融入生物科學(xué)史的5E教學(xué)設(shè)計

袁超祎　劉鈺玲　胡婷

［摘 要］文章以“基因在染色體上”的教學(xué)設(shè)計為例，具體闡述如何將5E教學(xué)模式作為教學(xué)路徑，將生物科學(xué)史中科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)和經(jīng)典實驗過程作為教學(xué)情境，設(shè)計探究性問題，使學(xué)生積極參與教學(xué)活動，從思維層面重走科學(xué)家的探究歷程，主動建構(gòu)概念，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和科學(xué)探究能力，提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

［關(guān)鍵詞］5E教學(xué)模式；生物科學(xué)史；基因在染色體上；生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

［中圖分類號］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻標(biāo)識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）29-0085-03

5E教學(xué)模式是一種基于建構(gòu)主義的探究式教學(xué)模式，包括吸引（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）、評價（Evaluation）五個環(huán)節(jié)。該教學(xué)模式能促進學(xué)生積極參與教學(xué)活動，建構(gòu)科學(xué)概念，契合高中生物學(xué)新課標(biāo)的基本理念［1］。生物科學(xué)史記載了科學(xué)家探究生物學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律的過程，蘊含解決問題的方法和思維方式，對發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)有重要價值。但在教學(xué)生物科學(xué)史時，教師往往采用講授法，而學(xué)生的認知停留在了解科學(xué)家故事與探究步驟的層面上，不能領(lǐng)悟科學(xué)家得出結(jié)論所用的方法，這不利于學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展［2］。

本文以“基因在染色體上”的教學(xué)設(shè)計為例，將5E教學(xué)模式與生物科學(xué)史相結(jié)合，并以生物科學(xué)史作為教學(xué)情境，開展探究式教學(xué)活動，旨在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，自主建構(gòu)概念，掌握科學(xué)思維方法，培養(yǎng)科學(xué)探究能力，從而落實生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、教材分析與設(shè)計思路

“基因在染色體上”是人教版高中生物學(xué)教材必修2第2章第2節(jié)的內(nèi)容，在學(xué)習(xí)了孟德爾的遺傳規(guī)律和減數(shù)分裂中染色體行為變化的基礎(chǔ)上，進一步以“假說—演繹”的邏輯思路介紹基因與染色體的關(guān)系，為后面學(xué)習(xí)伴性遺傳、基因的本質(zhì)等內(nèi)容做好鋪墊。教學(xué)設(shè)計思路見表1。

二、教學(xué)目標(biāo)

（1）通過分析薩頓假說提出的原因、解釋孟德爾遺傳規(guī)律的實質(zhì)，提升分析、歸納與概括的思維能力。

（2）運用“假說—演繹”法分析摩爾根果蠅雜交實驗的現(xiàn)象，掌握科學(xué)探究的基本思路與方法，培養(yǎng)科學(xué)探究能力。

（3）通過體驗?zāi)柛C明基因在染色體上的探究過程，認同科學(xué)研究需要敢于質(zhì)疑、勇于探索求證的科學(xué)精神及尊重科學(xué)事實與證據(jù)的科學(xué)態(tài)度。

三、教學(xué)過程

（一）吸引——角色扮演，引出概念

課前查閱資料，課上師生角色扮演、編排對話，具體對話內(nèi)容如下：

孟德爾：我發(fā)現(xiàn)了遺傳規(guī)律，雖然現(xiàn)在沒人理解，但我相信屬于我的時代終將到來！

旁白：三十多年后，有3位科學(xué)家同時獨立地完成與孟德爾相似的實驗，并發(fā)現(xiàn)孟德爾的論文《植物的雜交實驗》［3］。自此，孟德爾遺傳定律逐漸被人關(guān)注。

薩頓：我發(fā)現(xiàn)蝗蟲減數(shù)分裂過程中染色體的行為與孟德爾提出的遺傳因子的行為有聯(lián)系，我推測基因位于染色體上。

摩爾根：我想知道孟德爾遺傳規(guī)律是否適用于動物，所以就用鼠、鴿等材料做實驗，但實驗結(jié)果都不理想，我開始懷疑孟德爾的觀點［4］。你的觀點沒有實驗證據(jù)，只是推理，我不相信。

摩爾根的妻子：摩爾根，快來看，實驗室里出現(xiàn)了一只白眼雄果蠅。

摩爾根：等著吧，我喜歡用事實說話，我要用這只果蠅做實驗，再看看基因是怎么回事及基因與染色體究竟有什么關(guān)系。

教師提問：薩頓為何提出“基因位于染色體上”這一觀點？摩爾根認同這一觀點嗎？

設(shè)計意圖：通過生動形象的角色扮演，以及編排對話，讓學(xué)生了解科學(xué)家間的背景關(guān)系，體會科學(xué)家重視事實與證據(jù)的嚴謹態(tài)度。同時，活躍氣氛，使學(xué)生的注意力轉(zhuǎn)移到課堂上，然后引出概念，制造認知沖突，激發(fā)學(xué)生的探究欲望。

（二）探究——層層探索，建構(gòu)概念

1.分析薩頓假說提出的原因

資料1：1866年，孟德爾提出生物的性狀是由遺傳因子控制的觀點。

資料2：1903年，科學(xué)家用光學(xué)顯微鏡觀察到染色體的形態(tài)與結(jié)構(gòu)，而遺傳因子（基因）在光學(xué)顯微鏡下卻看不見［5］。

資料3：1903年，美國遺傳學(xué)家薩頓在研究蝗蟲減數(shù)分裂過程中染色體行為變化時，發(fā)現(xiàn)配子形成過程中染色體的行為與孟德爾提出的遺傳因子的行為有很多相似的地方［6］（如圖1、圖2），還發(fā)現(xiàn)蝗蟲的染色體只有24條，但性狀卻遠遠大于24種。

學(xué)生觀察模型圖，填寫導(dǎo)學(xué)案上有關(guān)基因與染色體的比較的表格；結(jié)合資料，小組合作探討薩頓提出“基因在染色體上”這一觀點的原因。

2.體驗“基因在染色體上”實驗證據(jù)的探索過程

（1）觀察現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題

資料4：1908年，摩爾根飼養(yǎng)野生型紅眼果蠅，觀察發(fā)現(xiàn)果蠅后代眼色全為紅色。他用X光照射、激光照射等多種手段誘發(fā)果蠅突變。1910年5月，摩爾根培養(yǎng)的紅眼果蠅中誕生了一只白眼雄果蠅。摩爾根細心照料這只白眼果蠅，并用它做了雜交實驗（如圖3）。

教師提問：為何選果蠅作為實驗材料？學(xué)生通過觀看短視頻《果蠅的一生》，進行概括。教師追問：實驗結(jié)果是否遵循孟德爾的遺傳定律？學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象，分析果蠅眼色性狀的顯隱關(guān)系。教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題：F2中白眼性狀只出現(xiàn)在雄性果蠅中。學(xué)生再次產(chǎn)生疑問，探究熱情高漲。

（2）分析問題，作出假設(shè)

為什么果蠅雜交實驗F2中雄性果蠅全是白眼呢？引導(dǎo)學(xué)生猜想果蠅眼色性狀的遺傳與性別有關(guān)，并提示孟德爾提出生物的性狀由遺傳因子控制的觀點。學(xué)生推測果蠅控制眼色的基因與性別有關(guān)。

資料5：1908年，美國生物學(xué)家史蒂文斯發(fā)現(xiàn)雄性果蠅的精母細胞中有一條X染色體，還有一條與它同源的Y染色體，雌性果蠅有兩條X染色體，這些染色體決定了個體的性別，故稱性染色體。

教師首先展示果蠅體細胞示意圖，解釋果蠅染色體組成、性染色體概念，然后提問：性染色體決定性別，而控制眼色的基因與性別有關(guān)，這說明了什么？學(xué)生基于科學(xué)證據(jù)猜測：控制眼色的基因在性染色體上。教師繼續(xù)追問：果蠅有X、Y染色體，若控制眼色的基因在性染色體上，有幾種可能？ 學(xué)生發(fā)散思維，紛紛作出假設(shè)。假設(shè)1：控制眼色的基因在Y染色體上，X染色體上不含它的等位基因。假設(shè)2：控制眼色的基因在X染色體上，Y染色體上不含它的等位基因。假設(shè)3：控制眼色的基因位于X染色體與Y染色體的同源區(qū)。

（3）演繹推理，設(shè)計實驗

教師解釋用W表示控制紅眼的基因、w表示控制白眼的基因、基因在性染色體上如何表示。尊重學(xué)生，讓學(xué)生根據(jù)自己提出的假設(shè)，畫出果蠅雜交過程的遺傳圖解，分析假設(shè)是否能解釋雜交實驗現(xiàn)象。排除假設(shè)1，發(fā)現(xiàn)假設(shè)2和假設(shè)3都能解釋實驗現(xiàn)象。

教師提問：為什么假設(shè)2與假設(shè)3結(jié)果一樣呢？分析遺傳圖解，發(fā)現(xiàn)原因：Y與Yw在子代中表達效果一樣。追問：應(yīng)選什么樣基因型的雄果蠅區(qū)分兩種假設(shè)的Y？引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)假設(shè)2雄果蠅含Y，假設(shè)3雄果蠅含YW或Yw，選擇Y和YW區(qū)分兩種假設(shè)的Y，即選基因型XWY、XWYW 的紅眼雄果蠅。繼續(xù)提問：選哪種雌果蠅與之測交？學(xué)生思考分析后，排除基因型為XWXW 、 XWXw的雌果蠅，選基因型為XwXw的白眼雌果蠅，寫出遺傳圖解，演繹推理、預(yù)測實驗結(jié)果。

（4）驗證假說，得出結(jié)論

資料6：摩爾根測交實驗結(jié)果，即野生型紅眼雄果蠅與白眼雌果蠅交配后，子代雌性果蠅全是紅眼，雄性果蠅全是白眼［7］。

學(xué)生比較假設(shè)2預(yù)期結(jié)果與科學(xué)經(jīng)典實驗結(jié)果，排除假設(shè)3，得出“控制果蠅眼色的基因在X染色體上”的結(jié)論。教師補充：摩爾根用“假說—演繹”法證明了薩頓的觀點是正確的，隨后進行大量實驗研究，逐漸認同了孟德爾的遺傳規(guī)律。

設(shè)計意圖：分析薩頓假說提出的原因后，學(xué)生對基因與染色體的關(guān)系有了初步的認識，此過程訓(xùn)練了學(xué)生比較分析、歸納概括的思維能力。再以科學(xué)探究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)做支架，設(shè)置一系列問題，引導(dǎo)學(xué)生逐層深入探究、推理，自主經(jīng)歷科學(xué)家的邏輯思維過程，逐漸建構(gòu)概念，領(lǐng)會科學(xué)知識要經(jīng)過質(zhì)疑、創(chuàng)新與實證等方式才能不斷完善。

（三）解釋——歸納總結(jié)，深化概念

教師展示減數(shù)分裂過程中基因在染色體上的模型圖，提問：減數(shù)分裂中等位基因是怎樣分離的？非等位基因是如何組合的？學(xué)生在小組討論后，踴躍發(fā)言，描述等位基因與非等位基因的變化情況。各小組對比其他小組的解釋，重新思考自己的結(jié)論是否正確。學(xué)生未能講出的教師做必要的補充，最后師生一起總結(jié)孟德爾遺傳規(guī)律的實質(zhì)。

設(shè)計意圖：學(xué)生經(jīng)過探究后獲得感性經(jīng)驗，組內(nèi)、組間進行交流，在感性認識的基礎(chǔ)上進行抽象概括，科學(xué)解釋孟德爾遺傳規(guī)律的實質(zhì)。此過程中，學(xué)生思維外化，暴露問題；教師講解問題之處，能幫助學(xué)生實現(xiàn)新舊知識間的聯(lián)系與整合，使其深入理解基因在染色體上的表現(xiàn)。

（四）遷移——遷移運用，鞏固新知

此環(huán)節(jié)是讓學(xué)生將所學(xué)新知識與方法運用到新境中解決問題。具體如下：實驗小組發(fā)現(xiàn)一只毛色金黃的雄犬，其毛色性狀是由顯性基因（G）控制，那么該基因是在常染色體上還是性染色體上？如果你是科學(xué)家，應(yīng)該如何設(shè)計實驗進行判斷呢？

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會遷移，解決具體的實際問題，運用“假說—演繹”法判斷基因在染色體上的位置，檢測學(xué)生對知識的掌握情況，加深其對概念的理解，進而提升學(xué)生的思維品質(zhì)。

（五）評價——評價驅(qū)動，貫穿全程

評價環(huán)節(jié)既要評價學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果，也要評價學(xué)生的學(xué)習(xí)過程。課上，教師注意觀察學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)的狀態(tài)，傾聽學(xué)生討論的情況，及時進行點撥，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機、促進學(xué)生進行反思，對其探究、解釋與遷移環(huán)節(jié)中結(jié)果的展示、思維的展現(xiàn)適時給予恰當(dāng)評價。鼓勵學(xué)生組內(nèi)、組間對他人的思考結(jié)果進行評價，交流各自的觀點，以便發(fā)現(xiàn)自身不足，不斷提升和完善自我。

四、教學(xué)反思

“基因在染色體上”的結(jié)論學(xué)生容易記住，但關(guān)鍵是理解科學(xué)家探究出該結(jié)論的過程中所用的思路與方法。將5E教學(xué)模式與生物科學(xué)史相融合，發(fā)揮兩者優(yōu)勢，用科學(xué)史創(chuàng)設(shè)情境激發(fā)學(xué)生的探究興趣，將摩爾根的實驗設(shè)計為探究性實驗，引領(lǐng)學(xué)生像科學(xué)家一樣發(fā)現(xiàn)問題、分析問題與解決問題，既動手又動腦，發(fā)展思維的靈活性，領(lǐng)悟科學(xué)家所用的方法，對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和科學(xué)探究能力大有裨益。但是假說—演繹的過程具有連貫性，而一節(jié)課時間略顯緊張，如何更好地設(shè)計各個環(huán)節(jié)，給學(xué)生留下充足的思考時間，還需要進一步探究，以期達到更好的教學(xué)效果。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 王建，李秀菊.5E教學(xué)模式的內(nèi)涵及其對我國理科教育的啟示［J］.生物學(xué)通報，2012（3）：39-42.

［2］? 林細富.基于生物科學(xué)史培育生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)［J］.中學(xué)生物教學(xué)，2022（27）：4-6.

［3］? 趙開勇.孟德爾發(fā)現(xiàn)“遺傳定律”過程中體現(xiàn)的科學(xué)思維、科學(xué)探究能力［J］.中學(xué)生物學(xué)，2021（7）：7-9，40.

［4］? 王永勝.生物學(xué)核心概念的發(fā)展：高中生物新課程的科學(xué)史資源［M］.2版.北京：人民教育出版社，2022.

［5］? 唐曉明.薩頓假說“基因在染色體上”的推理方法［J］.中學(xué)生物教學(xué)，2016（7）：51-52.

［6］? 吳成軍.生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)與評價［M］.上海：華東師范大學(xué)出版社，2020：114.

［7］? 謝仁榮.摩爾根果蠅雜交實驗基因定位假設(shè)的科學(xué)史［J］.中學(xué)生物教學(xué)，2019（合刊1）：109-111.