基于融會貫通學(xué)科理論的案例研究

袁茂坤

摘 要 沿著生命過程融會貫通學(xué)科理論，可以增強學(xué)生的生命觀念，強化學(xué)生的理性思維，提高學(xué)生實驗探究的設(shè)計水平，促進學(xué)生核心素養(yǎng)的完善。

關(guān)鍵詞 生命過程 融會貫通學(xué)科理論 核心素養(yǎng)

中圖分類號 G633.91 文獻標(biāo)志碼 B

在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的高中生物教學(xué)過程中，既有概念原理生成的實驗探究教學(xué)，又有依據(jù)生命過程融會貫通學(xué)科理論的教學(xué)；后者既是教師專業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，也是學(xué)生內(nèi)化生命觀念和訓(xùn)練思維能力的重要途徑。下面以高中生物的遺傳變異理論為例，依據(jù)遺傳物質(zhì)在物種世代交替中傳遞或改變的過程，先建構(gòu)基因的遺傳規(guī)律、基因突變、基因重組、染色體變異、遺傳變異育種和DNA結(jié)構(gòu)復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯等遺傳變異過程的模型；然后對模型蘊含的遺傳變異理論進行縱向梳理和橫向比較，使學(xué)生在理解掌握知識關(guān)系的過程中，建構(gòu)遺傳變異理論體系。

1 建構(gòu)物種世代交替過程模型

為了揭示物種世代交替過程蘊含的遺傳變異機理，可以把物種個體形成精細胞或卵細胞的減數(shù)分裂過程、受精卵形成過程、細胞有絲分裂過程和形成物種性成熟個體示意圖，通過三組實線和一組虛線連接成物種世代交替過程模型（圖1）。圍繞物種世代交替過程模型，教師可以引導(dǎo)學(xué)生分別討論減數(shù)分裂、受精作用、細胞有絲分裂、細胞的生長分化和生物個體成熟過程蘊含的生物學(xué)理論，生成世代交替過程的遺傳變異理論；其中減數(shù)分裂和有絲分裂過程中染色體行為數(shù)目變化和前中后期示意圖的比較辨析是重點內(nèi)容。

在形成精細胞或卵細胞的減數(shù)分裂過程中，圍繞染色體的行為數(shù)目、染色單體和DNA的數(shù)目變化可以討論以下問題：① 間期染色體復(fù)制的過程和結(jié)果；② 減數(shù)第一次分裂過程結(jié)果；③ 次級精母細胞或次級卵母細胞無同源染色體的原因；④ DNA數(shù)目和染色單體數(shù)目在細胞分裂過程的變化；⑤ 染色體復(fù)制一次和細胞分裂兩次導(dǎo)致精細胞或卵細胞染色體數(shù)目減半的原理；⑥ 細胞質(zhì)是否均等縊裂；⑦ 同源染色體的變化。

在形成動物體細胞或植物體細胞的有絲分裂過程中，可以討論以下問題：① 間期染色體復(fù)制；② 分裂期染色體的行為和結(jié)果；③ 染色體復(fù)制一次細胞分裂一次、親子代細胞染色體組成的穩(wěn)定等問題；④ 染色單體和DNA的數(shù)量變化；⑤ DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯的遺傳過程。

在減數(shù)分裂和動物細胞有絲分裂過程中，前期、中期和后期各涉及五幅圖像的比較辨析，比較辨析指標(biāo)主要包括細胞中有無同源染色體、兩極有無同源染色體、有無聯(lián)會（四分體）行為、同源染色體或姐妹染色體分離等。如用有無同源染色體分離和細胞質(zhì)是否均等分裂兩項指標(biāo)，可以確定初級精母細胞和初級卵母細胞后期圖像；用細胞兩極是否有同源染色體和細胞是否均等分裂兩項指標(biāo)，可以確定動物細胞有絲分裂后期圖像、次級精母細胞后期圖像和次級卵母細胞后期圖像。

2 建構(gòu)物種性狀遺傳過程模型

在物種世代交替的減數(shù)分裂過程中，出現(xiàn)了同源染色體的分離和非同源染色體自由組合的遺傳現(xiàn)象。當(dāng)一對同源染色體只涉及一對等位基因時，伴隨發(fā)生了等位基因的分離和非等位基因的自由組合；蘊含著與一對同源染色體相關(guān)的基因分離遺傳規(guī)律，與兩對同源染色體相關(guān)的基因自由組合遺傳規(guī)律，與性染色體相關(guān)的性別決定和伴性遺傳規(guī)律，與一對性染色體和一對常染色體相關(guān)的基因自由組合遺傳規(guī)律；基因或性染色體控制生物性狀的遺傳規(guī)律，可用基因分離規(guī)律遺傳圖解式、基因自由組合規(guī)律遺傳圖解式、性別決定和伴性遺傳圖解式、常染色體和性染色體上的基因進行自由組合的遺傳圖解式所構(gòu)成的模型予以表達。在基因或性染色體控制生物性狀遺傳過程的模型中，蘊含著探究遺傳規(guī)律的科學(xué)研究思想方法，如驗證或者獲得某種基因型的探究實驗；蘊含著由親代性狀或基因型求子代性狀或基因型的順向推理過程，由子代性狀或基因型求親代性狀或基因型的逆向推理過程，如對各類雜交實驗過程或人類家族遺傳過程的分析，這是遺傳規(guī)律教學(xué)與評價的重點。

3 建構(gòu)物種性狀變異過程模型

在物種世代交替的有性生殖過程中，有基因突變、基因重組和染色體變異等使物種遺傳物質(zhì)改變或重組的生命過程。在減數(shù)分裂間期DNA的復(fù)制過程中，可能出現(xiàn)堿基對的增添、缺失或替換，使DNA分子堿基對的排列順序發(fā)生改變的變異現(xiàn)象，可以建立相應(yīng)的基因突變過程模型；該模型蘊含著親代發(fā)生基因突變并傳給子代，引起子代轉(zhuǎn)錄過程密碼子的改變，引發(fā)翻譯過程氨基酸種類、數(shù)目和排列順序的改變，最終導(dǎo)致生物親子代之間發(fā)生可遺傳的性狀變異。在減數(shù)第一次分裂過程中，伴隨著基因的分離、自由組合和連鎖互換遺傳，可以建立基因重組過程模型，該模型蘊含著親代發(fā)生基因重組并傳給子代，導(dǎo)致子代出現(xiàn)新的基因型組合和相應(yīng)的遺傳性狀。在減數(shù)第一次分裂過程中，可能出現(xiàn)染色體結(jié)構(gòu)的缺失、重復(fù)、倒位、易位和染色體數(shù)目變化等變異現(xiàn)象，可以建立染色體變異過程模型，該模型蘊含著因染色體結(jié)構(gòu)的改變而引起基因的改變，進而導(dǎo)致子代生物性狀的變化。蘊含著個別染色體的增減或染色體組的成倍增減，引起子代生物性狀的重大改變。

4 建構(gòu)物種性狀控制過程模型

在物種世代交替的細胞周期中，發(fā)生了DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯等生命過程，可以建構(gòu)DNA的平面結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)及通過復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯控制生物性狀的模型。DNA的平面結(jié)構(gòu)模型和空間結(jié)構(gòu)模型呈現(xiàn)了DNA分子的化學(xué)組成和空間結(jié)構(gòu)，蘊含著構(gòu)成DNA分子堿基對的種類、數(shù)量和排列順序的千變?nèi)f化，為基因多樣性奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。DNA通過復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯控制生物性狀的模型，呈現(xiàn)了DNA控制生物性狀的過程，蘊含著DNA分子半保留復(fù)制的過程和生物學(xué)原理；蘊含著DNA分子復(fù)制后在親子代或自體細胞之間傳遞的過程；蘊含著mRNA的轉(zhuǎn)錄過程；蘊含著蛋白質(zhì)的翻譯過程。在縱向梳理復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯的基礎(chǔ)上，還要橫向比較復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯的時間、場所、模板、原料、堿基互補配對原則、產(chǎn)物和遺傳信息傳遞方向，幫助學(xué)生內(nèi)化遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)理論。

5 建構(gòu)遺傳變異育種過程模型

科學(xué)家在基因突變、基因重組、染色體變異等生物科學(xué)理論的基礎(chǔ)上，發(fā)明了誘變育種、雜交育種、單倍體育種、多倍體育種和基因工程育種等培育新品種的方法，為農(nóng)作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。為了說明育種原理，教師可以建立誘變育種、雜交育種、單倍體育種、多倍體育種和基因工程育種過程的模型。誘變育種模型呈現(xiàn)了太空或地面誘變育種的過程，蘊含著太空人工誘變育種或地面人工育種的原理；蘊含著選育新品種的技術(shù)和原理。雜交育種模型呈現(xiàn)了雜交育種的過程，蘊含著選擇具有一定表現(xiàn)型或基因型的親本，通過雜交實驗過程的基因重組，獲得所需性狀或基因型的子代個體。單倍體育種模型呈現(xiàn)了單倍體育種的過程，蘊含著通過雜交試驗獲得子一代花粉粒，子一代花粉粒經(jīng)過離體培養(yǎng)和秋水仙素的處理，形成配子染色體組數(shù)加倍的純合基因型個體，經(jīng)人工選擇獲得所需純合基因型個體。多倍體育種模型呈現(xiàn)了多倍體的育種過程，蘊含著秋水仙素使親本體細胞染色體數(shù)目加倍的原理，蘊含著選育所需多倍體的方法?；蚬こ逃N模型呈現(xiàn)了基因工程育種的過程，蘊含著獲取目的基因的過程、原理和PCR技術(shù)；蘊含著由目的基因和運載體結(jié)合制備重組DNA的過程和原理；蘊含著將重組DNA導(dǎo)入受體細胞的過程和原理；蘊含著培育和篩選轉(zhuǎn)基因生物的過程和原理。

教師在縱向梳理五類育種技術(shù)實踐的基礎(chǔ)上，還要橫向比較育種目的、育種原理、育種方法、育種實踐、育種年限、育種的優(yōu)缺點，幫助學(xué)生內(nèi)化育種技術(shù)，提升學(xué)生設(shè)計或解釋育種方案的能力。

在融會貫通遺傳變異理論的過程，教師把細胞增殖、基因的遺傳規(guī)律、性別決定與伴性遺傳、基因突變、基因重組、染色體變異和基因控制蛋白質(zhì)的合成等內(nèi)容，貫穿在物種世代交替的生命過程中，用遺傳物質(zhì)的遺傳或變異過程模型予以呈現(xiàn)。沿著遺傳物質(zhì)伴隨世代交替的傳遞線索，教師指導(dǎo)學(xué)生主動分析、比較、歸納概括、拓展聯(lián)系和匯聚整合遺傳變異模型蘊含的遺傳學(xué)原理，既可以訓(xùn)練學(xué)生分析、比較和歸納概括問題的基本思維能力，又可以訓(xùn)練學(xué)生發(fā)散思維和匯聚思維能力；通過指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計論證育種方案，通過物種性狀遺傳的順向推理或逆向推理可以訓(xùn)練學(xué)生的邏輯思維能力。總之，沿著生命過程融會貫通學(xué)科理論，可以增強學(xué)生的生命觀念，強化學(xué)生的理性思維，提高學(xué)生實驗探究的設(shè)計水平，促進學(xué)生核心素養(yǎng)的完善。endprint