數(shù)學(xué)原理在遺傳學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用與實踐

遺傳學(xué)教學(xué)中的數(shù)學(xué)原理數(shù)學(xué)文化讀書報告黃武浩彈藥2班 2011303521摘要：遺傳學(xué)的建立、發(fā)展和完善與數(shù)學(xué)緊密相連。采用“滲透式”教學(xué)的方法，把遺傳學(xué)知識和數(shù)學(xué)思維有機結(jié)合，巧妙應(yīng)用數(shù)學(xué)的方法和技巧，將部分遺傳現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象和邏輯推理，提升學(xué)生對遺傳學(xué)的認(rèn)識和理解層次，進(jìn)一步提高的學(xué)習(xí)和研究能力。關(guān)鍵詞：遺傳學(xué)數(shù)學(xué)；數(shù)學(xué)原理；滲透式教學(xué)；邏輯思維首先作者通過介紹數(shù)學(xué)是研究各門學(xué)科的重要工具，從而引入遺傳學(xué)教學(xué)與數(shù)學(xué)的關(guān)系，21世紀(jì)是生命科學(xué)的時代，而遺傳學(xué)特別是分子遺傳學(xué)在生命科學(xué)中據(jù)主流地位，它推動著整個生命科學(xué)的迅猛發(fā)展，近年來遺傳學(xué)教學(xué)信息量劇增與其授課學(xué)時不斷壓縮之間的矛盾日趨突出。遺傳學(xué)教學(xué)工作者提出了概念圖的應(yīng)用、知識的模塊化和網(wǎng)絡(luò)化、學(xué)科間的滲透式教學(xué)和PBL教學(xué)等。但是如何進(jìn)一步將遺傳學(xué)知識用數(shù)學(xué)語言來描述，如何將遺傳學(xué)的基本概念進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象，以及如何運用數(shù)學(xué)思維來講授遺傳學(xué)，是遺傳學(xué)教師面臨的新問題，更是新的挑戰(zhàn)。下述為作者結(jié)合自己的教學(xué)實踐總結(jié)出的一些經(jīng)驗，頗有理論意義。1 數(shù)學(xué)滲透促進(jìn)遺傳學(xué)學(xué)科的建立和發(fā)展1.1 數(shù)學(xué)思維的成功應(yīng)用促進(jìn)遺傳學(xué)誕生和發(fā)展1865年，孟德爾的豌豆雜交實驗論文首次利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法，系統(tǒng)地描述了生物性狀的遺傳現(xiàn)象，從而提出了分離定律和自由組合定律。由于他的結(jié)論是基于統(tǒng)計分析方法，推論嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯正確。由于在那個時代數(shù)學(xué)方法用于生物研究是極不尋常的，所以近半個世紀(jì)后的1900年，人們才重新發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象，這標(biāo)志著遺傳學(xué)學(xué)科的正式誕生，同時也是數(shù)學(xué)介入遺傳學(xué)的開始。而遺傳學(xué)早期的研究焦點是遺傳物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)，Levene利用磷酸、五碳酸和含氮堿之間的數(shù)量關(guān)系來有效區(qū)別DNA和RNA，同時提出四種核苷酸的數(shù)量關(guān)系與物種的多樣性有關(guān)。最近Deng基于DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)和堿基的組成又建立了DNA復(fù)制的數(shù)學(xué)模型，這暗示雙螺旋結(jié)構(gòu)可能是數(shù)學(xué)語言在生命活動規(guī)律中的一種表現(xiàn)。由此，數(shù)學(xué)與遺傳學(xué)的建立和發(fā)展密不可分，這可能是數(shù)學(xué)作為生物類專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)課程設(shè)置的科學(xué)依據(jù)。1.2 數(shù)學(xué)思維在教學(xué)應(yīng)用的展望興趣是促進(jìn)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的動力，也是推動學(xué)生成才的起點。由于遺傳學(xué)知識復(fù)雜、信息量大、理論性和實踐性較強，導(dǎo)致學(xué)生對該課程缺乏興趣。不同學(xué)科間知識點的有機銜接是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的有效途徑之一。當(dāng)今生命科學(xué)已進(jìn)入數(shù)學(xué)化時代利用數(shù)學(xué)的思維和方法解析基因在遺傳發(fā)育中的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系已成為研究熱點，利用數(shù)學(xué)知識來理解遺傳學(xué)的概念和原理也成為數(shù)學(xué)改革的目標(biāo)和方向。作者提出一個概念：在黑板上畫一個大圓和兩個小圓，在各個圓中寫入一些字母和符號，然后把大圓比作細(xì)胞核，兩個小圓比作線粒體和葉綠體，而圓中的字母和符號當(dāng)做基因，最后將大圓中的所有元素構(gòu)成的集合類比成核基因組，兩個圓形成的集合就分別是線粒體基因和葉綠體基因組。這樣就建立了類比關(guān)系。在集合論基礎(chǔ)上，它運用了運動和變化觀點，把變量和變量之間的關(guān)系歸納為兩集合中元素間的對應(yīng)就是函數(shù)思想。所以教師靈活數(shù)學(xué)思維和原理來講解遺傳學(xué)的概念，用數(shù)學(xué)的思維進(jìn)行抽象，能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到事半功倍的效果。1.3 數(shù)學(xué)思維向遺傳學(xué)教學(xué)滲透的作用在遺傳學(xué)教學(xué)過程中借助數(shù)學(xué)思維來理解遺傳現(xiàn)象的本質(zhì)，拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)視野。如前所述集合與基因組和元素與基因之間的聯(lián)系，映射法則與基因?qū)π螤畹淖饔藐P(guān)系，以及排列組合與減數(shù)分裂過程中染色體的行為，事件的概率原理與三大遺傳定律的邏輯聯(lián)系，以及方程和函數(shù)思想與功能基因的解析之間的一致性等。適當(dāng)運用類比、抽象和邏輯推理可以激發(fā)學(xué)生的積極性，提高學(xué)生的自學(xué)能力。圍繞“染色體理論”的三大遺傳定律：分離定律，自由組合定律和連鎖互換定律，是遺傳學(xué)特別是經(jīng)遺傳學(xué)教學(xué)體系的主線。根據(jù)作者的體會，可以利用概率論原理對其進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象。思路如下：第一才，快速回顧一下減數(shù)分裂的過程和遺傳的染色體理論的基本內(nèi)容；第二，明確一條染色體上有多個基因以及聯(lián)會是減數(shù)分裂的子代細(xì)胞只能得到同源染色體中的其中之一，因此一對同源染色體同時進(jìn)入同一子細(xì)胞是一個互斥事件，而每個子細(xì)胞獲得同源染色體中的一條則是一個必然事件，這就是將分離定律抽象為互斥事件。遺傳學(xué)教學(xué)通常采用網(wǎng)絡(luò)式和框架式教學(xué)來提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，而學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力又是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵。作者也嘗試?yán)脭?shù)學(xué)函數(shù)的英文單詞“Function”的一詞多義來激發(fā)學(xué)生對遺傳學(xué)問題的主動思考和探索：“Function”具有功能和函數(shù)的意義，結(jié)合前面的分析，基因?qū)π誀钍且环N函數(shù)關(guān)系，也是基因功能的展現(xiàn)形式；由此表明不同的基因和性狀之間的函數(shù)關(guān)系可能存在差異、綜上所述，將數(shù)學(xué)思維和原理向遺傳學(xué)課堂教學(xué)進(jìn)行滲透引導(dǎo)學(xué)生用數(shù)學(xué)語言對遺傳學(xué)基本原理進(jìn)行概括和抽象，能達(dá)到事半功倍的效果。2 數(shù)學(xué)原理向遺傳學(xué)滲透式教學(xué)的思考2.1 數(shù)學(xué)滲透是培養(yǎng)創(chuàng)新性復(fù)合型人才重要途徑創(chuàng)新是民族進(jìn)步的靈魂，而人才培養(yǎng)的最高境界就是創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)，大學(xué)又是創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的主要基地。當(dāng)前自然科學(xué)的研究正處于一種數(shù)學(xué)化趨勢，用數(shù)學(xué)的語言和思維來理解生命活動的本質(zhì)，更是實現(xiàn)新形式下高等院校人才培養(yǎng)目標(biāo)的需要。過去由于學(xué)生對學(xué)科間知識點的內(nèi)在聯(lián)系缺乏認(rèn)識，沒有形成有機的完整的體系和骨架，不同課程之間的知識是孤立的、靜止的和零散的。這嚴(yán)重制約了學(xué)生綜合創(chuàng)新能力的提高。數(shù)學(xué)思維具有高度的概括性和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬓?，在幫助學(xué)生構(gòu)建完整的知識體系和尋找不同學(xué)科知識點的內(nèi)在聯(lián)系等方面具有明顯優(yōu)勢。因此，在遺傳學(xué)教學(xué)中進(jìn)行數(shù)學(xué)滲透，將遺傳學(xué)知識與數(shù)學(xué)知識建立起有機的聯(lián)系，是創(chuàng)新型復(fù)合型人才培養(yǎng)的重要途徑。2.2 數(shù)學(xué)滲透是多元化的教學(xué)手段和結(jié)果采用多元化的教學(xué)手段，注重授課知識的簡約化和系統(tǒng)化，使學(xué)生從不同的角度來思考問題和解決問題。由于教學(xué)概念具有高度的概括性，其推理又具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬓裕虼死脭?shù)學(xué)思維來講解遺傳學(xué)，將遺傳學(xué)知識系統(tǒng)化和體系化。同事數(shù)學(xué)知識具有豐富的內(nèi)涵，有許多可供遺傳學(xué)教學(xué)利用的素材。顯而易見，數(shù)學(xué)滲透是多元化教學(xué)手段的必然結(jié)果。2.3 數(shù)學(xué)滲透是遺傳學(xué)學(xué)科發(fā)展的必然趨勢數(shù)學(xué)是一種科學(xué)思想，也是研究生物學(xué)的工具，更是一種研究方法和手段。隨著數(shù)學(xué)知識向遺傳學(xué)研究中的不同層次和領(lǐng)域進(jìn)行滲透，使的遺傳學(xué)產(chǎn)生了許多分支學(xué)科如群體遺傳學(xué)、數(shù)量遺傳學(xué)、數(shù)量進(jìn)化遺傳學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)等。而這些學(xué)科的發(fā)展又反過來促進(jìn)人們對遺傳學(xué)現(xiàn)象認(rèn)識的不斷完善和升華，如數(shù)量遺傳學(xué)否定了融合遺傳理論，生物信息學(xué)的出現(xiàn)為解析基因的功能提供了新的思路和方法。由此可見將包括數(shù)學(xué)在內(nèi)的其他學(xué)科的知識原理向遺傳學(xué)教學(xué)以及科研進(jìn)行交叉和融合，是遺傳學(xué)學(xué)科自身發(fā)展的必然趨勢。參考文獻(xiàn)：1王克迪 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