在體驗建構(gòu)中讓學(xué)科素養(yǎng)進階升級

薛建芳

摘 要 基于《普通高中生物學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》，立足學(xué)生視角，站在學(xué)科單元整體 思維的高度，整合學(xué)習(xí)資源、厘清學(xué)情，準確設(shè)定教學(xué)目標與教學(xué)重難點，以“乳糖操縱子模型”為主線，設(shè)置多元活動體驗，努力讓目標的明晰性、學(xué)習(xí)的自主性、合作的融通性、展示的時機性、反饋的即時性 融為一體，活動體驗與思維拓展相互鏈接，個體獨思與智慧聚焦合二為一，教師主導(dǎo)、學(xué)生主體相得益 彰，將學(xué)生必備的價值取向、核心能力與關(guān)鍵品質(zhì)嵌入師生協(xié)作性學(xué)習(xí)之中，促進學(xué)科教學(xué)的育心、育德、育智、育人共生共進。

關(guān)鍵詞 單元建構(gòu) ?活動體驗?學(xué)科核心素養(yǎng) ?生物學(xué)教學(xué)

中圖分類號 G633.91 ??文獻標志碼 B

《普通高中生物學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）明確提出：生物學(xué)是研究生命現(xiàn)象和生命活動規(guī)律的科學(xué)，它不僅是一個結(jié)論豐富的知識體系，也包括了人類認識自然現(xiàn)象和規(guī)律的一些特有的思維方式和探究過程。生物學(xué)課程要求學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)，在經(jīng)歷了一系列的學(xué)習(xí)過程后，獲得生物學(xué)知識，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，形成積極的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展終身學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實踐能力。

1 ?教材分析

“基因的表達”是人教版《必修2·遺傳與進化》第四章的內(nèi)容，在《課程標準》中屬于模塊2“遺傳與進化”中大概念3下的次位概念，概述DNA 分子上的遺傳信息通過RNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，細胞分化的本質(zhì)是基因選擇性表達的結(jié)果，生物的性狀主要通過蛋白質(zhì)體現(xiàn)。本節(jié)內(nèi)容是從本質(zhì)上闡述遺傳物質(zhì)與性狀之間關(guān)系的重要理論，是分子遺傳學(xué)的核心內(nèi)容，是該模塊的重點內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容有承上啟下的作用，是遺傳因子本質(zhì)內(nèi)容的拓展和延伸，同時也是基因變異和基因工程等內(nèi)容的生長基礎(chǔ)。

2 ?學(xué)情分析

本節(jié)內(nèi)容抽象復(fù)雜，通過新授課的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)基本掌握了“基因的表達”的相關(guān)過程和原理，但對基因表達的調(diào)控過程和意義不夠了解。因此在一輪復(fù)習(xí)時，教師需要進一步拓展，使學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)之上，了解“生物在不斷變化的外界環(huán)境中對基因的表達的途徑及方式進行調(diào)控，以快速適應(yīng)環(huán)境”。

3 ?教學(xué)目標

①觀察實驗現(xiàn)象，提出真實問題，分析生物與環(huán)境的適應(yīng)關(guān)系，形成認識生命的基本觀念，知道生物始終處于發(fā)展變化中，生物對環(huán)境具有適應(yīng)性等，學(xué)會運用生命觀念，探索生命活動規(guī)律，解決實際問題。

②通過小組合作建立模型、結(jié)合單元知識理解模型，用模型解釋實驗現(xiàn)象，在探究體驗中逐步養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，具備闡述生命現(xiàn)象及規(guī)律的能力。

③在探究實際體驗的同時，適度地整合建構(gòu)知識生長模型，在關(guān)聯(lián)與遷移處著力培養(yǎng)學(xué)科探究的能力，形成對探究結(jié)果的分析、交流等能力。

4 ?教學(xué)重難點

教學(xué)重點：基因的表達過程。

教學(xué)難點：從基因表達的原理上，了解基因的表達調(diào)控的途徑、方式及其意義。

5 ?設(shè)計思路

學(xué)習(xí)是課程改革的核心主題。在真實情境中考查學(xué)生獨立思考和運用所學(xué)知識分析和解決問題的能力也是目前高考命題的一個趨勢。筆者根據(jù)本單元的教學(xué)實際創(chuàng)設(shè)真實情境下的體驗活動，引導(dǎo)學(xué)生基于情境主動探究并擇機發(fā)現(xiàn)問題，在獨立思考的前提下生成問題分析與問題解決的能力與素養(yǎng)。

6 ?教學(xué)過程

6.1 教師創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入教學(xué)

教師提出問題：生物在不斷的適應(yīng)環(huán)境、改變著環(huán)境。外界環(huán)境一直在不斷變化，而細菌又是無處不在的。細菌是如何逐步適應(yīng)變化的環(huán)境而生存的呢？各小組針對問題，展開積極的討論。教師對小組討論的結(jié)果進行點評，結(jié)合新冠病毒的進化歷程，幫助學(xué)生理解生物進化與適應(yīng)觀，解釋現(xiàn)存生物適應(yīng)的普遍性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的欲望，引導(dǎo)學(xué)生思考不同營養(yǎng)條件下大腸桿菌代謝的調(diào)節(jié)機制。

6.2 學(xué)生了解大腸桿菌的“二次生長曲線”

教師提供資料：1940年，科學(xué)家莫洛發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌生長于含有葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基時，大腸桿菌首先利用葡萄糖，葡萄糖結(jié)束后，利用乳糖糖源轉(zhuǎn)變期細菌的生長停滯，即產(chǎn)生“二次生長曲線”。圖 1所示的曲線A為“二次生長曲線”，曲線B為大腸桿菌細胞中催化乳糖水解時，β-半乳糖苷酶（Z）表達量的變化情況。

結(jié)合資料，教師提出指向核心素養(yǎng)的問題串：①?與固體培養(yǎng)基培養(yǎng)相比較，研究中使用液體培養(yǎng)基培養(yǎng)大腸桿菌的優(yōu)點是什么？圖 1曲線A 中bc 段大腸桿菌數(shù)量緩慢增加的主要原因是什么？②?科學(xué)家為何要研究大腸桿菌中β-半乳糖苷酶表達量？其 目的是什么？結(jié)果表明了什么？③?本研究中科學(xué)家用抗β-半乳糖苷酶抗體檢測β-半乳糖苷酶含量。這種檢測方法稱為抗原—抗體雜交技術(shù)，其優(yōu)點是什么？

學(xué)生結(jié)合提供的問題串進行獨立思考和小組討論。教師利用資料和圖片，幫助學(xué)生了解了大腸桿菌“二次生長”現(xiàn)象：在糖源轉(zhuǎn)變期，也就是曲線中的bc 段，葡萄糖耗盡，乳糖吸收慢，細胞內(nèi)能量供應(yīng)不足，大腸桿菌會出現(xiàn)緩慢生長現(xiàn)象。同時大腸桿菌細胞中會開始合成β-半乳糖苷酶，以催化乳糖的分解。

在此活動中，教師用真實情境激發(fā)學(xué)生參與探究的動機，并針對提供的材料由表及里地提出結(jié)構(gòu)化的具有啟發(fā)性的問題串，引導(dǎo)學(xué)生從適應(yīng)與進化的角度一步步地深入思考、積極交流，促進學(xué)生進一步養(yǎng)成“生命觀念”與“科學(xué)思維”的生物學(xué)科核心素養(yǎng)。

此時，教師可以追問：β-半乳糖苷酶催化乳糖水解，那乳糖的吸收又會受到哪些條件的影響呢？β-半乳糖苷酶產(chǎn)生的同時，還能產(chǎn)生其他酶嗎？“二次生長曲線”形成的原因究竟是什么呢？教師引導(dǎo)學(xué)生理解大腸桿菌適應(yīng)不同環(huán)境的機制。

6.3 教師引導(dǎo)學(xué)生探究大腸桿菌的“二次生長曲線”形成的原因

教師提供資料：莫洛等科學(xué)家的繼續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌細胞中產(chǎn)生β-半乳糖苷酶的同時，還會產(chǎn)生半乳糖苷透過酶（Y，將乳糖運輸進入細胞）和半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰基酶（A）。為了解釋大腸桿菌“二次生長曲線”形成的原因，1961年，科學(xué)家雅各布和莫洛根據(jù)系列研究提出了大腸桿菌基因表達調(diào)控的“乳糖操縱子學(xué)說”（圖2）。

結(jié)合“乳糖操縱子學(xué)說”，教師提出指向核心素養(yǎng)的問題串：（1）過程①稱為轉(zhuǎn)錄，需要何種酶？該酶具有什么功能？（2）研究人員將各種原核基因與RNA 聚合酶結(jié)合后，通過 DNase I 水解 DNA，最后獲得與 RNA 聚合酶結(jié)合且未被水解的 DNA 片段，發(fā)現(xiàn)這些片段都是由5個核苷酸（TATAA）組成的共同序列，從 DNA結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的角度分析，RNA聚合酶結(jié)合的DNA片段含“TATAA”序列的生理意義是什么？（3）圖2中，物質(zhì)b在基因表達中的作用是什么？完成過程④除物質(zhì)b外，還需要其他什么條件？根據(jù)圖示，過程④中的一種物質(zhì)b為什么可以指導(dǎo)合成3種酶呢？（4）實驗發(fā)現(xiàn)：在提供葡萄糖的情況下，大腸桿菌細胞中半乳糖苷透過酶（Y）以最低量（細胞中不超過5分子Y）存在， Y分布在大腸桿菌細胞的細胞膜上，低含量的Y可以保證在有乳糖時能運輸乳糖進入細胞，通過什么途徑啟動乳糖操縱子的表達？合成Y還能促進乳糖吸收，這種調(diào)節(jié)屬于何種調(diào)節(jié)？

學(xué)生通過小組的討論和教師的歸納，能夠準確利用圖2的乳糖操縱子模型解釋大腸桿菌“二次生長曲線”中cd段形成的原因，即在細胞內(nèi)存在乳糖分子的情況下，解除了阻礙蛋白對結(jié)構(gòu)基因表達的抑制作用，合成多種酶，最終促進乳糖的吸收和利用。

在這個活動中，教師利用問題（1）和（3）設(shè)置進階型問題序列，引導(dǎo)學(xué)生梳理相關(guān)的知識內(nèi)容，實現(xiàn)一輪復(fù)習(xí)化零為整的目的，培養(yǎng)了學(xué)生的生命觀念;通 過問題（2）培養(yǎng)學(xué)生的知識遷移能力，從DNA分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性到DNA分子轉(zhuǎn)錄時，需要以解旋后的一條鏈作為模板，這也是一種科學(xué)思維能力的培養(yǎng)。問題（4）則是第一部分內(nèi)容的延續(xù)，重點闡明曲線A 中cd 段形成的原因，使學(xué)生在探究的過程中，形成對實驗現(xiàn)象的好奇心和求知欲，掌握科學(xué)探究的基本思路和方法，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力。

教師引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)思考：進一步研究發(fā)現(xiàn)，在有葡萄糖供應(yīng)時，細胞中也有少量的酶Y，將乳糖運進細胞。這就意味著當環(huán)境中葡萄糖和乳糖同時存在時，細胞中也存在少量乳糖，大腸桿菌為什么不能利用乳糖呢？曲線ab段形成的原因是什么？

6.4 學(xué)生分析葡萄糖供應(yīng)時大腸桿菌不能利用乳糖的原因

教師提供資料：研究發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌乳糖操縱子的啟動子是一種弱啟動子（與RNA聚合酶親和力低），單純因乳糖的存在發(fā)生去阻遏作用，還不能使細菌很好利用乳糖。1965年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌中cAMP （環(huán)磷酸腺苷）濃度與葡萄糖濃度存在負相關(guān)。細胞中cAMP是腺苷酸環(huán)化酶（AC）催化ATP轉(zhuǎn)化而來，高濃度的葡萄糖會抑制AC 的活性。細胞中的cAMP 與 cAMP 受體蛋白（CAP）形成 CAP-cAMP 復(fù)合物，后者結(jié)合乳糖操縱子啟動子的上游，并與啟動子上RNA聚合酶結(jié)合并相互作用，增強了RNA聚合酶的功能。

針對資料，教師提出問題：①?在提供葡萄糖情況下，大腸桿菌為什么不能利用乳糖？②?利用所提供的材料，嘗試用模式圖表示當葡萄糖消耗完后，在大腸桿菌細胞中發(fā)生的代謝調(diào)節(jié)和基因表達，適應(yīng)僅有乳糖的環(huán)境，利用乳糖實現(xiàn)“二次生長”。

在這個活動中，通過提供的材料，教師指導(dǎo)學(xué)生分析曲線A 中ab段的形成原因，使學(xué)生理解：大腸桿菌生長在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基時，先利用葡萄糖的原因。通過小組合作構(gòu)建模型，學(xué)生真正理解乳糖操縱子模型，并能用模型解決實際問題。模型構(gòu)建有利于培養(yǎng)學(xué)生透過事物現(xiàn)象揭示其本質(zhì)特性的洞察力以及簡約嚴密的思維品質(zhì)，使學(xué)生體驗由具體到抽象的思維模式轉(zhuǎn)化。

6.5 以“基因”為關(guān)鍵詞構(gòu)建知識框架

在一輪復(fù)習(xí)中，基因的表達是大單元遺傳分子基礎(chǔ)中的一個小專題，也是最后一個小專題。教師引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建單元視域的知識框架，培養(yǎng)歸納與推理的能力，培養(yǎng)了學(xué)生在解決問題中的自主分析能力和深度思考能力，真正實現(xiàn)了“單元序列化教學(xué)”的高效課堂。

7 ?教學(xué)反思

本節(jié)課以科學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)過程為線索，通過構(gòu)建乳糖操縱子模型幫助學(xué)生全面了解了大腸桿菌的“二次生長曲線”，使學(xué)生從本質(zhì)理解大腸桿菌在不同營養(yǎng)條件下的代謝調(diào)節(jié)機制。教師設(shè)計探究情境、提出系列問題、逐層思考，在強化基礎(chǔ)知識的同時，也培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。模型構(gòu)建和小組合作培養(yǎng)了學(xué)生的團隊合作能力。教師要注意滲透生命觀念，引導(dǎo)學(xué)生運用生物進化與適應(yīng)觀，解釋現(xiàn)存生物適應(yīng)的普遍性。另外，還可引導(dǎo)學(xué)生思考應(yīng)該如何利用所學(xué)的知識來應(yīng)對現(xiàn)實生活中的問題，培養(yǎng)學(xué)生的社會責任意識。

本節(jié)課通過基于資料分析的探究教學(xué)，教師在教學(xué)中針對情境呈現(xiàn)一系列問題，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)和探究的欲望，使學(xué)生在真實材料分析、模型構(gòu)建、小組討論合作中培養(yǎng)了生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究等學(xué)科核心素養(yǎng)，實現(xiàn)了基礎(chǔ)知識與學(xué)科素養(yǎng)的融合。這種模式對教師和學(xué)生都提出了更高的要求，課堂操作過程中會有活動不順暢或冷場的現(xiàn)象。如果教師能夠持之以恒，則會有很大的收獲。

在高三復(fù)習(xí)課中，教師要善于把握現(xiàn)代生物學(xué)科研究發(fā)展的前沿動態(tài)與學(xué)科思維本質(zhì)，扣準《課程標準》，基于學(xué)生視域，遵循學(xué)科思維發(fā)生發(fā)展的節(jié)律，引導(dǎo)學(xué)生在生活中學(xué)，學(xué)會舉一反三，融會貫通。復(fù)習(xí)階段的素養(yǎng)進階是一項系統(tǒng)工程，離不開教師的智慧引導(dǎo)，更離不開學(xué)生良好思維品質(zhì)的培塑，師生之間協(xié)同性的智慧融通，是達成學(xué)科素養(yǎng)不斷進階升級的必然選擇。

參考文獻：

[1] 付 鑫.指向建立生命觀念核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計[J].中學(xué)生物學(xué)，2020，（5）：20-22.

[2] 蔡利永.創(chuàng)設(shè)真實情境指向核心素養(yǎng)[J].生物學(xué)教學(xué)，2018，（10）：25-26.

[3] 朱玉賢.現(xiàn)代分子生物學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2019：252-254.