科研情境：指向深度學習的教學實踐

摘要：深度學習可以幫助學生更深層次地理解大概念，真實的科研情境可以為深度學習提供條件和依托，從而更有效地發(fā)展學生的生物學核心素養(yǎng)。本文以“基因突變可能引起性狀改變”次位概念的教學為例，深入剖析了科研情境教學引發(fā)的深度學習在教學實踐中如何有效地實施。

關(guān)鍵詞：科研情境；深度學習；教學實踐；基因突變

文章編號：1003-7586（2024）02-0020-04 中國分類號：G633.91 文獻標識碼：B

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》中指出，有效的教學情境，能夠激發(fā)學生的好奇心和求知欲，點燃學生的學習熱情，使學生形成良好的求知心理，從而使學生主動參與對所學知識的探索發(fā)現(xiàn)和認識過程，體驗學習的樂趣。這樣的學習方式，不僅能夠幫助學生有效掌握知識，靈活解決問題，也能夠培養(yǎng)學生不斷探索、勇于創(chuàng)新的科學精神和實事求是的科學態(tài)度，以及終生學習的能力。本節(jié)教學實踐時，以“知識是在活動中、豐富情境中不斷被運用和發(fā)展”作為本節(jié)知識觀；將教材和科研資料有機結(jié)合，利用真實科研情境引發(fā)深度學習，用建構(gòu)主義作為學習觀；以學生自主建構(gòu)概念的概念化教學作為教學方法觀；以教學每個環(huán)節(jié)的教學評一體化作為教學評價觀，以達成教學目標，發(fā)展學生的學科素養(yǎng)。

1教材分析

本節(jié)課以浙科版《普通高中教科中·生物學必修2遺傳與進化》的第四章第一節(jié)“基因突變可能引起性狀改變”為例。如圖1所示，本節(jié)內(nèi)容包含3個次位概念，用于支持重要概念3.3的學習，而且本節(jié)內(nèi)容的學習需聯(lián)系之前所學的次位概念3.1.1、3.1.2、3.1.4和3.1.5?？梢?，本節(jié)概念學習在整個高中生物學中具有承上啟下的重要地位，有助于發(fā)展學生的核心素養(yǎng)。本節(jié)課以真實科研情境為線索的概念化教學，引導學生自主探究，落實次位概念。探究概念的建構(gòu)過程，既可以幫助學生形成科學的基因突變概念，又可以支持上位概念的學習。

2學習對象分析

本節(jié)課的學習對象是高一學生。高中時期的學生認知特點鮮明，思維敏捷、靈活，抽象邏輯思維能力有了一定的發(fā)展。對于生物學主題中與實際應用和社會問題相關(guān)的內(nèi)容，學生興趣濃厚，偏愛親身體驗、參與討論。經(jīng)過之前對遺傳和變異的初步學習，社會生活和網(wǎng)絡提供給他們一定量與這節(jié)課內(nèi)容相關(guān)的信息，學習者已經(jīng)具有一定的認知基礎(chǔ)。學習者具備一定的材料收集、整理、理論分析能力和邏輯思維能力。但在課前診斷中發(fā)現(xiàn)：學生對基因突變的機理還缺少深入的理解；從真實的科研材料中提取信息的信息獲取能力還存在不足，因此在探究過程中，需要教師的引導和指引。

本節(jié)課在課堂設置的過程中，主要以圍繞科研情境進行設問和任務驅(qū)動的形式，以情境帶動學習，用事實引領(lǐng)任務，通過體驗、討論等學習方式，引導學生自主梳理知識，將傳授知識的過程優(yōu)化為概念建構(gòu)的過程，學生將在自主、合作、探究的學習氛圍中加深對知識的理解，發(fā)展科學思維，并獲得核心素養(yǎng)的提升。

3教學目標

基于《課程標準》要求和具體學情，制訂了以下教學目標。

（1）通過臨床案例分析，概述堿基的替換、插入和缺失會引發(fā)基因中堿基序列的改變，認識生物的多樣性和復雜性；通過材料分析，闡明基因中的堿基序列的改變有可能導致它所編碼的蛋白質(zhì)及相應的細胞功能發(fā)生變化，甚至帶來致命的后果。（生命觀念、科學思維）

（2）通過小組合作討論分析材料，針對特定的生物學現(xiàn)象，進行觀察提問、實驗結(jié)果的分析和交流，提升科學探究素養(yǎng)；通過自主學習，描述基因突變和癌變的聯(lián)系，形成關(guān)愛生命的觀念，崇尚健康文明的生活方式。（科學探究、社會責任）

4評價目標

為檢測和促進基因突變的概念建構(gòu)，制訂了如下評價目標：

（1）學習完基因突變的概念后，能運用結(jié)構(gòu)與功能觀，概述堿基的替換、插入和缺失會引發(fā)基因中堿基序列的改變，認識生物的多樣性和復雜性；運用歸納與概括和批判性的科學思維，用自己的話舉例說明基因中的堿基序列的改變有可能導致它所編碼的蛋白質(zhì)及相應的細胞功能發(fā)生變化，甚至帶來致命的后果。（生命觀念二級水平、科學思維三四級水平）

（2）構(gòu)建了基因突變的概念模型后，能針對特定的生物學現(xiàn)象，進行觀察提問、實驗結(jié)果的分析和交流，提升科學探究素養(yǎng)；描述基因突變和癌變的聯(lián)系，形成關(guān)愛生命的觀念，崇尚健康文明的生活方式。（科學探究二級水平、社會責任二級水平）

5教學過程

為達成上述目標，結(jié)合科學情境教學、建構(gòu)主義和深度學習的原理，設計的教學流程如圖2所示。

a.地中海貧血伴智力低下綜合征，又稱AIR-X綜合征，是一種罕見的伴性隱性遺傳基因病。創(chuàng)設“一例罕見的ATR-X綜合征”情境，引發(fā)出核心問題：此病的致病機理是什么？

5.1課前學習——激發(fā)興趣

閱讀科研論文，分析梳理，尋找這例AIR-X綜合征罕見的原因。

情境 科研材料——“一例罕見的ATR-X綜合征”的相關(guān)文獻。

問題 為什么這例ATR-X綜合征很罕見？

活動 閱讀科研資料，引導學生帶任務閱讀，依據(jù)事實總結(jié)出問題答案，相互總結(jié)與分享結(jié)論。

設計意圖 科研資料的帶任務閱讀，了解科學情境，提升收集、篩選、處理、分享和表達信息的能力。

評估 識別學生列舉的事實與形成的結(jié)論是否一致。

5.2課堂活動——建構(gòu)概念

5.2.1剖析科研資料，揭示本質(zhì)，探究基因突變的概念

情境 ATR-X綜合征的個體水平和細胞水平臨床資料。

材料 ATR-X綜合征臨床資料：一位來自云南的家系，先證者為男性，6歲，漢族，以癲癇人院。行體格檢查、血液學常規(guī)檢及心電圖、腦電圖、心臟彩超、染色體核型分析等臨床檢測。父母為非近親婚配，無家族遺傳史，家系中其他成員未見相似異常表型。先證者智力低下，發(fā)育落后，具有特殊面容，如眼距寬、鼻梁低平、小三角鼻、舌體大、嘴大、牙齒發(fā)育不良、耳位低、招風耳，患者手等。腳骨骼未出現(xiàn)明顯異常，染色體核型、血液學常規(guī)檢未呈現(xiàn)AIR-X綜合征異常指標。

ATR-X綜合征細胞層面資料：發(fā)現(xiàn)先證者個體細胞代謝異常，野生型蛋白（主要發(fā)揮轉(zhuǎn)移酶活性）被突變型蛋白（主要發(fā)揮氧化還原酶功能）所替代。進一步對其酶做氨基酸序列檢測，發(fā)生了1個氨基酸（纈氨酸）的替換，但染色體核型正常。

ATR-X綜合征分子層面資料：獲取該家系5名成員外周靜脈血約2 mL，提取基因組DNA進行測序，檢測到ATRX基因中一個堿基突變（見圖4），且突變者為突變純合子，其父親為野生型，母親為該位點突變雜合子。

問題1 為什么測序結(jié)果是編碼鏈的堿基序列？引發(fā)這種罕見遺傳病的分子層面病因是什么？

活動1 展示ATR-X綜合征的不同水平的臨床資料，引導學生閱讀、分析，填寫學習任務單（見圖5）。小組合作討論，尋找先證者病因的分子學基礎(chǔ)。

問題2 DNA分子的堿基對變化容易發(fā)生在細胞的什么時期？除了堿基對替換，基因還可能發(fā)生哪些變化？堿基對的不同類型變化會造成怎樣的結(jié)果？有怎樣的意義？

活動2 依據(jù)從現(xiàn)象到本質(zhì)的分析過程，引導學生進行深入的討論。

設計意圖 通過科研情境的提供，先體驗先證者的癥狀，再由現(xiàn)象到本質(zhì)進行病因分析。在這個過程中，學生就可以深化理解基因突變對性狀和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響。

評估 用學生匯報、任務單填寫完成過程性評價、師生評價和生生評價，評估學生對基因突變概念的理解。同時，活動1中小組合作討論并展示，再利用設問引發(fā)深度分析，對基因突變的本質(zhì)、基因突變發(fā)生的時間、類別、結(jié)果和意義進行了層層深入的學習，體現(xiàn)了建構(gòu)主義的教學理念。結(jié)合材料進行分析，引發(fā)學生思考和深入討論，學生不僅明確了基因突變的實質(zhì)，而且提升了信息采集、問題分析、歸納與概括、合作學習的能力，這就是深度學習的過程。活動2幫助學生運用結(jié)構(gòu)與功能觀，進行科學的分析和推理，體驗科學的分析過程，同時構(gòu)建科學的概念框架，發(fā)展科學思維與科學探究素養(yǎng)。

5.2.2分析補充資料，總結(jié)歸納，完善基因突變的概念

情境 ATR-X綜合征的相關(guān)研究。

材料1 發(fā)生ATR-X綜合征的原因有多種可能，可能是患者本身發(fā)生突變，也可能是其母親為攜帶者或其母親卵母細胞發(fā)生了突變，即突變發(fā)生可以在不同個體或個體發(fā)育的不同階段。致病基因為編碼2 492個氨基酸的ATRX基因，到目前為止，全世界已有125種該基因的突變報道。

問題1 根據(jù)以上信息，同桌梳理基因突變有哪些主要的特點。

活動1 提供ATR-X綜合征基因突變的其他材料，引導學生進行討論，完善概念。

材料2 提供國內(nèi)外多個針對該病臨床癥狀的研究結(jié)果，如表1所示。

問題2 患者的主要臨床表型特征結(jié)果顯示攜帶該突變基因通常會導致患者出現(xiàn)面容畸形及不同程度的智力低下，但同時該疾病的臨床表型也具有明顯的異質(zhì)性。這一現(xiàn)象說明什么問題？對于該病有哪些預防方法？

活動2 閱讀材料，對比分析，得出結(jié)論。

材料3 ATR-X綜合征基因突變與細胞癌變的材料。

問題3 閱讀教材第89～90頁，找出細胞癌變與基因突變的聯(lián)系，并提出防治的方法。

活動3 總結(jié)癌變與基因突變的聯(lián)系，提出一定的癌癥防治方法。

設計意圖 通過閱讀材料，從情境出發(fā)，讓學生概括出基因突變的特點和引發(fā)因素。

課堂鞏固（習題略）與總結(jié) 說出你理解的“基因突變”概念，用思維導圖的形式表示出來。

評估 用學生答案匯總完成生生評價，評估對基因突變概念的理解程度。通過活動1和2，學生結(jié)合材料進行分析，引發(fā)思考和深入討論，提升歸納與概括的能力，并學會在科學事實分析后得出相應的結(jié)論?；谡鎸嵖蒲胁牧系姆治觯梢陨钊胪晟苹蛲蛔兊母拍畹睦斫馊缌私饣蛲蛔兊奶攸c、引發(fā)困素以及基因突變與癌變的聯(lián)系的知識，構(gòu)建科學的概念體系。通過活動3，讓學生閱讀教材進行討論，引發(fā)思考，提升信息獲取和分析、歸納能力，并形成關(guān)愛生命的觀念，崇尚健康文明的生活方式，并在這個過程中應用基因突變的概念分析生活中的問題，加深概念理解，同時達成教學目標。

5.3課后延伸－拓展概念

問題 人類在進化過程中如何減少基因突變對機體的傷害？

設計意圖 通過課后討論活動，激發(fā)探求生命科學奧秘的興趣，了解變異與進化的聯(lián)系，拓展基因突變的概念。

6教學反思

從教學策略方面看，概念的形成是一個過程，教師要提供真實的材料給學生作為事實資料，以支撐概念的建構(gòu)。從教學過程方面看，“教－學－評”的一體化才能有效推進深度學習的發(fā)生，要注重過程性評價和評價方法的多元化。從教學效果方面看，真實的科研情境，合適的設問方式是學習真實發(fā)生的有效手段。

本節(jié)課的教學是在真實科研情境的分析過程中引導學生構(gòu)建基因突變的概念，每個教學環(huán)節(jié)都是以情境引問題，以問題導活動，以活動促評價，再結(jié)合合理的設問，引發(fā)學生深度的思考。有真實的情境，才有科學的分析路徑，才能讓問題有深度，比如本節(jié)課的基因測序為什么提供的是編碼鏈，可以讓學生深入思考編碼鏈的意義，這就推動了深度學習的發(fā)生，促進了高階思維的發(fā)展，推動了學科素養(yǎng)的提升。