基于模型建构的进阶式概念教学研究

［摘 要］在“基因突变”一课的教学中，首先，通过不断建构物理模型，使基因突变的概念变得具体，从而深化学生对概念的理解；其次，运用创新的概念建模方法，对基因突变进行抽象化处理，从而提升学生的思维水平；最后，借助模型解析实际现象，将基因突变的知识融入日常生活，从而引发学生的情感共鸣。开展基于模型建构的进阶式概念教学，有助于学生挖掘宏观现象背后的微观本质，逐步掌握知识，进而达到深度学习的目的。

［关键词］模型建构；进阶式；概念教学；基因突变

［中图分类号］    G633.91                ［文献标识码］    A                ［文章编号］    1674-6058（2024）32-0084-04

模型建构是一种以建构模型为策略的教学方法，它涵盖了建构、运用、评价及改进等环节[1]。模型的特点是直观、形象，这些特点使得学生能够利用模型来理解复杂的概念，并挖掘宏观现象背后的微观本质。利用模型进行教学，可以帮助学生建构概念，深入理解生物学概念。模型建构不仅是一种易于学生学习和理解概念的重要学习方法，还是一种学生认识世界的思维方式。

“内容聚焦大概念”是《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》明确提出的需要高中生物学课程教学遵循的基本理念。而在基于模型建构的进阶式概念教学中，教师需围绕学生的思维成长路径，设计并实施一系列恰当的模型建构实践活动，引导学生分析各知识点之间的内在联系，鼓励他们深度思考核心概念的逻辑推理过程，从而激发他们的学习主动性和创造性。同时，通过概念进阶和思维进阶，帮助学生建构科学的生物学概念体系。

一、课标与教材分析

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》中与本节课相对应的内容要求是“概述碱基的替换、插入或缺失会引发基因中碱基序列的改变；阐明基因中碱基序列的改变有可能导致它所编码的蛋白质及相应的细胞功能发生变化，甚至带来致命的后果；描述细胞在某些化学物质、射线以及病毒的作用下，基因突变概率可能提高，而某些基因突变能导致细胞分裂失控，甚至发生癌变”[2]。这3个次位概念对建构大概念“遗传信息控制生物性状，并代代相传”具有重要作用。

遗传与变异是生物的基本特征之一。“基因突变”是高中生物学必修2《遗传与进化》第5章第1节中的内容，该内容既是对中心法则的巩固提升，又是对遗传物质与性状关系的进一步认识。它为后续学习生物进化和建构大概念“遗传信息控制生物性状，并代代相传”奠定了坚实的基础。教材通过探究镰状细胞贫血的病因，帮助学生归纳基因突变的概念和结果，这有助于学生形成结构与功能观。同时，通过建模、小组讨论等活动，训练学生的归纳与概括、演绎与推理和批判性思维能力。此外，以癌症为例，可以引导学生辩证地分析基因突变的意义，并养成远离致癌因子的健康生活习惯，从而实现深度学习。

二、学情分析与教学目标的确立

本节课的授课对象是高一年级的学生。在知识层面，学生已掌握基因的遗传规律、本质以及表达等内容，但对基因突变的本质及其与性状的关系认识还不够深入。在能力层面，学生具备一定的归纳与概括、逻辑与推理的能力，但仍需对知识迁移、模型与建模、批判性思维等方法进行深入学习和提升，以增强思维的严谨性和连贯性。在观念层面，学生对贫血、癌症等疾病已有一定的感性认识，但仍需从科学知识和科学思维的角度去深入理解这些疾病的致病机理，从而学会如何科学地预防癌症，并养成健康生活习惯。基于以上分析，本节课的教学目标设定为：（1）通过分析多种真实情境下的疾病形成过程或病因，建构基因突变的概念，形成结构与功能观；（2）通过分析生活情境，归纳出诱发基因突变的因素，养成远离致癌因子的健康生活习惯，弘扬健康理念。

三、教学过程

（一）概念进阶

对概念的学习并非简单的记忆和复述，而是基于理解的综合运用。在逐步深入的概念教学过程中，教师不能仅对概念的含义与外延进行字面上的解释，而是需要在大多数学生完成了对概念的初步解读之后，进一步引导他们进行深入的理解。在课堂上，教师利用情境或例子为学生搭建建模框架，使他们能够展开辨别、评判等一系列的科学思考。这样，学生既能切实地理解概念的基本性质，又能把它同其他相关的概念区分开来。例如，在讲授“基因突变”一课时，教师通过建构模型、修正模型、细化模型等过程将抽象的概念具象化，帮助学生更好地理解和掌握。

1.建构模型，初探概念实质

教师展示镰状细胞贫血的相关资料。

[资料1]1910年，赫里克医生遇到了一位特别的黑人贫血病人，常规的治疗方法对他无效。在显微镜检查中，赫里克医生发现他的红细胞呈非典型的镰刀形状，将该病症命名为镰状细胞贫血。

[资料2]1949年，美国的鲍林博士首次提出，这种病症可能源于红细胞内的血红蛋白结构异常，这种异常导致了细胞形态的改变。

[资料3]1956年，英国的英格拉姆研究员找到了问题的关键，即镰状细胞贫血患者血红蛋白的肽链中有一个谷氨酸被缬氨酸所替代，这是疾病发生的分子基础。

教师设疑：血红蛋白肽链上的谷氨酸被缬氨酸替代的根本原因是什么？在问题的驱动下，学生迁移运用中心法则、密码子表等知识，在对比中发现了镰状细胞贫血形成的原因（如图1）。随后，教师利用卡纸教具在黑板上展示并解释镰状细胞贫血发病机理的物理模型，并引导学生进行评价和补充，从而形成“性状—蛋白质—基因”的概念模型。在此基础上，引导学生探讨基因突变的原因，并初步揭示基因突变的实质：DNA分子中发生碱基的替换、增添或缺失，由此引起的基因碱基序列的改变。

设计意图：在初探阶段，激发学生参与积极性，引发他们热烈讨论，帮助他们深入理解疾病发生的原因。通过逐步推理引导学生建构“个体病征→红细胞形态变化→血红蛋白结构问题→基因表达调控→基因变异”因果链。这一过程旨在引导学生从表象深入探索事物的本质，进而揭示基因突变的实质。

2.修正模型，明确概念要点

教师展示囊性纤维化和皱粒豌豆相关资料。

[资料4]在大约70%的囊性纤维化患者中，编码CFTR蛋白的基因缺失了3个碱基，导致CFTR蛋白在第508位缺少苯丙氨酸，其空间结构发生变化，使CFTR转运氯离子的功能出现异常，导致患者支气管中黏液增多，管腔受阻，细菌在肺部大量生长繁殖，最终使肺功能严重受损。

[资料5]皱粒豌豆的遗传特性揭示了另一种遗传现象，即皱粒豌豆的DNA中插入了一段外来DNA序列，打乱了编码淀粉分支酶的基因，导致淀粉分支酶出现异常，活性大大降低，进而使细胞内淀粉含量降低。当豌豆成熟时，淀粉含量低的豌豆由于失水而皱缩。

教师设疑：DNA分子上碱基的改变一定会导致基因突变吗？碱基还可能发生怎样的改变？这些变化实质上改变了什么？通过问题的探讨可以发现，基因突变核心概念的理解主要涉及以下几个方面：（1）突变的主体。通过学习资料，学生理解了基因突变源于一个或多个碱基的改变。（2）突变发生的区域。借助“DNA=基因区+非基因区”的图解，学生可清晰区分DNA与基因的不同。（3）突变的类型。通过合作思考，学生共同归纳出碱基变化的三种形式：替换、增添和缺失。（4）突变的后果。可通过提出一系列问题来引导学生了解基因突变的后果。如：基因突变后，其遗传信息是否发生改变？突变基因与原始基因有何关联？基因突变会改变基因的数量或排列顺序吗？最后，引导学生综合这四点来建构基因突变的基本概念框架。

设计意图：教学过程中的概念理解并非仅限于理论知识，更是思维发展的基石和建构认知框架的基本元素[3]。通过引导学生深入探究和分析相关资料，设计一系列问题，使学生在实践中学以致用，培养批判性思维和推理能力。在这个过程中，教师需要激发学生参与积极性，使学生在解决问题和应用知识的过程中逐步建构起概念的核心框架，从而深化对学科本质的理解。

3.细化模型，理解概念内涵

基因突变的概念较抽象，不易直观理解，教师可以借助具体的物理模型开展教学。通过让学生动手建构、变换、观察和总结模型，能使其更好地领会基因突变所带来的影响，从而深入理解这一概念的内涵。

教师可以呈现正常血红蛋白基因的部分反义链核苷酸序列-GTTCATCTAACG-，并引导学生思考：（1）如果第3个位置的核苷酸T被C替换，序列会变成什么样子？对应的氨基酸序列会有何变化？（2）基因序列中的微妙变化，如单个核苷酸的缺失或插入，其实际效应往往不易察觉。这样的变化对编码的肽链有何影响？

学生通过建构基因表达物理模型（如图2），分析结构与功能的关系，演绎推理出基因突变对合成肽链的影响，再通过归纳概括，阐明基因突变对生物性状的影响，从而进一步理解概念的内涵。

设计意图：通过理论模拟与实践验证，学生逐渐揭示基因突变如何通过基因表达影响蛋白质合成进而影响性状表现的奥秘。这个过程可促使学生的思维层次逐渐提升，将直观感受与抽象理论对接起来，进而转变为理性的理解。

（二）思维能力进阶

教学的核心并非单纯的知识传递，而是思维能力的培养。当学生对概念有了深刻理解后，他们需要建构一个全面的知识架构，包括建构概念模型。概念模型的建构并无固定标准，学生应根据自身能力逐步提升建构标准。然而，建构概念模型并非易事，可能会涉及众多难以梳理的概念，需要精确把握概念间的相互关系。教师可通过提供概念框架来帮助学生自主建构概念，从而帮助他们建构思维的“高速公路”。

在“基因突变”一课中，教师引导学生利用自己建构的模型，提炼关键概念（如图3），并运用这些概念搭建思维框架，有效地提升了学生的归纳与概括能力，为他们建立有效的思维模型奠定了基础。此外，教师还引导学生用自己的语言表述基因突变的概念及本质，进一步理解基因突变概念的内涵。

设计意图：教师先引导学生分析物理模型，再借助概念模型帮助学生实现概念知识的结构化，深入挖掘基因突变的本质，这有利于学生对概念的深入理解。在生物学课堂中，概念教学占据着核心地位，它启迪学生借助普遍原理和现有数据初建学科的关键概念。在这个过程中，学生的既有观念会逐步被解构、调整，从而促进他们理解科学概念，并牢固掌握这些概念。

（三）情感进阶

尽管生物学以理性探究为主，但情感元素在其内涵中不可或缺。教育的根本目标是培养人的品德和能力，尤其注重引发学生的情感共鸣，深化他们对社会责任的理解。核心素养的形成并非单纯依赖理论灌输，而是需要在真实情境中应对挑战，解决实际问题，实现自我成长。

在“基因突变”一课中，教师呈现如下数据：我国结肠癌2015年新发病例达38.76万，为恶性肿瘤发病率排名前三位之一[4]。以此引起学生的关注后，提出探究问题：结肠癌发生的原因是什么？接着，呈现结肠癌发生的简化模型，引导学生观察图片，描述癌细胞与正常细胞相比的显著特点。设置任务：参考镰状细胞贫血的模型，尝试画出结肠癌发生的流程图并解释原因。让学生思考以下问题：（1）健康人体内是否都存在原癌基因和抑癌基因？（2）这些基因与癌基因的产生及癌细胞的形成有什么关系？（3）细胞癌变的实质是什么？

设计意图：以结肠癌高发的数据引发学生思考，并关注健康生活；引导学生用所学知识解决新情境问题，能够充分展示学生对科学概念的理解、技能的掌握及方法的运用情况，有效培养学生的知识迁移能力和解决实际问题的能力；引导学生采用生物学专业术语解释新的类似情境或问题，可强化学生的逻辑推理和模型建构的科学思维，并强化学生思维的严谨性和连贯性。

四、教学反思

在生物学课程中，笔者采取了建构主义理论的创新方法来推动概念教学的进阶。基因突变的概念往往难以直观理解，因此在本节课中，笔者巧妙地运用“模型”作为桥梁。首先，将抽象的基因突变理论转化为直观的模型；接着，通过逐步解析这些具象的模型，引导学生逐步提炼出基因突变的核心概念。这样做的目的不仅在于强化学生的科学逻辑思维，还在于培养他们的生命观念。笔者建构了以关键概念为中心的模型，并引导学生围绕这些模型经历了一系列深入的学习体验。教学过程从概念的建构到概念的实践应用，逐步递进，促进了学生对概念的精确理解，同时帮助他们掌握了运用这些概念解决日常实际问题的技巧。这堂课既是对新课程改革的积极响应，又是增强学生科学思维能力的一次成功的教学尝试。

［   参   考   文   献   ］

[1]  吴成军.生物学学科核心素养的教学与评价[M].上海：华东师范大学出版社，2020.

[2]  刘恩山，曹保义.普通高中课程标准解读丛书：普通高中生物学课程标准（2017年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2018.

[3]  中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准：2017年版2020年修订[M].北京：人民教育出版社，2020.

[4]  郑荣寿，孙可欣，张思维，等. 2015年中国恶性肿瘤流行情况分析[J].中华肿瘤杂志，2019，41（1）：19-28.