指向科學思維的概念教學

張命康 呂國裕

摘要以基因突變一節(jié)為例，從概念的內涵和外延闡釋了指向科學思維的概念教學，通過設置問題串、動手模擬操作、資料分析、小組辯論、概念模型建構、論證式教學等方式，滲透歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等科學思維。

關鍵詞科學思維 概念教學 基因突變

科學思維是基于事實和證據，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。基于科學思維的概念教學，著重培養(yǎng)學生的歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等能力，探討、闡釋生命現象及規(guī)律，審視或論證生物學社會議題。下面以廈門海滄中學鄭蘭萍教師所上的一節(jié)課——“基因突變”為例，說明指向科學思維的概念教學策略。

1概念的內涵——概念教學的核心

概念是在感覺、知覺和表象的基礎上，運用比較、分析、綜合、抽象、概括等方法形成的，而概念的內涵是概念所反映對象的本質屬性的總和，是概念教學的核心。概念教學應還原概念的形成過程。本教學案例選用鐮刀型細胞貧血癥，從現象開始，追根溯源，逐一剖析基因突變的內涵。

1.1設置問題串，培養(yǎng)演繹與推理能力

教師展示人教版必修2教科書中P80鐮刀型細胞貧血癥的圖片及補充資料，請學生完成一份不完整的病理報告。1910年，赫里克醫(yī)生的診所來了一位黑人病人，四肢無力，發(fā)燒，肌肉酸痛。醫(yī)生使用所有能治療貧血病的藥物，但都無效，于是對病人做血液檢查。醫(yī)生病理報告如下：主要癥狀：臉色蒼白，四肢無力，發(fā)燒，肌肉酸痛。鏡檢對比：正常紅細胞呈兩面凹圓餅狀，患者的紅細胞呈鐮刀狀。病名：鐮刀型細胞貧血癥。教師提出問題：（1）利用已有知識，下一步該檢查什么？（因蛋白質是生命活動的體現者，核酸是遺傳物質，故應先檢查蛋白質，后分析核酸。）（2）蛋白質為什么會改變？（通過正常血紅蛋白和異常血紅蛋白對比，發(fā)現一條多肽鏈上一個谷氨酸變成了纈氨酸。）（3）氨基酸為什么改變？（根本原因是DNA堿基對替換）教師引導學生作出結論鐮刀型細胞貧血癥是由基因發(fā)生改變引起的疾病。

1.2動手模擬操作，培養(yǎng)歸納與概括、類比推理能力

通過小組動手合作，學生完成模擬活動。教師給學生出示己發(fā)生改變的不同的DNA序列，請學生寫出mRNA及氨基酸序列，然后再與教師展示的正常情況進行對比，發(fā)現多肽鏈（蛋白質）的不同之處，嘗試得出基因突變的概念。

在學生動手模擬分析的基礎上，教師提出問題：（1）哪種基因突變對氨基酸序列的影響最??？學生通過演繹，改變一對堿基對、二對、三對……，由簡單到復雜，歸納出基因突變的數量、方式及位置，哪個對氨基酸序列的影響最小。（2）基因突變一定影響蛋白質嗎？不一定因為密碼子的簡并性，基因突變不一定影響蛋白質。（3）基因突變一定改變性狀嗎？不一定。首先，基因突變不一定影響蛋白質；其次即使蛋白質發(fā)生改變，生物性狀也不一定改變。

2概念的外延——概念教學的拓展

概念的外延就是適合概念的一切對象的范圍，是概念內涵的延伸，是全面理解概念的保障，是構成完整概念的重要因素。概念外延的教學是概念教學不可或缺的重要組成部分。本節(jié)概念的外延包括基因突變的時間、原因、特點及意義。

2.1資料分析，培養(yǎng)對比分析能力

教師引導學生對比分析資料，判斷資料中的事例是否屬于基因突變。

資料1：帶有“?！薄笆フQ快樂”“祝你平安”等字跡或者帶有美麗圖案的“藝術蘋果”，由于創(chuàng)意新穎，寓意吉祥，這種蘋果身價比普通蘋果高出不少。記者采訪種植戶了解到，蘋果上的字是通過貼膠帶遮擋光照形成的。

資料2：1966年，加拿大多倫多的一只家貓產下一只沒有毛的小貓。從此，歐洲和北美愛貓人士開始將加拿大無毛貓同正常家貓交配進行繁殖，但繁殖成功率較低。

學生通過討論，得出“帶字蘋果”是環(huán)境改變引起的變異，遺傳物質并沒有改變，屬于不可遺傳的變異。而加拿大無毛貓的遺傳物質發(fā)生了改變，屬于可遺傳變異中的基因突變。

2.2小組辯論，培養(yǎng)批判性思維

教師以幾個與本節(jié)課緊密相關的論題，組織學生進行課堂辯論。

（1）基因突變的低頻性和普遍性矛盾嗎？為什么？

正方認為既然是低頻，一定是不普遍，如果是普遍的，一定是高頻。反方認為正方混淆突變率和普遍性概念，突變率是突變的基因占物種總基因的比例或突變的細胞（個體）占所有細胞（個體）的比例，而普遍性是指生物界中各種生物發(fā)生基因突變的可能性，存在多種生物發(fā)生基因突變而突變率都很低的情況。

（2）基因突變是“利”大于“弊”嗎？會發(fā)生轉化嗎？

正方認為“利”大于“弊”，舉例說出太空育種使得果實變大、青霉素產量提高等例子，為人類提供更豐富更高產的食物、更便宜的藥物。反方認為“弊”大于“利”，舉例說出教材內外更多的基因突變實例，如白化病、短果枝、紅綠色盲、并指、多指、糖尿病、殘翅與無翅等，影響植物的品質、威脅動物的生存、引起人類的疾病等不利的方面。雙方都一致認為，多數的基因突變是中性，即無利也無害，且利與弊是相對的，取決于是否適應環(huán)境，如島嶼上的有翅昆蟲，突變?yōu)闊o翅和殘翅，但不利的無翅和殘翅在大風大浪的情境下，反而得到生存的機會。

（3）基因突變的低頻性和多害少利性，可能不可能為生物進化提供原材料？

正方認為基因突變率低且多數是有害的，突變的個體少且不利于個體生存，故不利于生物進化，不可能為生物進化提供原材料。反方認為對于生物個體而言，發(fā)生自然突變的頻率是低的，但對于一個由許多個體組成的物種來說，在進化過程中產生的突變還是很多的，其中不乏有利突變，對生物的進化有重要意義。

2.3論證式教學，培養(yǎng)質疑能力

主張：基因突變可發(fā)生在分裂的細胞中，DNA復制時易發(fā)生基因突變。只有問期才能發(fā)生基因突變。

質疑：基因突變只發(fā)生在細胞分裂的間期？

解釋：基因只要發(fā)生解旋，基因（DNA）分子就會處于不穩(wěn)定階段，極易發(fā)生突變，而DNA解旋發(fā)生在DNA復制階段（即問期）和轉錄階段，而后者細胞幾乎每時每刻都在進行而不停止。只不過問期解旋的DNA分子量比其他時期大，基因突變的可能性更大?；蛲蛔兺ǔ０l(fā)生在DNA復制時期，即細胞分裂間期。

支持：研究發(fā)現，在37℃條件下培養(yǎng)一個哺乳動物細胞20 h，會有數以千計的嘌呤通過脫嘌呤作用自發(fā)地脫落；現己知道，在玉米、果蠅等生物中發(fā)生的一些典型突變就是由于可移動DNA序列轉座因子的插入所引起的。

結論：基因突變發(fā)生在細胞的各個時期。

3概念模型的建構——概念教學的新策略

通過視頻、資料分析，學生自主構建微概念模型。

3.1教師播放視頻，學生構建基因突變原因的微概念模型

教師播放以下幾則視頻：

（1）福島輻射致18%的蝴蝶發(fā)生基因突變，翅膀變小眼睛受損。

（2）廣州日報報道，長期吃剩菜剩飯，一家三口患癌癥。

（3）科學工作者在有些動物的癌細胞中發(fā)現了病毒顆粒。近幾年來研究也己證明某些病毒的遺傳物質能影響宿主細胞的DNA。

在學生觀看視頻后，教師引導學生構建如圖1所示的微概念模型。

3.2教師引導學生分析資料，促進學生構建基因突變特點的微概念模型

教師提供以下資料：

資料1：圖片展示白化苗、白化孔雀、多指、并指等。

資料2：基因突變可發(fā)生在個體發(fā)育的任何時期、在細胞內不同DNA、在同一DNA分子的不同部位。

資料3：A與a1、a2、a3之間的相互突變，構建基因之間相互突變的模型圖。

資料4：在人教版必修2 P116第四段提到“我們知道，生物自發(fā)突變的頻率很低，而且突變（包括基因突變和染色體變異）大多是有害的”。

教師引導學生總結基因突變的特點：普遍性、隨機性、不定向性、低頻性、多害少利性。學生構建出基因突變特點的微概念模型。

教師引導學生從現象到概念，從宏觀到微觀來歸納總結出基因突變的概念。教師摒棄講解加例子的傳統(tǒng)概念教學模式，基于科學思維下的概念教學，大大提高了學生的思維品質，學生不僅收獲知識，更重要的是提高了生物學核心素養(yǎng)。