基于模型建构的探究式教学策略的教学设计——以“孟德尔豌豆杂交实验（二）”一节为例

摘要：在基于模型建构的探究式教学策略的统领下，以“孟德尔豌豆杂交实验（二）”一节为例，通过情境启动提出问题、分析问题建构模型、反思过程优化模型、设计实验验证模型、评价模型归纳定律等环节，有效地帮助学生理解了自由组合定律的实质。

关键词：基于模型建构的探究式教学策略；数学模型；自由组合

1  基于模型建构的探究式教学策略

基于模型建构的探究式教学策略主要包括对事物的观察、描述、提出问题、查找信息、提出假设、验证假设、思维判断、作出解释[1]。基于模型建构的探究式教学模式如图1所示，以该模式为范本，展开对“孟德尔豌豆杂交实验（二）”的教学。

2  教材分析

“孟德尔豌豆杂交实验（二）”是人教版《生物•必修2•遗传与进化》第1章第2节的内容。第1节“孟德尔豌豆杂交实验（一）”关于分离定律的实验探究过程为本节奠定了理论和方法上的基础。本节对科学思维和实验探究能力的要求更高，具有很高的核心素养训练的价值。课程标准对该节内容的要求是阐明有性生殖中基因的分离和自由组合使得子代的基因型和表型有多种可能，并可由此预测子代的遗传性状[2]。学业要求是运用统计与概率的相关知识，解释并预测种群内某一遗传性状的分布及变化。由此，确定本节的教学目标如下：

（1）基于对孟德尔的两对相对性状杂交实验过程的分析和解释，阐明自由组合定律。

（2）通过对孟德尔的两对相对性状杂交实验过程探究，深入理解假说—演绎法，培养归纳与演绎的科学思维。

（3）学以致用，运用自由组合定律解释或预测一些遗传现象。

3  教学设计思路

4  教学过程

4.1  创设情境，提出问题

学生观察孟德尔豌豆杂交实验（二）的过程及结果，并与豌豆杂交实验（一）对比，尝试提出研究问题，比如“F2为何会出现四种表现型并且比例是9:3:3:1？”

教师评价学生的设问，并做补充。

设计意图  基于模型建构的探究式教学策略始于真实的情境问题，一个有价值的问题是科学研究成功的一半。设问的能力源于好奇心、对现象的细致观察和深入思考，可以通过训练习得。学习了孟德尔豌豆杂交实验（一），学生们已经初步具备了基础的遗传学知识和研究思路方法，知道应该观察遗传学现象的哪些细节，如何组织设问的语言。在此认知基础上，引入两对相对性状的杂交实验，虽然现象更复杂，但是类比一对相对性状的杂交实验的设问，对两对的设问并不难。

4.2  拆分问题、构建模型

本环节要教师通过层层设问，引导学生针对之前提出的问题“F2为何会出现四种表现型并且比例是9:3:3:1？”，进行研究分析并尝试建模解释。

教师提问：两对相对性状杂交的9:3:3:1比例与一对相对性状杂交的3:1比例之间能建立怎样的数学等式联系呢？设置任务：请尝试用数学模型展示该联系。将学生分组，通过合作讨论完成该任务。

学生思考问题发现：9:3:3:1=（3:1）×（3:1），相当于每对杂合子交配的结果，再通过组合得到。学生尝试用多种数学模型展示该关联（如下图所示）

教师评价学生创设的模型，很多模型都能体现出9:3:3:1与两个3:1之间的数学关系，引导学生观察这些模型的共性：从数学的角度看，都有3次组合过程：①Yy与Yy通过组合产生3:1；②Rr与Rr通过组合产生3:1；③两个3:1通过组合得到9:3:3:1。但需要思考这些模型能不能表示F1父本与母本交配（YyRr×YyRr）的真实过程？教师提供思考的路径：有性生殖过程包括母本和父本分别产生雌雄配子，雌雄配子通过随机结合产生下一代。

教师再次设问：我们应该如何修正模型，使其能体现出父本母本分别产生配子的过程，以及配子的随机结合过程呢？教师引导提示：现有的模型都有3次组合过程，我们已知有性生殖过程雌雄配子间的随机结合相当于1次组合过程，那么剩下的两次组合过程应该发生在父本母本产生配子的过程，也就是配子产生过程就是一次组合的过程。

教师设置任务：请尝试转换现有的模型，使其能体现出有性生殖过程中的3次组合环节。学生分组合作讨论完成该任务。

学生修正后的数学模型如模型三和模型四所示：

教师评价学生修正后的模型，并小结模型中的要点：①亲本的基因型中每对基因分离，不同对之间自由组合；②雌雄配子间随机结合产生下一代。

设计意图  通过分析解构问题，培养学生科学思维。通过初步建模——评价——优化模型——评价的过程，让学生初步形成模型构建的思维框架。

4.3  验证模型的正确性

教师提问：要测试模型是否正确，它不仅能解释现有的现象，还能正确预测其他实验现象。设置任务：用该模型预测YyRr×yyrr的结果。

学生用修正后的模型写YyRr×yyrr产生后代的表型及比例。

教师提供真实的数据证明模型正确。

设计意图  对模型进行验证是假说—演绎法中的重要一环，培养学生的科学探究能力和“大胆假说、小心求证”的严谨科学精神。

4.4  总结自由组合定律的实质

通过用模型展示组合过程，学生已初步领会组合的含义，教师引导学生用语言阐释自由组合定律的内涵。

设计意图  归纳总结，明确数学模型所揭示的本节的核心内容。

5  教学反思

基于模型建构的探究式教学策略以假说—演绎科学探究方法为教学设计主线，以模型建构法为工具突破教学难点。教学设计以真实情境问题驱动，通过问题串解构问题，以模型建构为任务，突破关键问题，随着问题的解决，水到渠成揭示自由组合定律的内涵。该设计体现了生物学核心素养中的科学探究和科学思维中的模型与建模培养的育人价值。

5.1  模型的开发有限

由于课时有限以及完成本节完整主线教学的限制要求，很难对各种学生的多种数学模型进行充分的展示和评价，可能错过某些模型的创新。

5.2  模型的评价单一

该教学设计中，评价模型的主体是教师，依据主要是模型是否能呈现正确的表型比例结果，这样的评价体系过于单一。模型评价量表可以实现对模型的多方面量化评价，该标准更客观、稳定，因此，评价主体也可以交付给学生，进行互评。

5.3  模型优化的突破抽象

该教学设计的难点突破是模型的转换优化环节，初步建立的模型虽然能揭示结果，但不符合有性生殖过程，需要优化模型。通过教师阐释、设问引导学生突破该难点，方式比较抽象，一部分数学思维能力较强的学生能够顿悟，仍有一部分学生不能领会，思维卡顿在这里，要依靠老师帮助转换后才能理解。该环节可以再思考优化，引入具象化的设计，助力学生的思维跃升。

参考文献：

[1] 左开俊．模型与建模——中学生物学模型教育[M].苏州:苏州大学出版社，2023:99．

[2] 中华人民共和国教育部．普通高中生物学课程标准：2017年版[M].北京:人民教育出版社，2018:16.

基金项目：珠海市教育科研规划课题2023年度资助项目（课题编号：2023ZHGHKT047）成果