数分裂中染色体的行为变化是一个微观的动态过程，较为抽象，是本课的教学重点。部分学生对减数分裂过程中同源染色体分离和非同源染色体自由组合、四分体的非姐妹染色单体互换、着丝粒分裂等基本概念的理解存在偏差，这些问题在模型建构过程中会暴露出来。教师可借助物理模型，化抽象为具象，用直观的认知、小组间的合作探究帮助学生理解这一过程，解决其对基本概念的理解偏差。与此同时，将减数分裂的染色体变化直观地呈现在学生眼前，进而建立染色体数目变化的数学模型，能让学生在真实情境下，运用科学思维去分析和解决问题。通过物理模型的建构，能让学生理解减数分裂产生染色体组合多样性的配子，并借此建立染色体数目变化的数学模型，为其后续理解减数分裂和受精作用的意义做好准备。

减数分裂过程涉及染色体的复制、着丝粒的分裂、纺锤丝牵引移向两极、同源染色体分离和非同源染色体自由组合等知识点，教师需要寻找合适的材料进行物理模型的建构。扭扭棒是常见的模拟染色体的材料。扭扭棒可以根据教学需要裁剪成不同长度，且质地较软，能够塑造成各种形状，较为贴合染色体的特征。在原有的扭扭棒基础上，对染色体模型进行改进，增加一个小磁环模拟染色体上的着丝粒，能够更加形象，方便模拟着丝粒分裂、姐妹染色单体分开。同时磁环的磁性，既可以形象模拟染色体上的姐妹染色单体，也可以吸附在黑板上，便于教师进行演示。

二、模型准备

本课需要用到的模型材料主要有两种颜色的扭扭棒、磁环（外径6mm，厚度3mm，孔内径3mm），与扭扭棒颜色相同的短吸管等。将短吸管穿过另一种颜色的扭扭棒，模拟非姐妹染色单体之间的互换（见图1）。短吸管的使用，使扭扭棒无需通过裁剪和拧来模拟互换的过程，保证材料的完整性和可重复性；且可以随意调整吸管所在位置，让学生知道互换的片段不一定是染色体的末端。让学生对非姐妹染色单体间的互换有更清晰、全面的了解。

三、模型建构

（一）建构减数分裂过程中染色体的数目变化

教师引导学生先回顾减数分裂过程中染色体的主要行为变化，并展示一对同源染色体相关时期的图解，请学生根据图解，利用模型在各细胞中补充第二对同源染色体。根据各时期的图像，请学生画出对应时期的染色体数目变化曲线，建构染色体数目变化的数学模型（见图2）。由于减数分裂过程较为复杂，若直接让学生进行两对同源染色体的建构过程，会增加学生的建构难度，进而难以完成建构活动，让学生对教学内容失去兴趣。因此，根据学生回忆的染色体行为变化，先建构一对同源染色体的图像，便于学生根据已学习的精子形成过程以及卵细胞形成过程，进行思考和分析，在建构过程中发展科学思维，在体验中理清减数分裂过程同源染色体分离、着丝粒分裂，并进行图文转换，建构出数学模型。

（二）模拟非同源染色体的自由组合

根据学生补充的减数分裂图像，请学生找出配子的染色体组合有哪些。通过图像的对比，学生可以得出配子的染色体组合总共有4种（见图3）。（下转第19版）    （上接第18版）教师继续拿出第三对同源染色体，引导学生思考分析，若体细胞中含有三对同源染色体，则配子的染色体组合有8种。通过设问，逐步递进，引导学生在活动中演绎和推理，思考染色体组合并进行归纳，得出一个个体在不考虑互换的情况下，配子染色体组合有2n种，培养学生分析问题和解决问题的能力，发展科学思维。

（三）模拟非姐妹染色单体之间的互换

在得出不考虑互换情况下的配子染色体组合后，教师提出新问题：若四分体的非姐妹染色单体之间发生互换，配子中的染色体组合又有哪些？学生利用扭扭棒及短吸管再次进行模拟，当体细胞中含有一、二、三对同源染色体时，配子染色体组合分别有4、8、16种，此时，教师需要强调互换的发生仅是可能，概率并无定数，因此不能简单总结为2n+1种。互换的发生，增加了染色体组合的种类（见图4）。最后，教师引导学生归纳配子中染色体组合多样性的原因。

（四）减数分裂和受精作用的意义

1.遗传稳定性

教师展示已经建构的数学模型，引导学生在曲线中增加受精作用对染色体数目的影响，利用曲线的变化2N→N→2N，帮助学生理解减数分裂产生染色体数目减半的配子，而受精作用则使受精卵中染色体数目又恢复到体细胞中染色体的数目，进而理解减数分裂和受精作用对遗传稳定性的意义，树立生命观念。

2.遗传多样性

通过已建构的物理模型来说明配子染色体组合的多样性，再结合雌雄配子受精时的随机结合，阐明有性生殖后代的遗传多样性（见图5）。

四、模型评价

在建构模型的过程中，教师通过观察学生的建构活动，选取减数分裂Ⅰ、减数分裂Ⅱ后期移向同一极的染色体组合（见图6），以及配子中的染色体组合，让学生评价图像是否科学合理并说明理由。教师也可提前先准备一些典型的错误图像，让学生运用科学思维进行分析和评价。

五、模型运用

教师展示“13三体综合征”以及“21三体综合征”的相关资料，经染色体检查，患者的第13号或21号染色体共有3条。请学生尝试运用模型，从卵细胞或精子的形成过程，分析该疾病产生的原因。通过对该病的分析，培养学生运用科学思维解决真实情境问题的能力、语言表达的能力，同时也引导学生关注社会生活，树立社会责任。

六、结语

在本课的组织上，教师采取先学习减数分裂各时期染色体的主要行为，再通过建构活动加深学生对各时期染色体行为变化的理解，从而掌握“减数分裂产生染色体数量减半的精细胞或卵细胞”这一概念。在建模过程中，也可以观察、了解学生对同源染色体分离、非同源染色体自由组合、非姐妹染色单体互换等是否准确理解，以及各时期图像与染色体数目变化之间的转换。

在模型建构的过程中，模型材料出现了两个问题，需要反思和改进。由于扭扭棒本身较为蓬松柔软，在多次使用后，容易出现扭扭棒材料的损耗。另外，在活动中，由于学生在模拟时并未抓住磁环来带动扭扭棒的移动，出现了磁环和扭扭棒分离的现象。在今后的建模活动中，教师可以寻找其它材料代替扭扭棒，如小电线，同样也具备模拟染色体的条件，材料也不易损坏，以减少材料损耗。同时，可以利用玻璃胶将磁环固定在小电线上，使其不易脱落、重复使用。最后，教师要引导和培养学生爱护实验器材和模型，养成良好的习惯，在每次实验或活动后，对器材和模型进行分类整理，并放回原处，树立责任意识。

参考文献：

[1]教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[S].人民教育出版社，2020.

[2]人民教育出版社课程教材研究所，生物课程教材研究开发中心.普通高中教科书《生物学》必修1 分子与细胞[M].人民教育出版社，2019.

[3]人民教育出版社课程教材研究所，生物课程教材研究开发中心.普通高中教科书教师教学用书《生物学》必修1·分子与细胞[M].人民教育出版社，2019.

责任编辑    温铁雄