構(gòu)建主動學(xué)習(xí)情境 培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)知能力*——以“三種可遺傳變異”專題復(fù)習(xí)教學(xué)為例

蔣選榮

“學(xué)習(xí)金字塔”理論將學(xué)習(xí)方式分為被動學(xué)習(xí)和主動學(xué)習(xí)。討論、實踐、教授他人三種學(xué)習(xí)方式是學(xué)習(xí)效率比較高的方式，學(xué)習(xí)目標(biāo)達(dá)成率在50%以上，屬于主動學(xué)習(xí)。高中生物課堂教學(xué)中對學(xué)生認(rèn)知能力的培養(yǎng)主要體現(xiàn)在三方面：第一是思維能力培養(yǎng)，包括獨立思考、信息處理、邏輯推理；第二是操作實踐，包括實驗、模型制作、概念圖繪制等；第三是對思維結(jié)果的提煉和加工，包括文字概括、語言描述等。在課堂教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生運用主動學(xué)習(xí)方式有助于培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)知水平。高中生物學(xué)專題復(fù)習(xí)課是在新授課學(xué)習(xí)了特定的教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上，對生物學(xué)知識體系（包括特有的思維方式和探究過程）、科學(xué)方法、科學(xué)史等進行梳理及提煉過程，也是構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)、進行知識遷移和運用的深度學(xué)習(xí)的過程?！俺志玫馗倪M教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方法的唯一直接途徑，在于把注意集中在嚴(yán)格要求思維、促進思維和檢驗思維的種種條件上?！保?］現(xiàn)以“三種可遺傳變異”專題復(fù)習(xí)課為例，說明如何通過構(gòu)建主動學(xué)習(xí)的教學(xué)情境來培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)知能力的課堂教學(xué)過程。

一、主動建構(gòu)知識體系，形成概念

“三種可遺傳變異”復(fù)習(xí)課的一般教學(xué)設(shè)計是對三種類型的變異進行比較，從定義、類型、發(fā)生時期、發(fā)生變異的生物種類、意義、對進化的影響等多個維度進行辨析，通常是教師設(shè)計表格，學(xué)生只需要完成表格內(nèi)容，教師進行歸納總結(jié)。這種教學(xué)設(shè)計指向性明確，目標(biāo)易達(dá)成，課堂教學(xué)操作性強。但也存在思維深度和廣度不夠，邏輯推理過程不明顯，沒有主動對知識進行遷移運用的深度學(xué)習(xí)過程。本節(jié)課突破常規(guī)教學(xué)設(shè)計，直接以問題的形式導(dǎo)入，提出的問題是：結(jié)合所學(xué)知識，嘗試對“遺傳”“變異”作出解釋。要求學(xué)生各自獨立思考，可以查詢教材或其他資料，在筆記本上用文字表述出對“遺傳”“變異”的認(rèn)識，在同組內(nèi)交流，對“遺傳”“變異”的概念進行修正，最終形成統(tǒng)一認(rèn)識，建構(gòu)概念，準(zhǔn)備在班級交流。圍繞問題，學(xué)生經(jīng)歷的學(xué)習(xí)過程如圖1 所示。

圖1 學(xué)生經(jīng)歷的學(xué)習(xí)過程

圍繞問題，過程①是學(xué)生自主學(xué)習(xí)過程，包含了獨立思考、信息加工、邏輯推理等過程，有助于培養(yǎng)學(xué)生思維能力。過程②是對思維結(jié)果進行提煉加工過程，有利于培養(yǎng)學(xué)生文字概括能力。過程③是組內(nèi)交流過程，學(xué)生之間相互討論，概括提煉過程，有利于培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理及語言表述能力。過程④是組內(nèi)達(dá)成共識后，對“遺傳”“變異”概念修正和建構(gòu)的過程，有助于培養(yǎng)學(xué)生思維及文字概括能力。過程⑤是組外交流過程，是知識運用過程，包括用概念圖、模型、圖表等形式解釋概念的過程，是運用生物學(xué)知識的實踐過程，有利于培養(yǎng)學(xué)生思維、語言表述、動手實踐能力等。課堂教學(xué)過程的實錄如下：

生1：我通過回顧細(xì)胞有絲分裂過程、減數(shù)分裂過程及相關(guān)圖形，對比了基因突變、基因重組、染色體變異三種變異類型，對“遺傳”的解釋是“生物的性狀從親代傳遞到子代”；對“變異”的解釋是“生物親代和子代之間性狀上的差異”。相應(yīng)“遺傳”的例證有“細(xì)胞有絲分裂產(chǎn)生的子代細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)與親代細(xì)胞一致”“孟德爾一對相對性狀的遺傳實驗中，F(xiàn)1代、F2代中部分個體性狀與親代一致的現(xiàn)象”；有關(guān)“變異”的例證有“同一細(xì)胞的后代經(jīng)歷細(xì)胞分化，出現(xiàn)了形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理功能上的差異”“孟德爾豌豆雜交實驗中出現(xiàn)了與親本不一樣的表現(xiàn)型”等。

生2：“遺傳”就是親代將基因傳遞給子代；“變異”是遺傳物質(zhì)的改變?！斑z傳”例證是“有絲分裂間期或減數(shù)第一次分裂前的間期DNA 都復(fù)制1 次，細(xì)胞分裂完成時，親代細(xì)胞DNA 平均分配到子代細(xì)胞”；“變異”的例證是“DNA 復(fù)制過程中基因發(fā)生突變，配子形成過程中發(fā)生基因重組或染色體結(jié)構(gòu)、數(shù)目的變化”。

師：同學(xué)們能否從分子水平、細(xì)胞水平、個體水平對遺傳和變異進行闡述？建議大家組內(nèi)討論，說出自己的認(rèn)識，形成共識后組外交流。

生3：我們討論的結(jié)果可以用下面的圖解表示（見下頁圖2）。我們對“遺傳”的認(rèn)識是從分子水平、細(xì)胞水平、個體水平三個層面上探討的，分子水平的遺傳是指遺傳物質(zhì)（DNA）從親代細(xì)胞傳遞到子代細(xì)胞；細(xì)胞水平的遺傳是指細(xì)胞通過增殖產(chǎn)生形態(tài)結(jié)構(gòu)、功能一致的細(xì)胞；個體水平的遺傳是指子代個體性狀與親代一致的現(xiàn)象。對“變異”也存在上述三個層面的認(rèn)識，即分子水平上發(fā)生的遺傳物質(zhì)的改變、細(xì)胞分化后在形態(tài)結(jié)構(gòu)及功能等方面的差異、個體表現(xiàn)型差異。遺傳物質(zhì)的改變是可以遺傳的，基于遺傳物質(zhì)改變基礎(chǔ)上的細(xì)胞水平的差異及個體表現(xiàn)型的差異也是可以遺傳的，基于環(huán)境影響產(chǎn)生的變異是不能遺傳的。

圖2 “遺傳”及“變異”思維導(dǎo)圖

師：從“遺傳”和“變異”的本質(zhì)分析，“遺傳”的實質(zhì)是遺傳物質(zhì)的傳遞；“變異”的實質(zhì)是遺傳物質(zhì)的改變，“變異”類型分為“可遺傳變異”和“不可遺傳變異”兩種類型。基于遺傳物質(zhì)變化基礎(chǔ)上的“變異”是“可遺傳變異”，是遺傳物質(zhì)表達(dá)后表現(xiàn)出細(xì)胞水平和個體水平相似或差異的現(xiàn)象。例如，基因的選擇性表達(dá)會導(dǎo)致細(xì)胞的差異；原癌基因和抑癌基因突變后，正常細(xì)胞癌變成癌細(xì)胞；夫婦正常，生出了白化病患者，個體水平性狀發(fā)生了改變。能否用概念圖表示遺傳物質(zhì)和性狀之間的關(guān)系呢？

學(xué)生展示概念圖（整理后見圖3）。

圖3 基因?qū)π誀羁刂频母拍顖D

師：還有哪位同學(xué)對該概念圖進行修改并說明理由？

學(xué)生展示概念圖（整理后見圖4）。

圖4 反映生物多樣性的概念圖

二、改“歸納總結(jié)”為“自主整理”

針對教學(xué)環(huán)節(jié)一中生成的問題“遺傳物質(zhì)變化的類型有哪些”，教師要求學(xué)生寫出可遺傳變異的類型并作出解釋，并建議用思維導(dǎo)圖或概念圖形式展示給大家。教材內(nèi)容中包含基團突變、基因重組、染色體變異內(nèi)容，具體知識點內(nèi)容詳細(xì)而清晰，由教師“歸納總結(jié)”可以使其簡潔明了，節(jié)省教學(xué)時間。但教師的“歸納總結(jié)”對學(xué)生而言是“被動學(xué)習(xí)”，缺乏思維和實踐經(jīng)歷，學(xué)習(xí)效率不高。根據(jù)佐藤學(xué)的見解，一般意義（科學(xué)概念）的溝通的語言→“外部語言”“內(nèi)化”為思維語言→表現(xiàn)學(xué)習(xí)者的感知含義（自發(fā)概念）→結(jié)構(gòu)化的過程，謂之“學(xué)習(xí)”。［2］“可遺傳變異”教學(xué)內(nèi)容并不復(fù)雜和深奧，學(xué)生可以通過整理教材內(nèi)容、相互交流等學(xué)習(xí)方式進行主動學(xué)習(xí)，有效提高教學(xué)效果。教師對學(xué)生“自主整理”過程進行引導(dǎo)和幫助，在學(xué)生主動學(xué)習(xí)過程中起著“搭支架”的作用。具體教學(xué)實錄如下。

生4：我們學(xué)習(xí)小組繪制了思維導(dǎo)圖。（見圖5）

圖5 可遺傳變異類型思維導(dǎo)圖

師：請其他同學(xué)對展示的思維導(dǎo)圖進行補充說明。

生5：三種類型的可遺傳變異發(fā)生的機制有差異，基因突變是基因內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，實質(zhì)是堿基對的增添、缺少、替換；基因重組主要發(fā)生在有性生殖過程，是控制不同性狀的基因重新組合，體現(xiàn)在減數(shù)分裂過程中非同源染色體上的非等位基因的重新組合；染色體變異涉及基因數(shù)量和排列順序的改變，對生物性狀的影響大，通常會導(dǎo)致個體發(fā)育不良或在幼齡階段致死。

師：可遺傳變異主要是指分子水平層次遺傳物質(zhì)的變化可能會導(dǎo)致生物性狀的變化。通常有絲分裂過程中會發(fā)生基因突變、染色體變異；減數(shù)分裂過程中會發(fā)生基因突變、基因重組、染色體變異?？蛇z傳變異是生物性狀改變的內(nèi)因，遺傳物質(zhì)的改變不一定改變生物性狀。例如，隱性突變、突變發(fā)生在非蛋白質(zhì)編碼序列、環(huán)境對性狀的影響等。

三、辯證分析“遺傳與變異的聯(lián)系”

師：結(jié)合對前面2 個問題的討論，說明遺傳與變異的聯(lián)系。建議結(jié)合遺傳與變異的現(xiàn)象、DNA（基因）、染色體結(jié)構(gòu)及功能、減數(shù)分裂形成配子的過程等進行分析。

生6：遺傳與變異是生物的基本特征，是對立和統(tǒng)一的關(guān)系。遺傳是變異的基礎(chǔ)，變異是在遺傳的基礎(chǔ)上發(fā)生的。遺傳使生物性狀保持穩(wěn)定，變異使生物性狀發(fā)生改變，改變的性狀可以遺傳，遺傳可以使變異得以積累。遺傳與變異的作用是使物種既保持穩(wěn)定，又是物種發(fā)生進化的基礎(chǔ)。

四、“遺傳與變異”的延伸拓展

學(xué)生經(jīng)歷了上述三個教學(xué)環(huán)節(jié)后，梳理了基礎(chǔ)知識，重新建構(gòu)了“遺傳”“變異”的概念。在此基礎(chǔ)上，教師可以“放手”讓學(xué)生展開思維，列舉高中生物學(xué)中“遺傳與變異”的相關(guān)知識。通過對“遺傳與變異”相關(guān)知識的梳理，學(xué)生能主動將碎片化的知識通過“遺傳”“變異”聯(lián)結(jié)形成體系，對“遺傳”“變異”知識進行遷移運用，從而進行深度學(xué)習(xí)。具體教學(xué)實錄如下。

師：回顧高中生物學(xué)有哪些與“遺傳變異”相關(guān)知識。并把他們列舉出來。

生7：細(xì)胞分裂、基因?qū)π誀畹目刂?、基因的表達(dá)、細(xì)胞的生命歷程、生物的進化、人工育種等都與“遺傳變異”相關(guān)。如：細(xì)胞有絲分裂過程中DNA 復(fù)制后從親代細(xì)胞傳遞給子代細(xì)胞對于生物的遺傳有重要意義，DNA 復(fù)制過程中會發(fā)生基因突變，可能導(dǎo)致子代細(xì)胞發(fā)生變異；減數(shù)分裂過程中初級精母（卵母）細(xì)胞中單倍性DNA 會傳遞給子代配子，這是遺傳。發(fā)生非同源染色體上非等位基因的自由組合、同源染色體中非姐妹染色單體的交叉互換是基因重組；在細(xì)胞分裂過程中發(fā)生染色體結(jié)構(gòu)和數(shù)目的變化是染色體變異；個體水平的變異現(xiàn)象有21-三體綜合征等遺傳病、培育無籽西瓜等育種工作；基因的正確表達(dá)體現(xiàn)了遺傳現(xiàn)象，基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程出現(xiàn)的差錯會導(dǎo)致變異現(xiàn)象發(fā)生?？蛇z傳變異導(dǎo)致的個體性狀改變?yōu)樯镞M化提供了可選擇的對象，是進化的原材料。

師：生命現(xiàn)象和規(guī)律都與遺傳變異有關(guān)，細(xì)胞代謝、細(xì)胞分裂、個體發(fā)育等過程都與遺傳有關(guān)，基因決定了生物性狀。遺傳物質(zhì)發(fā)生改變，就會導(dǎo)致細(xì)胞、個體等性狀的改變。人類在研究遺傳變異的過程中，逐步將遺傳變異的原理用于生產(chǎn)、生活實踐中了。請同學(xué)們用遺傳變異的原理來解決育種中的實際問題。

例題：某種糧食作物矮稈基因為m，抗蟲基因為R?，F(xiàn)有MMRR、mmrr 兩個品種，控制兩對相對性狀的基因位于兩對同源染色體上。請運用遺傳學(xué)原理設(shè)計育種方案，獲得矮稈抗蟲新品種，闡明育種原理。

學(xué)生分組討論后展示方案（整理加工成圖6 所示）：

圖6 育種方案

生8：方案1 屬于誘變育種，基本原理是基因突變；方案2 屬于雜交育種，基本原理是基因重組；方案3 是單倍體育種，基本原理是染色體變異。

師：上述3 個方案優(yōu)缺點是什么？

生9：方案1 由于基因突變具有不定向性，只有大量處理供實驗用材料，才能獲得需要的變異類型；方案2 需要不斷自交和篩選，淘汰基因型為mmRr 植株，過程煩瑣，技術(shù)簡單；過程3 利用花藥進行組織組織培養(yǎng)技術(shù)，并誘導(dǎo)單倍體幼苗染色體數(shù)加倍，在較短時間內(nèi)獲得純種，育種通常2 年左右時間。單倍體育種的技術(shù)比較復(fù)雜，通常需要與雜交育種配合才能實現(xiàn)。

師：不同的育種方式都有各自優(yōu)缺點，每一種育種方式都體現(xiàn)了可遺傳變異，通常蘊含了二種以上的可遺傳變異類型。例如三種方案中都蘊含了基因重組。

上述教學(xué)片段的設(shè)計是基于學(xué)生在經(jīng)歷了新授課的學(xué)習(xí)后，對相關(guān)生物學(xué)知識初步形成概念基礎(chǔ)上通過創(chuàng)設(shè)問題情境的形式引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的。4 個教學(xué)環(huán)節(jié)中問題的設(shè)置由淺入深，解決問題的過程包含了科學(xué)思維的過程，如對“遺傳”“變異”作出解釋的過程蘊含了邏輯思維，分析“遺傳與變異的聯(lián)系”過程包含了辯證思維。在教學(xué)過程中讓學(xué)生既“動腦”又“動手”，“動腦”是學(xué)生的思維活動，是對知識進行加工、概括、提煉的過程，是語言修飾表述的過程，具體體現(xiàn)在對“遺傳”“變異”概念修正和建構(gòu)，自主整理“可遺傳變異”類型，分析“遺傳與變異的聯(lián)系”過程等?！皠邮帧笔侵笇嵺`過程，如設(shè)計基因表達(dá)的概念圖、繪制“可遺傳變異”思維導(dǎo)圖、提出育種方案等。

上述教學(xué)片段的展示僅以說明教學(xué)過程是教師通過“教”，引導(dǎo)學(xué)生主動“學(xué)”，以“教”代“學(xué)”是不利于培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)知能力。生物學(xué)課程期待學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)過程，在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據(jù)、檢驗假設(shè)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律等過程中習(xí)得生物學(xué)知識，養(yǎng)成理性思維的習(xí)慣，形成積極的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展終身學(xué)習(xí)的能力。［3］