圍繞教學(xué)目標(biāo)，選用教學(xué)素材，落實核心素養(yǎng)
——以“基因?qū)π誀畹目刂啤苯虒W(xué)設(shè)計為例

白建秀 （北京市朝陽區(qū)教育研究中心 北京 100028）

“基因?qū)π誀畹目刂啤笔侨私贪妗侗匦?·遺傳與進化》第四章第二節(jié)的課題，包括“中心法則的提出及其發(fā)展”和“基因、蛋白質(zhì)與性狀的關(guān)系”兩部分內(nèi)容。下面重點討論第二部分內(nèi)容，該部分需要解答兩個核心問題。

第一個核心問題：為什么說基因控制生物體的性狀？

這個問題是基礎(chǔ)問題，教師可以按照圖1的方式對剛學(xué)習(xí)過的“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”內(nèi)容做簡單回顧，DNA（基因）→RNA→蛋白質(zhì)的過程既是基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的過程，也將是本節(jié)課的主線。因為有了蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者，從而就能體現(xiàn)生物體的性狀，因此基因通過控制蛋白質(zhì)的合成控制了性狀。

圖1 基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的示意圖

第二個核心問題：基因如何控制生物體的性狀？

這個問題是學(xué)生學(xué)習(xí)本部分內(nèi)容需要重點解決的問題。如何能讓學(xué)生自己得出“基因通過控制結(jié)構(gòu)蛋白、功能蛋白直接或間接控制生物體性狀”的兩條途徑；如何能讓學(xué)生自己體會到“基因與性狀、基因與基因、基因與基因產(chǎn)物、基因與環(huán)境”之間的復(fù)雜相互作用關(guān)系，從而促進學(xué)生對知識本質(zhì)的理解，是針對當(dāng)前課堂教學(xué)改革由知識本位轉(zhuǎn)向素養(yǎng)本位，教師備課過程中應(yīng)著力思考的內(nèi)容。

基于上述分析與思考，本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)制定如下：

①能從分子水平并運用結(jié)構(gòu)與功能觀說明基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的過程，從而得出對性狀控制的兩條途徑，并能解釋其中的原因（生命觀念）。

②通過資料閱讀與分析，解讀能力、比較與分類能力、歸納概括能力以及論證能力均得到一定的訓(xùn)練（科學(xué)思維）。

③在各種事例的學(xué)習(xí)過程中，感受基因?qū)π誀羁刂七^程的精準(zhǔn)性與復(fù)雜性，進而能在具體的生命現(xiàn)象中學(xué)會解釋并解決生物學(xué)問題（社會責(zé)任）。

在《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》教學(xué)建議中明確指出：組織以探究為特點的主動學(xué)習(xí)是落實生物學(xué)核心素養(yǎng)的關(guān)鍵，而要引導(dǎo)和組織學(xué)生進行探究性學(xué)習(xí)，就需要為探究性學(xué)習(xí)創(chuàng)設(shè)情境，即提供教學(xué)素材，合理選擇與有效運用教學(xué)素材是完成教學(xué)任務(wù)、達成教學(xué)目標(biāo)的重要條件，是知識轉(zhuǎn)化為素養(yǎng)的最好途徑。

1 圍繞教學(xué)目標(biāo)①，教師示范與小組合作相結(jié)合，落實生命觀念

教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)目標(biāo)中應(yīng)達成的學(xué)科核心素養(yǎng)要求、教學(xué)內(nèi)容的難易程度與學(xué)生本身認(rèn)知水平和接受程度，對選取的教學(xué)素材做一個合理的規(guī)劃。教師只有有效運用、處理好教學(xué)素材，才能呈現(xiàn)精彩的課堂教學(xué)，使學(xué)生的獲得感更強。

素材1：超過90%的人血紅蛋白是由兩條α鏈和兩條β鏈構(gòu)成，共574個氨基酸。每一條肽鏈都能結(jié)合一個含有鐵原子的環(huán)狀血紅素，氧氣能夠結(jié)合在鐵原子上，被血紅蛋白運送到全身各處。

素材2：在人體的11號染色體上存在一段含5萬個堿基對的C基因，能夠表達出一個包含529個氨基酸的酪氨酸酶（TYR），TYR能夠在黑色素細(xì)胞中進一步催化酪氨酸最終生成黑色素，使我們的皮膚、毛發(fā)及眼睛具有顏色。

為幫助學(xué)生構(gòu)建知識框架、做好“直接與間接控制生物體性狀”的鋪墊，實現(xiàn)教學(xué)的有效性，教師可以將上述兩則教學(xué)素材作為教學(xué)示例，主要從分子水平運用結(jié)構(gòu)與功能觀，帶領(lǐng)學(xué)生分析為什么血紅蛋白和酪氨酸酶分別是基因控制生物體性狀的兩條途徑，讓學(xué)生體會：

①血紅蛋白基因中遺傳信息改變與否是會通過轉(zhuǎn)錄和翻譯過程影響到血紅蛋白的結(jié)構(gòu)，血紅蛋白的結(jié)構(gòu)直接影響其功能的發(fā)揮，進而影響紅細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能，導(dǎo)致人體出現(xiàn)不同的生理特征即性狀。學(xué)生明白只有這樣的蛋白質(zhì)是結(jié)構(gòu)蛋白（反饋人教版必修1教材P23“結(jié)構(gòu)蛋白”）。它是構(gòu)成細(xì)胞和生物體結(jié)構(gòu)的重要物質(zhì)，會直接影響生物體性狀。

②酪氨酸酶基因通過轉(zhuǎn)錄和翻譯，能夠合成酪氨酸酶，而酪氨酸酶不是構(gòu)成細(xì)胞結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。學(xué)生已知酶是生物催化劑，對細(xì)胞中各種生化反應(yīng)起催化作用，由教學(xué)素材中信息可知，此酶在黑色素細(xì)胞中能將酪氨酸催化，最終生成黑色素，使皮膚、毛發(fā)及眼睛具有顏色。這個示例顯然與血紅蛋白的例子不同。學(xué)生會發(fā)現(xiàn)這個是基因通過控制酶的合成來控制細(xì)胞代謝的過程，進而控制性狀的，以此理解“間接”與“直接”的不同。

知識轉(zhuǎn)化為素養(yǎng)的最佳途徑是設(shè)計“自主探究”的學(xué)科能力活動。在教師示范性引領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)了“基因控制生物體性狀的兩條途徑”后，素材3、4和5可以作為小組活動的內(nèi)容，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用。學(xué)生先獨立思考再組內(nèi)交流討論，然后以組為單位按照教師示范的知識框架展示學(xué)習(xí)成果并用生物學(xué)語言表達，特別是對素材5的遷移運用。

素材3：CFTR基因位于人體的第7號染色體上，能編碼一個含有1480個氨基酸的跨膜蛋白（CFTR蛋白），該蛋白可以有效轉(zhuǎn)運氯離子。研究發(fā)現(xiàn)大約70%的患者中，CFTR基因缺失了3個堿基對，導(dǎo)致CFTR蛋白在第508位缺少苯丙氨酸，使氯離子蛋白通道異常關(guān)閉?；颊吆挂褐新入x子濃度升高，支氣管被異常的黏液堵塞，細(xì)菌在肺部大量滋生，常于幼年時死于肺部感染。

素材4：淀粉分支酶是合成支鏈淀粉的關(guān)鍵酶，由SBEⅠ基因表達。淀粉能夠吸水膨脹。當(dāng)豌豆成熟時，淀粉含量高的籽粒能有效地保留水分，顯得圓圓胖胖，故為圓粒。若SBEⅠ基因中被插入了一段約800個堿基對的DNA序列后，則轉(zhuǎn)錄的mRNA變長，翻譯出的多肽減少了61個氨基酸，降低了淀粉分支酶活性。當(dāng)豌豆成熟時，淀粉含量低的豌豆由于失水而顯得皺縮，故表現(xiàn)為皺粒。

素材5：胰島素是胰腺內(nèi)胰島β細(xì)胞分泌的一種蛋白質(zhì)激素，由11號染色體上的胰島素基因指導(dǎo)合成為51個氨基酸、兩條肽鏈具有一定空間結(jié)構(gòu)的胰島素。胰島素通過促進組織細(xì)胞加速攝取、利用和儲存葡萄糖，轉(zhuǎn)化糖原、脂肪、某些氨基酸等作用，從而降低血糖。

上述5則教學(xué)素材有意識地涵蓋了植物動物和人類的例子，且都在引導(dǎo)學(xué)生按照圖1所示的過程，即從分子水平解釋如何出現(xiàn)的各種性狀，體現(xiàn)了控制生物體性狀的兩條途徑，滲透了結(jié)構(gòu)與功能觀，很好地落實了生命觀念。

2 圍繞教學(xué)目標(biāo)②，教師設(shè)問與學(xué)生表達相結(jié)合，落實科學(xué)思維

蘇霍姆林斯基曾經(jīng)說過：“在人的內(nèi)心深處都有一種根深蒂固的需要，就是希望自己是一個發(fā)現(xiàn)者、研究者、探索者?！苯處熥鳛閷W(xué)生學(xué)習(xí)知識的組織者、引領(lǐng)者與合作者，要不斷挖掘、積累素材，選擇、加工素材，科學(xué)、使用素材，要讓學(xué)生在課堂獲得的不僅僅是感性的現(xiàn)象，還有理性的思考和啟迪。

在教學(xué)素材3、4和5的小組合作學(xué)習(xí)中，教師可以事先擬好便于學(xué)生獨立思考的幾個問題：

①說出每個素材中的基因控制正常蛋白質(zhì)的過程及其表現(xiàn)的性狀，并解釋導(dǎo)致異常蛋白質(zhì)的原因。

②判斷每個素材中基因控制性狀的途徑是什么？為什么？

學(xué)生獨立思考后，組內(nèi)先交流，隨后組間匯報交流，用以達成“通過資料閱讀與分析，訓(xùn)練學(xué)生的解讀能力、比較與分類能力、歸納概括能力”。教師結(jié)合圖2和圖3幫助學(xué)生梳理邏輯關(guān)系，也可以針對素材4，再提出“增加800個堿基對，為什么翻譯出的多肽還少61個氨基酸”等問題。學(xué)生通過表達，呈現(xiàn)思維路徑，對思維品質(zhì)的訓(xùn)練起到一定的促進作用。

教師通過精選教學(xué)素材，能使教學(xué)素材更有效地服務(wù)于課堂教學(xué)活動，讓學(xué)生通過對教學(xué)素材的評述，最大程度地吸收教學(xué)內(nèi)容。這些素材可以幫助學(xué)生再闡明像酶、蛋白質(zhì)類激素等蛋白質(zhì)在生命體中的作用，從而使學(xué)生更好地理解這條途徑。

圖2 CFTR基因的致病過程

圖3 皺粒性狀的體現(xiàn)過程

再如，在揭示“基因通過蛋白質(zhì)的合成直接或間接控制生物體的性狀”的途徑后，如何讓學(xué)生能夠體驗“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成來控制生物體性狀”的這條道路上并不“平坦”?；蚩刂菩誀畹倪^程會受到很多內(nèi)部微環(huán)境和外部環(huán)境因素影響的，事實上多數(shù)情況也不是一個基因?qū)?yīng)一個性狀的，生物體表現(xiàn)出的各類性狀其實就像是“過五關(guān)斬六將”。教師需要搜集、選編切合學(xué)生實際的真實的教學(xué)素材，讓學(xué)生體驗到這些事實。

素材6：矮牽牛的花色主要由花青素決定，當(dāng)花青素缺失時，矮牽牛的花色表現(xiàn)為白色。圖4展示的是矮牽牛細(xì)胞中花青素（非蛋白質(zhì)）合成的部分途徑。

圖4 矮牽牛細(xì)胞中花青素合成的部分途徑

教師設(shè)置以下層層遞進的問題：

①藍(lán)色矮牽牛花色是經(jīng)過怎樣的過程形成的？

②矮牽牛的花色性狀是通過基因控制哪個途徑實現(xiàn)的？

③花色為紅色的矮牽牛細(xì)胞中至少需要幾個基因控制？磚紅色或藍(lán)色呢？

④從矮牽?；ㄉ哪骋环N顏色（性狀）看，基因與性狀的對應(yīng)關(guān)系是什么？

這個教學(xué)素材以形成矮牽牛藍(lán)色花為例，至少需要3個關(guān)鍵酶，即至少需要3個基因控制。學(xué)生會從實實在在的例子中自己體會到“基因與性狀并非簡單的線性關(guān)系”。而且對花青素是否會如期形成藍(lán)色，學(xué)生由已學(xué)知識可知，酶的活性受溫度、pH等因素影響的，所以會對基因與性狀的關(guān)系有進一步的理解。

在矮牽?；ㄉ纬傻恼鎸嵡榫持校處熗ㄟ^設(shè)置一些由淺至深的問題，引發(fā)學(xué)生的思維活動，讓學(xué)生主動參與其中，主動獲取知識，構(gòu)建新知，養(yǎng)成思考的習(xí)慣以及形成正確的思維方式，對落實核心素養(yǎng)中的科學(xué)思維起到助推作用。

3 圍繞教學(xué)目標(biāo)③，科研實驗與學(xué)生解釋相結(jié)合，落實社會責(zé)任

教師提供實驗1：在紅色矮牽牛中，有一段不編碼蛋白質(zhì)的DNA序列（Tpn3），Tpn3可以在不同的染色體之間“跳躍”，并整合到所“跳”的DNA中，當(dāng)這段“跳躍的”Tpn3插入到CHS基因序列中時，矮牽牛原本紅色的花瓣，會出現(xiàn)大量白色部分。請從分子水平用已有的知識進行解釋。

實驗2：科學(xué)家將一段外源DNA導(dǎo)入到矮牽牛中，該基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物可與CHS基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物堿基互補配對，形成一條不穩(wěn)定的雙鏈RNA，并隨后被RNA酶迅速降解。根據(jù)此信息，請寫出花色可能出現(xiàn)的變化并從分子水平予以解釋。

實驗3：據(jù)科學(xué)家研究，在矮牽牛藍(lán)、白色的復(fù)色品種中，藍(lán)色部分和白色部分的多少，受到環(huán)境溫度影響很大，在30℃～35℃時，花色多為藍(lán)色或紫色，可在15℃時，花是白色的。請說出是什么因素對花色有影響。

……

在這一教學(xué)過程中，教師通過搜集科研人員對矮牽牛花色多年研究的真實情境的教學(xué)素材，創(chuàng)設(shè)系列清晰明朗的問題，讓學(xué)生層層剝筍，找到問題的核心和本質(zhì)，在爭辯和思考中清晰知識、建構(gòu)知識、內(nèi)化知識。這樣也彌補了教材的空缺，使學(xué)生產(chǎn)生對基因與性狀非簡單的線性關(guān)系的認(rèn)識，體驗基因與基因、基因與基因產(chǎn)物、基因與環(huán)境之間存在著復(fù)雜的相互作用，能夠更好地達成“感受基因?qū)π誀羁刂七^程的精準(zhǔn)性與復(fù)雜性，進而能在具體的生命現(xiàn)象中學(xué)會解釋、解決生物學(xué)問題”，以落實社會責(zé)任的教學(xué)目標(biāo)。

教師選擇教學(xué)素材應(yīng)為達成圍繞課程標(biāo)準(zhǔn)、體現(xiàn)生物學(xué)科核心素養(yǎng)而確定的教學(xué)目標(biāo)服務(wù)。如果教學(xué)素材不能為實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)服務(wù)，只為求新求異，那么再精彩的內(nèi)容也會顯得華而不實、畫蛇添足、浮筆費墨。

實踐證明，教師圍繞教學(xué)目標(biāo)，對教學(xué)素材有效運用，能更好地營造有利于學(xué)生自主探究的課堂氛圍，使學(xué)生發(fā)生真實而有深度的學(xué)習(xí)，從而感嘆自然的力量、生命的神奇，體會自主學(xué)習(xí)的快樂和分享成功的喜悅，并有利于實現(xiàn)預(yù)設(shè)與生成的統(tǒng)一，最終落實學(xué)生的核心素養(yǎng)，為高中生物課堂帶來精彩。