基于智慧農(nóng)業(yè)基地的遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

孫 蕾 王 穎

(1.深圳實(shí)驗(yàn)光明學(xué)校 廣東深圳 518107)

(2.廣東省深圳市光明教育科學(xué)研究院 廣東深圳 518107)

《義務(wù)教育課程方案(2022年版)》要求“加強(qiáng)課程與勞動(dòng)生產(chǎn)、社會(huì)實(shí)踐的結(jié)合,充分發(fā)揮實(shí)踐的獨(dú)特育人功能?！睘槁鋵?shí)課程方案的要求,筆者創(chuàng)建“智慧農(nóng)業(yè)勞動(dòng)和教學(xué)基地”?；胤譃榧Z食、蔬菜、經(jīng)濟(jì)作物、中草藥四個(gè)片區(qū),多樣化的植物為相關(guān)學(xué)科教學(xué)提供實(shí)踐場(chǎng)所。在實(shí)踐中,筆者整合智慧農(nóng)業(yè)基地的生物資源,將勞動(dòng)教育與生物學(xué)教學(xué)相結(jié)合,探索初高中生物學(xué)教學(xué)的銜接,以期達(dá)到實(shí)踐育人的目的。

人教版《生物學(xué)·八年級(jí)下冊(cè)》“基因的顯性和隱性”一節(jié)中,通過(guò)介紹孟德?tīng)柕耐愣闺s交實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生理解基因的顯性和隱性。為了降低初中生學(xué)習(xí)的難度,教材沒(méi)有介紹“親本”“自交”等概念,實(shí)踐發(fā)現(xiàn)這些概念是溝通初高中遺傳學(xué)學(xué)習(xí)的橋梁。為了促進(jìn)初高中遺傳學(xué)的銜接,筆者引導(dǎo)學(xué)生利用基地的生物資源設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn),構(gòu)建“花蕊”“傳粉”“受精”“自交”“雜交”等概念,并通過(guò)玉米雜交實(shí)驗(yàn)探究性狀的顯性和隱性,促進(jìn)對(duì)“基因的分離定律”的理解,在解決真實(shí)問(wèn)題中培養(yǎng)科學(xué)思維和科學(xué)方法。

1 依托授粉解剖活動(dòng),構(gòu)建遺傳學(xué)重要概念

北京師范大學(xué)劉恩山教授認(rèn)為初中生物學(xué)教學(xué)要“高度關(guān)注實(shí)踐在學(xué)生素養(yǎng)發(fā)展過(guò)程中的重要作用……通過(guò)在現(xiàn)實(shí)情境中探討解決真實(shí)問(wèn)題的探究活動(dòng)或跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng),幫助學(xué)生加深對(duì)生物學(xué)概念的理解?！薄白越弧薄半s交”等概念是遺傳學(xué)重要概念,是學(xué)習(xí)遺傳學(xué)的基礎(chǔ),也是教師教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為了幫助學(xué)生構(gòu)建這些概念,筆者引導(dǎo)學(xué)生利用基地的生物資源開(kāi)展青瓜授粉、花卉解剖等實(shí)踐探究活動(dòng),成功構(gòu)建“父本”“母本”“自交”“雜交”等重要概念。

1.1 借助青瓜授粉活動(dòng),區(qū)分“父本”和“母本”

人教版《生物學(xué)·七年級(jí)·上冊(cè)》第三單元第二章第三節(jié)“開(kāi)花和結(jié)果”屬于“植物的生活”學(xué)習(xí)主題,《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》(以下簡(jiǎn)稱“生物學(xué)課標(biāo)”)對(duì)應(yīng)的內(nèi)容要求是:構(gòu)建概念4.1.5“花中最主要的結(jié)構(gòu)是雄蕊和雌蕊,雄蕊產(chǎn)生的精子與雌蕊產(chǎn)生的卵細(xì)胞相結(jié)合形成受精卵,花經(jīng)過(guò)傳粉和受精后形成果實(shí)和種子?！苯滩慕ㄗh通過(guò)解剖一朵桃花理解“花的哪些結(jié)構(gòu)是重要的”和“花的發(fā)育”。智慧農(nóng)業(yè)基地有多種開(kāi)花植物,為了幫助學(xué)生構(gòu)建“花的結(jié)構(gòu)”,教師指導(dǎo)學(xué)生在基地觀察青瓜、絲瓜、玉米等單性花,同時(shí)對(duì)比觀察小麥、百合花等兩性花。學(xué)生通過(guò)解剖百合花和青瓜的花,認(rèn)識(shí)雄蕊和雌蕊,并在實(shí)體顯微鏡下觀察花粉和胚珠,發(fā)現(xiàn)其中有生殖細(xì)胞,由此得出花的主要結(jié)構(gòu)是雄蕊和雌蕊。

為了提高基地的青瓜、絲瓜和冬瓜等的產(chǎn)量,筆者指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展人工授粉活動(dòng),學(xué)生利用毛筆對(duì)青瓜等進(jìn)行“傳粉”,并對(duì)完成人工授粉的花進(jìn)行掛牌標(biāo)記,吊牌上寫(xiě)著授粉的實(shí)踐和操作人。一個(gè)星期后,學(xué)生挑選柱頭凋落的雌花,用解剖刀縱向切開(kāi)子房,在解剖顯微鏡下觀察胚珠等結(jié)構(gòu)。學(xué)生通過(guò)解剖活動(dòng)理解“受精”的概念和植物開(kāi)花和結(jié)果之間的聯(lián)系。

同時(shí),學(xué)生在活動(dòng)中應(yīng)思考以下的問(wèn)題:①對(duì)于植物繁衍后代來(lái)說(shuō),花的哪些結(jié)構(gòu)是最重要的?②在青瓜授粉活動(dòng)中,提供花粉的是父本還是母本?③接受花粉后,雌花將發(fā)育成青瓜的哪些結(jié)構(gòu)?

1.2 依托花卉解剖實(shí)驗(yàn),理解“自交”和“雜交”

豆科植物在自然狀態(tài)下是自花傳粉植物,為了探究豌豆“自然狀態(tài)下是純種的原因”的奧秘,筆者帶領(lǐng)生物興趣小組在智慧農(nóng)業(yè)基地觀察豆科植物的蝶形花冠,并摘取黃豆和豌豆花作為實(shí)驗(yàn)材料。學(xué)生在解剖顯微鏡下解剖和觀察黃豆花和豌豆花,通過(guò)觀察豌豆花的花蕊構(gòu)建“自交”“閉花授粉”的概念,理解豆科植物花的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)。學(xué)生在活動(dòng)中思考以下的問(wèn)題:①除了黃豆和豌豆,在智慧農(nóng)業(yè)基地你還發(fā)現(xiàn)哪些植物具有蝶形花冠?②植物一般在花冠開(kāi)放露出花蕊后授粉,但摘下豌豆花緊緊閉合的龍骨瓣后,在雌蕊的柱頭上發(fā)現(xiàn)了黃色的花粉,這說(shuō)明了什么?③豌豆在自然狀態(tài)下為什么都是純種?豌豆做雜交實(shí)驗(yàn)材料的有哪些優(yōu)點(diǎn)。

生物學(xué)課標(biāo)建議開(kāi)展“植物栽培活動(dòng)”等跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)。人教版《生物學(xué)·七年級(jí)·上冊(cè)》教科書(shū)建議開(kāi)展玉米人工輔助授粉,讓學(xué)生在實(shí)踐中領(lǐng)悟傳粉和結(jié)果等重要生命過(guò)程。玉米是雌雄同株異花的植物,學(xué)習(xí)小組在天臺(tái)基地用放大鏡觀察玉米花,頂端的花是雄花,玉米莖中間部位的是雌花,胡須狀的是雌花的花柱和柱頭。接著,學(xué)生取紙袋套住玉米的雄蕊,輕輕搖動(dòng)玉米莖稈,收集花粉,將收集好的花粉,倒在雌蕊的柱頭上。學(xué)生在活動(dòng)中思考,為同株和不同株的玉米授粉,授粉方式相同嗎?至此,學(xué)生可以徹底地區(qū)別“自交”和“雜交”。此外,學(xué)生通過(guò)豌豆雜交活動(dòng)鞏固對(duì)“雜交”的理解。

2 借助植物雜交實(shí)驗(yàn),探究生物遺傳的規(guī)律

2.1 探究玉米籽粒顏色的顯隱性

已知玉米植株能進(jìn)行自交和雜交,基地的玉米有白色和黃色2 種,為了探究玉米籽粒顏色的顯隱性,筆者指導(dǎo)學(xué)習(xí)小組設(shè)計(jì)如下遺傳實(shí)驗(yàn)方案(表1),將純種白色玉米和純種黃色玉米間種,所結(jié)種子為子一代。玉米種植3 個(gè)月后結(jié)出果實(shí),學(xué)生觀察和統(tǒng)計(jì)玉米植株上子一代的種子的顏色。結(jié)果基地的白玉米植株上既有白玉米種子也有黃玉米種子,而黃玉米植株上沒(méi)有白玉米種子,說(shuō)明白色是隱性性狀,黃色是顯性性狀?？吹桨子衩字仓晟嫌悬S色和白色玉米種子,學(xué)習(xí)小組提出新問(wèn)題“子一代黃玉米種子中控制白色性狀的基因是否消失了?”

表1 探究玉米籽粒顏色的顯隱性實(shí)驗(yàn)方案

2.2 探究玉米隱性基因是否消失

為探究“黃玉米種子中控制白色性狀的基因是否消失”。筆者將白玉米植株的子一代黃色玉米種子作為實(shí)驗(yàn)材料,引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表2)。學(xué)習(xí)小組觀察并統(tǒng)計(jì)子二代玉米種子的顏色和數(shù)量,結(jié)果子二代玉米種子有黃色和白色,學(xué)生利用Excel 統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)黃色和白色玉米種子數(shù)量比約為3∶1。學(xué)生應(yīng)用孟德?tīng)栠z傳規(guī)律解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果,最后得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論:控制白色性狀的基因沒(méi)有消失。

表2 探究玉米控制白色性狀的基因是否消失實(shí)驗(yàn)方案

3 基于智慧農(nóng)業(yè)基地的遺傳實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢(shì)分析

3.1 借助豐富的植物資源,保障實(shí)驗(yàn)材料供應(yīng)

選擇合適的實(shí)驗(yàn)材料是實(shí)驗(yàn)成功的前提,豌豆、玉米是常見(jiàn)的遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)材料,孟德?tīng)栐?jīng)用豌豆、玉米等探究遺傳規(guī)律。由此,筆者將勞動(dòng)教育與生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合,在智慧農(nóng)業(yè)基地的種植玉米、豌豆等農(nóng)作物,供學(xué)生探究植物遺傳的奧秘。為了保障實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃同步,查閱資料了解玉米、豌豆的生長(zhǎng)周期,并結(jié)合學(xué)期教學(xué)計(jì)劃規(guī)劃玉米等植物的種植方案,如讓青瓜、絲瓜的花期與“植物的開(kāi)花與結(jié)果”教學(xué)同步,玉米和豌豆生長(zhǎng)契合“基因的顯性與隱性”教學(xué)。

3.2 提供真實(shí)的科研情境,提高科學(xué)探究素養(yǎng)

科學(xué)探究是學(xué)習(xí)生物學(xué)的重要方式,探究實(shí)踐是創(chuàng)新型人才的重要標(biāo)志。教師讓學(xué)生像科學(xué)家一樣去探究實(shí)踐,如探究豌豆為什么是遺傳學(xué)的好材料,探究玉米種子顏色的遺傳規(guī)律等。教師讓學(xué)生通過(guò)“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”理解遺傳的規(guī)律,在解決真實(shí)問(wèn)題中培養(yǎng)科學(xué)思維和科學(xué)方法,逐漸提升生物學(xué)核心素養(yǎng)。孟德?tīng)栍昧?年時(shí)間研究遺傳的規(guī)律,學(xué)生在真實(shí)的科研情境中體會(huì)科學(xué)研究的艱辛,學(xué)習(xí)其堅(jiān)持不懈、迎難而上的科學(xué)精神。

3.3 巧用信息技術(shù)手段,助力實(shí)驗(yàn)探究開(kāi)展

受課時(shí)和場(chǎng)地的限制,無(wú)法滿足全體學(xué)生參與活動(dòng)的全程,學(xué)習(xí)小組只能派代表去天臺(tái)觀察和記錄雜交后植物的生長(zhǎng)狀況。為了滿足全體學(xué)生的學(xué)習(xí)需求,教師借助智慧農(nóng)業(yè)基地的監(jiān)控系統(tǒng),調(diào)控監(jiān)控系統(tǒng)拍攝和記錄參與實(shí)驗(yàn)的植物生長(zhǎng),如攝像頭聚焦拍攝玉米雌花受精后發(fā)育狀況,教師將監(jiān)控視頻進(jìn)行編輯發(fā)送到家長(zhǎng)群,讓家長(zhǎng)和學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)進(jìn)展,以此鼓勵(lì)家長(zhǎng)參與學(xué)生的實(shí)驗(yàn)。此外,該實(shí)驗(yàn)視頻也成為“植物的生長(zhǎng)”的教學(xué)資源。

4 教學(xué)反思

開(kāi)展植物遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)需要專門(mén)的種植場(chǎng)地,對(duì)實(shí)驗(yàn)植物進(jìn)行田間管理,我校滿足開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的條件。筆者查閱資料發(fā)現(xiàn),豌豆、玉米等是孟德?tīng)栄芯窟z傳規(guī)律的實(shí)驗(yàn)材料,將勞動(dòng)教育與生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合,指導(dǎo)學(xué)生像孟德?tīng)柕瓤茖W(xué)家一樣開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究,在解決真實(shí)問(wèn)題中切實(shí)地提高生物學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。學(xué)生在初中階段理解“親本”“自交”等遺傳概念,可以有效地銜接初高中遺傳學(xué)的學(xué)習(xí),幫助學(xué)生突破高中遺傳學(xué)學(xué)習(xí)的難點(diǎn),提高學(xué)生科學(xué)思維能力。

因?yàn)槭状翁剿髦参镞z傳學(xué)實(shí)驗(yàn),本課例的實(shí)踐有諸多不足。本課例中所有的實(shí)驗(yàn)材料均由教師來(lái)選擇,不利于激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí),可以優(yōu)化為由學(xué)生尋找合適的實(shí)驗(yàn)材料。教師沒(méi)有充分考慮實(shí)驗(yàn)植物的生長(zhǎng)周期,玉米從授粉到完熟大概需要45—50 天,玉米雜交實(shí)驗(yàn)不能在遺傳學(xué)教學(xué)期間完成。教師可以按照玉米雜交實(shí)驗(yàn)方案,提前準(zhǔn)備好兩片玉米地,一片玉米正處于花期可以用于人工授粉活動(dòng),另一片雜交實(shí)驗(yàn)成熟的玉米用于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)。高中生物教材以豌豆為例,總結(jié)其作為實(shí)驗(yàn)材料的諸多優(yōu)點(diǎn),啟發(fā)筆者,本次實(shí)驗(yàn)以玉米為例,教師可以指導(dǎo)學(xué)習(xí)小組總結(jié)其作為遺傳實(shí)驗(yàn)材料的優(yōu)勢(shì)。

跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)是培育學(xué)生核心素養(yǎng)的必要途徑,是強(qiáng)化課程協(xié)同育人的必要手段,形成深層知識(shí)理解的必要環(huán)節(jié)。由此啟發(fā),教師探索勞動(dòng)教育與生物學(xué)跨學(xué)科主題學(xué)習(xí),將勞動(dòng)和生物教學(xué)有機(jī)融合。如將為玉米施肥和授粉活動(dòng)結(jié)合起來(lái),玉米秋收活動(dòng)結(jié)束后進(jìn)行雜交實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì),這樣的設(shè)計(jì)既可以節(jié)約課時(shí)和人力成本,也可以發(fā)揮學(xué)科間綜合育人功能,提高實(shí)踐育人的效果。