滲透社會責(zé)任教育的遺傳學(xué)實驗教學(xué)

摘要：以“山重水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村”為主題，圍繞中國雜交水稻的培育歷程和發(fā)展，呈現(xiàn)科學(xué)家們遺傳學(xué)設(shè)計的過程，滲透社會責(zé)任教育和家國情懷。讓學(xué)生了解以袁隆平為首的科學(xué)家們的功績，以理解遺傳學(xué)實驗的設(shè)計，體會雜交水稻培育之艱辛，體現(xiàn)了科學(xué)家愛國、敬業(yè)和奉獻(xiàn)精神；明白雜交水稻對世界之影響，以此告慰前輩，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注社會、關(guān)注家國命運，培育科學(xué)探究和社會責(zé)任意識。

關(guān)鍵詞：社會責(zé)任；問題驅(qū)動；雜交水稻；科學(xué)思維；勞動教育

文章編號：1003-7586（2024）02-0036-04 中國分類號：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

社會責(zé)任是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一。在《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中，明確要求學(xué)生能夠基于生物學(xué)知識，參與個人與社會事務(wù)的討論，作出理性解釋和判斷，具備解決生產(chǎn)生活問題的擔(dān)當(dāng)和能力?！秶鴦?wù)院辦公廳關(guān)于新時代推進(jìn)普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見》中指出，新時代高考改革強調(diào)教育的本質(zhì)是育人，立德樹人，培養(yǎng)全面發(fā)展的人。在這一背景下，高三生物學(xué)的課堂教學(xué)不能只教學(xué)生做題，要引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注點從“解題”向“解決問題”，從“做題”向“做人做事”轉(zhuǎn)變。本文試圖用科學(xué)家們培育雜交水稻的艱辛過程為案例，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注社會、關(guān)注生活，教他們學(xué)會像科學(xué)家那樣思考，用生動具體的事例內(nèi)化于心，外化于行，以提高基于知識解決生活實際問題的能力，最終能改善生活。在教學(xué)中選用中國科學(xué)家的研究成果的事例，關(guān)注農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，凸顯勞動教育，能激發(fā)學(xué)生的民族自豪感，從而使其努力學(xué)習(xí)、儲備力量，同時放眼未來，形成為國奮斗的家國情懷。

1問題設(shè)疑，導(dǎo)入新課

問題 為什么要種植雜交水稻？

圍繞問題，教師在課前布置任務(wù)單，學(xué)生分組了解：①研究雜交水稻的背景；②雜交水稻的優(yōu)勢。

課堂上，學(xué)生根據(jù)搜集到的資料匯報：中國是世界上最早種植水稻的國家，水稻的種植歷史可追溯到12 000～16 000年前。作為重要的糧食作物，水稻的產(chǎn)量不高；而在1960年，中國多省遭受了嚴(yán)重的自然災(zāi)害，全國范圍內(nèi)發(fā)生了大饑荒，糧食短缺導(dǎo)致許多人餓死；此時國外雜種玉米、雜種煙草、雜種小麥等飛速發(fā)展，產(chǎn)量突飛猛進(jìn)。通過此問題的討論，教師可以引出雜種優(yōu)勢的概念，即人們意識到獲得具有雜種優(yōu)勢的雜合種子是提高水稻產(chǎn)量的重要途徑。雜交水稻可以集優(yōu)良性狀于一身，如生長旺盛、根系發(fā)達(dá)、穗大粒多、整齊度好、抗逆性強等一系列優(yōu)點。為了便于學(xué)生更形象直觀地掌握，教師將雜交水稻比喻為“高富帥”。

課件展示水稻的產(chǎn)量變化數(shù)據(jù)：1958年畝產(chǎn)400千克－2000年畝產(chǎn)700千克－2020年畝產(chǎn)1 530千克－2021年畝產(chǎn)1 603.9千克。教師提示水稻產(chǎn)量的提高來之不易，依靠的是一代又一代的科學(xué)家們接力賽似的鉆研與努力。

設(shè)計意圖

現(xiàn)在的學(xué)生很少有吃不飽飯的經(jīng)歷，對中國歷史上出現(xiàn)饑荒事件的印象常常停留在課本，因此也鮮有學(xué)生將自己的努力學(xué)習(xí)目標(biāo)與家國命運聯(lián)系在一起。讓學(xué)生體會到今天國人不再忍受饑餓是無數(shù)科研工作者和農(nóng)業(yè)人付出辛勞的結(jié)果，從而使其重視勞動。

2過程中發(fā)現(xiàn)問題，不斷探索優(yōu)化

問題1 如何實現(xiàn)水稻的雜交？

視頻展示：師生在校園的社會實踐基地觀察水稻生長的過程。水稻（2n=24）是雌雄同株兩性花植物，花較小，自花授粉，天然雜交率一般在0.2％～4％之間。人工異花授粉的過程：去雄－套袋－授粉－套袋。

資料1 水稻的花極小，包括1枚雌蕊和6枚雄蕊。一株稻穗約開200～300朵稻花，一朵花只結(jié)一粒種子。開花時，從稃片張開到閉合約為1.5～2小時。同一稻穗完成開花約需7～10天，一般上午910時開始開花，11～12時最盛，下午2～3時停止。

教師提問：自1926年美國人首次提出水稻具有雜種優(yōu)勢以來，世界各地的科學(xué)家相繼開展了研究，但均未能應(yīng)用于生產(chǎn)，原因可能是什么？

學(xué)生結(jié)合資料1分析得出結(jié)論：水稻的雜交育種在實際操作中非常困難。同時教師補充資料2。

資料2 一畝地約5萬株水稻，一個技術(shù)比較熟練的育種工作者，一天最多也只能去雄幾百株。由此發(fā)現(xiàn)實際問題：水稻去雄困難，雜交育種工作量非常大，無法滿足大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用需求。

設(shè)計意圖 使學(xué)生聯(lián)想孟德爾豌豆雜交實驗，將孟德爾遺傳定律運用到實際生產(chǎn)中，學(xué)習(xí)和遷移的研究揭示了構(gòu)建學(xué)習(xí)經(jīng)驗的重要原理，這使人們能夠在新的情境中運用以往的經(jīng)驗。

問題2 雜交水稻的后代能繼續(xù)保持穩(wěn)定的性狀嗎？

學(xué)生討論后得出，根據(jù)盂德爾遺傳定律，隨著自然狀態(tài)下的雜交優(yōu)勢品種繼續(xù)自交，其后代會出現(xiàn)“自交衰退”現(xiàn)象，即雜種自交后代出現(xiàn)性狀分離，各種隱性性狀的缺點不斷暴露，自花授粉使更多植株出現(xiàn)原來“平庸”的性狀，雜交水稻的“高富帥”優(yōu)勢難以保留。

設(shè)計意圖 新高考要打破知識論背景下的考試，對教育最大的挑戰(zhàn)是要求學(xué)生在信息遷移上著力，在實際情境中應(yīng)用。很多學(xué)生對孟德爾的雜交實驗的理解還停留在做題應(yīng)試上，因此，設(shè)置合理的情境，設(shè)計有效的問題，有助于學(xué)生自然提取碎片化的知識，并像科學(xué)家那樣思考后應(yīng)用于實踐中。

在無數(shù)著名專家學(xué)者得出水稻不適合做雜交實驗的結(jié)論時，以袁隆平為代表的中國科學(xué)家們并未就此放棄，而是另辟蹊徑，想到自然界有許多植物有雄性不育現(xiàn)象，于是他們在大量野生型水稻中尋找水稻的天然雄性不育植株。研究中的這種批判性思維，告訴我們不要迷信權(quán)威，要有多角度的思考和實踐中的研判，機遇和突破往往蘊藏在困難之中，還讓學(xué)生體會科學(xué)家們在科研道路上的執(zhí)著與堅守。

3四代雜交水稻誕生之路

問題1 如何實現(xiàn)大規(guī)模水稻雜交？

資料1 科研工作者們在普通野生稻群中找雄蕊失活的水稻的艱辛過程。1970年，袁隆平的學(xué)生李必湖發(fā)現(xiàn)一株花藥瘦小、黃色、不開裂，典型花粉敗育型雄性不育株，雌蕊能正常受粉，可以通過異花授粉進(jìn)行繁殖，被定名為“野敗”?！耙皵　钡陌l(fā)現(xiàn)為中國雜交水稻研究打開了突破口。

教師引出問題：這株“野敗”的出現(xiàn)可能是什么原因?qū)е碌?？要判斷“野敗”的育種價值，首先得確定它的遺傳物質(zhì)是否發(fā)生變化，那如何設(shè)計實驗來判斷“野敗”的變異類型？

學(xué)生思考討論后回答：通過不育系“野敗”和普通野生水稻雜交，看后代是否出現(xiàn)不育系。若后代仍然出現(xiàn)不育系，取水稻根尖分生區(qū)細(xì)胞制成裝片，觀察染色體數(shù)目和形態(tài)。若染色體數(shù)目和形態(tài)正常，則可能是基因突變；若染色體數(shù)目和形態(tài)不正常，則可能是染色體變異。教師展示圖片進(jìn)行水稻（2n=24）染色體核型分析，并帶領(lǐng)學(xué)生觀察體驗科研工作者們的部分研究過程，最后總結(jié)。

設(shè)計意圖 通過這些問題來復(fù)習(xí)基因型、表現(xiàn)型以及與環(huán)境之間的關(guān)系，可遺傳變異的類型有哪些，區(qū)分基因突變和染色體變異的最簡便方法等。同時加強實驗研究思維的培養(yǎng)與實踐，讓學(xué)生學(xué)會實驗研究中的思維方式和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒灳瘢寣W(xué)生從學(xué)會知識轉(zhuǎn)向?qū)W會分析思考，在演繹推理中得到驗證。

資料2 研究發(fā)現(xiàn)，水稻花粉是否可育受細(xì)胞質(zhì)基因（S、N）和細(xì)胞核基因R共同控制。S、N分別表示不育基因和可育基因，是成單存在的；R表示細(xì)胞核中可恢復(fù)育性的基因，其等位基因r無此功能。通?；蛐涂杀硎緸椤凹?xì)胞質(zhì)基因（細(xì)胞核基因型）”，如S（RR）。只有當(dāng)細(xì)胞質(zhì)中含有S基因且細(xì)胞核中r基因純合時，植株才表現(xiàn)出雄性不育性狀。

教師提出問題：從遺傳物質(zhì)角度來講，雄性不育有幾種類型？學(xué)生根據(jù)資料可以得出：雄性不育有細(xì)胞核基因控制的不育、細(xì)胞質(zhì)基因控制的不育以及核質(zhì)互作導(dǎo)致的不育三種類型，而核質(zhì)互作類型是科學(xué)家們在雜交實驗中使用最廣泛的。

教師繼續(xù)設(shè)置問題：雄性不育系如何產(chǎn)生下一代不育系？不育系與其他品種雜交如何避免后代回到“自交衰退”的困境？怎樣能得到穩(wěn)定的不育系后代？同學(xué)們圍繞問題展開討論。

在教師的引導(dǎo)下，同學(xué)們想到以不育系S （rr）作為母本與其他品種的水稻雜交；基因型為N（RR）或S（RR）的父本與不育系雜交，獲得雜交種全部可育。為了避免后代又回到“自交衰退”的困境中，于是科學(xué)家們篩選出一個品種，使其與不育系雜交，后代仍保持雄性不育的特征，這就是“保持系”水稻的由來。用不育系和保持系雜交，能得到穩(wěn)定的不育系后代，但僅依靠不育系和保持系無法得到具有雜種優(yōu)勢的水稻，還需要一個具有優(yōu)良性狀的品種，使之與不育系雜交的后代具有雄性可育特征，使其能夠自花授粉而用于后續(xù)生產(chǎn)，推動具有雜種優(yōu)勢的水稻后代繼續(xù)“砥礪前行”，而這種具有優(yōu)良性狀且后代可育的水稻稱為“恢復(fù)系”。

教師總結(jié)：不育系與恢復(fù)系雜交，得到兼具雜種優(yōu)勢和遺傳穩(wěn)定的生產(chǎn)種子。同時，保持系、恢復(fù)系各自自交，依然能夠得到保持系和恢復(fù)系。就這樣，三系法雜交是以核質(zhì)互作雄性不育系為遺傳工具，世界首個食用高產(chǎn)雜交水稻，也就是第一代雜交水稻誕生了，于1976年正式推廣應(yīng)用，使水稻產(chǎn)量從畝產(chǎn)300千克提高到畝產(chǎn)500千克以上。

問題2 如何沖破品系間雜交，實現(xiàn)亞種間雜交，提升產(chǎn)量？

三系法的不足之處在于育性受保持系、恢復(fù)系關(guān)系的制約，恢復(fù)系很少，保持系更少，只能實現(xiàn)同一亞種內(nèi)不同品種間雜交，而且雜交過程繁瑣，成本高，周期長，能選到優(yōu)良組合的概率很低。

資料3 1973年科研人員石明松發(fā)現(xiàn)雄性不育突變體S，長日照溫度高于23℃時表現(xiàn)為雄性不育，短日照溫度低于23℃時表現(xiàn)為雄性可育，其育性由一對核等位基因控制，與細(xì)胞質(zhì)無關(guān)，不育性狀為隱性。科學(xué)家們以光溫敏型核雄性不育系為遺傳工具提出了二系法雜交，第二代雜交水稻由此誕生了，產(chǎn)量也有了大幅度提高。

教師提出問題：花粉的育性與哪些因素有關(guān)？花粉分別在什么條件下不育性和育性最高？說明生物體的性狀是由什么決定的？如果用雄性不育突變體S來獲得雜交種是否有優(yōu)勢？為什么？學(xué)生討論后總結(jié)：以光溫敏型核雄性不育系為遺傳工具，利用短日照低溫下的可育植株自交獲得不育系，相當(dāng)于恢復(fù)系，不育系繁殖出光溫敏型水稻作為保持系，長日照高溫下的不育植株和短日照低溫下的可育植株雜交獲得雜交稻。教師總結(jié)，對比三系法雜交受到的限制，二系法可以沖破品系間雜交，實現(xiàn)亞種間雜交。配組自由度高，選到優(yōu)良組合的機會多了。但新的問題很快出現(xiàn)，二系法雜交水稻受環(huán)境條件影響較大，育種風(fēng)險也隨之提高。

資料4 湖南雜交水稻研究中心李新奇等研究人員以普通核雄性不育隱性突變體為研究對象，利用基因工程技術(shù)構(gòu)建育性恢復(fù)基因F、花粉致死基因P和紅色熒光標(biāo)記基因M三者緊密連鎖（不發(fā)生交換）的互補載體，然后將該載體轉(zhuǎn)入不育突變體中，得到育性恢復(fù)的轉(zhuǎn)基因植株，于2016年誕生了第三代雜交水稻，即超級雜交水稻，使平均畝產(chǎn)再上新臺階。

教師講述，袁隆平教授去世前正在研究第四代雜交水稻，利用C4植物基因、無融合生殖等方式培育水稻的新品種，計劃把水稻光合效率提高30％，產(chǎn)量達(dá)每畝1 500千克。學(xué)生還聯(lián)想到可以利用基因工程技術(shù)將植物的磷酸烯醇丙酮酸羧化酶（PEP羧化酶）基因、乙醇酸脫氫酶和蘋果酸合成酶基因等通過DNA重組技術(shù)引入水稻中。教師在學(xué)生討論后總結(jié)，回顧四代雜交水稻的歷程，充分展現(xiàn)出科學(xué)家們永無止境、勇創(chuàng)新高的探索精神，大家要將科學(xué)家愛國、敬業(yè)和奉獻(xiàn)精神傳承并發(fā)揚下去。

設(shè)計意圖 我們國家對未來人才培養(yǎng)方面，不是只看學(xué)生考試成績，而是看學(xué)生是否具備服務(wù)國家和人民的社會責(zé)任感、勇于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問題的實踐能力。教師通過資料展現(xiàn)中國第四代雜交水稻的艱辛培育歷程，幫助學(xué)生系統(tǒng)了解科學(xué)家的研究內(nèi)容與探索過程，展現(xiàn)科學(xué)家們不斷探索的精神；幫助學(xué)生理解科學(xué)家從事科學(xué)工作背后的意義，在他們心里種下一顆為家國奮斗的種子，從而形成報效國家、造福人類的崇高的價值觀。

4教學(xué)反思

4.1重視勞動教育，滲透社會責(zé)任

習(xí)近平總書記指出，確保國家糧食安全，把中國人的飯碗牢牢端在自己手中。作為14億人口的泱泱大國，糧食安全的重要性對我國不言而喻。從優(yōu)良品種選育到田間生產(chǎn)管理，從增加糧食產(chǎn)量到提高產(chǎn)品品質(zhì)，無處不是生物學(xué)知識、方法與生產(chǎn)實踐緊密聯(lián)系的體現(xiàn)。中國雜交水稻的培育史，也是以袁隆平為代表的科研工作者們立志解決中國糧食短缺問題的奮斗史，他們將全部心血傾注于雜交水稻事業(yè)，持之以恒，克服種種困難為中國乃至世界的糧食生產(chǎn)做出了重大的貢獻(xiàn)。教師以中國雜交水稻的培育歷程為主線，鼓勵學(xué)生將孟德爾的雜交實驗過程搬到田間地頭，重視勞動；同時，讓學(xué)生關(guān)注社會生活熱點，聚焦實踐，感受科學(xué)家們的愛國情懷，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任意識，凸顯育人過程。

植物雜交技術(shù)專業(yè)實踐性強，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中應(yīng)用比較廣泛，讓學(xué)生參與討論探究，可以為其進(jìn)一步學(xué)習(xí)和職業(yè)規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。生物教學(xué)除了要加強學(xué)生對知識的理解學(xué)習(xí)，也要考慮他們未來的生活需要，引導(dǎo)學(xué)生將來可以將學(xué)到的技能應(yīng)用于實踐。

4.2引領(lǐng)科學(xué)思維，提升解決問題能力

本節(jié)課以真實問題的研究引領(lǐng)思維，將科學(xué)家們遇到的科研難題以及解決過程通過情境逐步呈現(xiàn)，展現(xiàn)出科學(xué)工作者們既敢于挑戰(zhàn)權(quán)威、不畏艱辛，又努力協(xié)作、合力攻關(guān)的過程，以此培養(yǎng)學(xué)生基于知識解決生活實際問題的能力。學(xué)生通過檢索知識來解決實際應(yīng)用中的問題，理論聯(lián)系實際，重在理解遺傳學(xué)設(shè)計層層遞進(jìn)的過程。教師在教學(xué)中要重視培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維過程，讓學(xué)生逐漸像科學(xué)家那樣在問題的引導(dǎo)下進(jìn)行分析、思考和實踐解決問題，激發(fā)進(jìn)一步學(xué)習(xí)探索的動力，實現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)與生產(chǎn)生活情境、實踐操作緊密聯(lián)系，在實踐中逐層提高思維結(jié)構(gòu)，改善思維品質(zhì)，提升解決問題能力，還要引導(dǎo)學(xué)生像農(nóng)業(yè)科學(xué)家們一樣心系社會，善解難題，服務(wù)社會，樂于奉獻(xiàn)，使其具備適應(yīng)社會發(fā)展需要的品格和綜合能力。