基于學(xué)科本質(zhì)的高中生物課堂教學(xué)*
——以《基因是有遺傳效應(yīng)的DNA片段》一節(jié)為例

周 韜

一、研究背景

生物學(xué)科本質(zhì)包含兩個(gè)層面的內(nèi)涵：一是生物學(xué)本質(zhì)上是一門自然科學(xué)；二是生物學(xué)具有自身的學(xué)科特點(diǎn)，因此中學(xué)生物學(xué)課程不同于其他自然科學(xué)課程，具有獨(dú)特的特點(diǎn)和不可替代的育人價(jià)值[1]。從趙占良老師的觀點(diǎn)中，筆者認(rèn)為最獨(dú)特的育人價(jià)值具體體現(xiàn)在四方面：一是生物學(xué)研究的對(duì)象獨(dú)特，是“活物”；二是生物學(xué)是開放的、動(dòng)態(tài)的知識(shí)體系，相關(guān)概念原理可能隨著研究進(jìn)展而進(jìn)行修正；三是生物學(xué)特殊的研究對(duì)象——“人”，人既是研究的主體又是研究的客體；四是生物學(xué)應(yīng)用廣泛，包括資源利用、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、教學(xué)科研等，與人們的日常生活息息相關(guān)。在中學(xué)生物教學(xué)過(guò)程中，教師可以將育人價(jià)值滲透入課堂教學(xué)中，以生物學(xué)科本質(zhì)組織教學(xué)，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的目的。本文以人教版高中生物學(xué)教材《遺傳和進(jìn)化》第3章第4節(jié)《基因是有遺傳效應(yīng)的DNA片段》為例來(lái)談這一問(wèn)題。

二、基于核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)

(1)通過(guò)了解人類基因組計(jì)劃(Human Genome Project，簡(jiǎn)稱HGP)以及精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)計(jì)劃(Precision Medicine Initiative)，了解基因產(chǎn)業(yè)作為朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)給人類醫(yī)療帶來(lái)的巨大變革，增加學(xué)習(xí)生物學(xué)的興趣。

(2)通過(guò)資料分析獲取信息，歸納概括并自我構(gòu)建“基因”的概念模型，解釋基因的結(jié)構(gòu)和功能的特點(diǎn)，并形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

(3)通過(guò)圖文信息轉(zhuǎn)換列表比較真核生物和原核生物基因組，歸納和概括真核和原核生物基因組的特點(diǎn)，并對(duì)人類基因組中97%的“暗序列”即非編碼序列的作用提出猜想，培養(yǎng)批判性思維和創(chuàng)造性思維。

(4)通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型的方法，分析并探究脫氧核苷酸序列與遺傳信息的多樣性和特異性，建立由基因多樣性形成生物多樣性的生物學(xué)進(jìn)化觀。

(5)通過(guò)構(gòu)建本節(jié)概念圖總結(jié)核心知識(shí)，鍛煉學(xué)生的邏輯思維能力。

三、教學(xué)環(huán)節(jié)

1.創(chuàng)設(shè)情景

HGP于1990年正式啟動(dòng)，是由美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、日本和我國(guó)科學(xué)家共同完成人類全基因組的測(cè)序計(jì)劃，揭開組成人體2.5萬(wàn)個(gè)基因的30億個(gè)堿基對(duì)的秘密。2015年1月20日，時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬在國(guó)情咨文演講中啟動(dòng)精準(zhǔn)醫(yī)療計(jì)劃，目的是整合人類基因組和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)用于治療癌癥、糖尿病、白血病等一些頑疾。

教師以“兩個(gè)計(jì)劃”資料進(jìn)行課堂導(dǎo)入，結(jié)合生物前沿知識(shí)領(lǐng)域，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)的興趣，增加了學(xué)習(xí)熱情和社會(huì)責(zé)任感。

2.資料分析建構(gòu)“基因”概念

在建構(gòu)“基因”概念時(shí)，通過(guò)調(diào)整課本中的資料順序，采取任務(wù)驅(qū)動(dòng)、問(wèn)題串和歸納總結(jié)的方式，分別從基因大小、基因功能、基因定義3個(gè)層次循序漸進(jìn)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析、交流，最終自我建構(gòu)基因的概念。

(1)基因的大小

任務(wù)一：請(qǐng)學(xué)生按課本中資料1和3中的數(shù)據(jù)列表比較大腸桿菌和人類基因組的差異，并以表格形式展示(見(jiàn)表1)。

表1

任務(wù)二：請(qǐng)根據(jù)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向比較并回答問(wèn)題，基因和DNA在數(shù)量上有什么關(guān)系？DNA是基因的集合嗎？基因在DNA上是如何分布的？

任務(wù)三：請(qǐng)根據(jù)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向比較并回答問(wèn)題，真核基因組和原核基因組有什么區(qū)別？真核生物中的非基因序列是垃圾基因嗎？有什么用途？請(qǐng)大膽猜想。

學(xué)生通過(guò)數(shù)據(jù)的文圖轉(zhuǎn)化訓(xùn)練能有效掌握資料中的重點(diǎn)內(nèi)容。先橫向比較單一物種數(shù)據(jù)，可以得出基因是DNA片段，DNA中存在大量的非基因片段，因此基因是不連續(xù)分布在DNA上的。然后再通過(guò)縱向比較大腸桿菌和人類基因組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)真核生物的基因組比原核生物基因組要大，而且真核生物所含的非基因序列遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于原核生物，并對(duì)非基因序列的用途進(jìn)行大膽猜想。

(2)基因的功能

教師請(qǐng)學(xué)生根據(jù)課文中資料2和資料4回答問(wèn)題：HMGIC基因有什么作用？HMGIC基因有什么功能？綠色熒光蛋白基因如何控制生物體的性狀？綠色熒光蛋白基因能穩(wěn)定遺傳嗎？DNA作為遺傳物質(zhì)體現(xiàn)在哪些方面？

學(xué)生按照問(wèn)題從易到難依次回答：HMGIC基因與小鼠的肥胖有關(guān)，HMGIC基因能控制小鼠肥胖的性狀。綠色熒光蛋白基因可以控制綠色熒光蛋白質(zhì)的合成，從而控制生物性狀，且能在不同生物中表達(dá)，因此基因有遺傳效應(yīng)，并且可以獨(dú)立起作用。DNA作為遺傳物質(zhì)必須結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能遺傳給下一代。

(3)基因的定義

學(xué)生總結(jié)上述資料，分析交流，得出基因的概念。基因是有遺傳效應(yīng)的DNA片段?；蚴巧矬w遺傳的功能單位和結(jié)構(gòu)單位。

3.探究脫氧核苷酸序列與遺傳信息的多樣性和特異性

教師通過(guò)分析染色體、DNA、基因和脫氧核苷酸的關(guān)系，分析得到遺傳信息蘊(yùn)藏在4種堿基的排列順序之中。針對(duì)DNA分子的多樣性和特異性，教師設(shè)計(jì)了相應(yīng)的情境資料。

情境1：假設(shè)長(zhǎng)度為1 000個(gè)堿基對(duì)的脫氧核苷酸序列組成一個(gè)控制臉型基因，那么，1 000個(gè)堿基對(duì)可以排出多少種基因？

情境2：截至2016年，全球人口接近73億。假設(shè)人類基因組中第1號(hào)染色體的第1個(gè)基因是由1 000個(gè)堿基對(duì)隨機(jī)排列構(gòu)成的，那么1 000個(gè)堿基對(duì)所有排列是否都有機(jī)會(huì)出現(xiàn)？你和同桌臉型相同的可能性是多少？

學(xué)生通過(guò)情境1的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析，得出控制臉型的基因有41 000種可能，因此不同個(gè)體的臉型相同的概率是4～1 000，而且不是所有排列都有機(jī)會(huì)出現(xiàn)，必須要能通過(guò)轉(zhuǎn)錄和翻譯表現(xiàn)出性狀，從而加深了對(duì)DNA分子的多樣性和特異性的理解。

4.構(gòu)建基因概念圖 歸納總結(jié)本節(jié)知識(shí)

通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生繪制概念圖，進(jìn)行小組交流討論、補(bǔ)充完善，最后班級(jí)分享展示。學(xué)生作品如圖1所示。

圖1

四、教學(xué)策略和反思

1.創(chuàng)設(shè)情境

通過(guò)對(duì)HGP以及精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)計(jì)劃的介紹，有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并順理成章地引導(dǎo)學(xué)生對(duì)基因進(jìn)行深思，為課堂教學(xué)作了很好的鋪墊。

2.概念模型建構(gòu)

通過(guò)資料分析讓學(xué)生自主建構(gòu)“基因”概念，并完成本節(jié)內(nèi)容概念圖的構(gòu)建。通過(guò)對(duì)課文中4個(gè)資料的學(xué)習(xí)、分析，學(xué)生體驗(yàn)了認(rèn)識(shí)自然規(guī)律、現(xiàn)象的特殊思維過(guò)程及探究方式，同時(shí)訓(xùn)練了辯證邏輯思維、整體性思維和復(fù)雜性思維。在形成概念的同時(shí)，學(xué)生也充分理解到生物知識(shí)體系是開放的、動(dòng)態(tài)的，很多概念正在不斷修正中，如人類基因組從開始提出由3.5～4萬(wàn)個(gè)到現(xiàn)在約2.5萬(wàn)個(gè)基因。對(duì)于97%的非編碼序列的作用的猜想也有助于發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性思維并增加學(xué)習(xí)生物學(xué)的歷史使命感。

3.數(shù)學(xué)模型建構(gòu)

在探究遺傳信息的多樣性活動(dòng)中，學(xué)生通過(guò)模擬DNA結(jié)構(gòu)模型建立了數(shù)學(xué)模型，加深了對(duì)DNA多樣性、特異性的理解。在該環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生在鍛煉邏輯思維的同時(shí)形成了進(jìn)化思想的生命觀念。

五、結(jié)語(yǔ)

從以上幾方面，在基于學(xué)科本質(zhì)的高中生物課堂教學(xué)中，教學(xué)內(nèi)容更加充實(shí)，教學(xué)形式更加多樣，教學(xué)策略更加豐富，核心素養(yǎng)培養(yǎng)更加具體，生物學(xué)育人價(jià)值體現(xiàn)得更加淋漓盡致，不可替代。