基于最新文獻(xiàn)資源的“基因?qū)π誀畹目刂啤苯虒W(xué)設(shè)計(jì)

文可佳

(北京市十一學(xué)校 100039)

1 教材分析

“基因?qū)π誀畹目刂啤笔侨私贪娓咧猩飳W(xué)教材必修2第4章第2節(jié)的內(nèi)容，是基于“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”，進(jìn)一步闡明基因、蛋白質(zhì)與性狀之間的關(guān)系，并歸納出生物學(xué)中的基本規(guī)律——中心法則，同時(shí)本節(jié)課材料中出現(xiàn)的異常性狀，將為“基因突變及其他變異”的學(xué)習(xí)打下伏筆，在前后知識(shí)關(guān)聯(lián)上具有紐帶作用。

由于基因、性狀與蛋白質(zhì)之間關(guān)系的知識(shí)性內(nèi)容簡(jiǎn)單，學(xué)生較易理解，因此，傳統(tǒng)授課多以講授式的教學(xué)方法為主。在生物學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向下，為讓學(xué)生在獲得基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，領(lǐng)悟到生物學(xué)家在科學(xué)探究過(guò)程中解決問(wèn)題的思路和方法，筆者精選最新發(fā)表的學(xué)術(shù)論文，在教學(xué)過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)層層遞進(jìn)的原始數(shù)據(jù)分析，自主生成基因、蛋白質(zhì)與性狀之間的關(guān)系。同時(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的邏輯推理能力和分析能力。

2 教學(xué)目標(biāo)

2.1 知識(shí)目標(biāo) 說(shuō)出基因、蛋白質(zhì)與性狀之間的關(guān)系，概括中心法則及其發(fā)展。

2.2 能力目標(biāo) 通過(guò)小組合作，學(xué)生具有在全新情境中分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，歸納出基因、蛋白質(zhì)與性狀之間關(guān)系的能力。

2.3 情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo) 通過(guò)基于原始文獻(xiàn)的材料分析，體會(huì)科學(xué)家探索未知的科學(xué)思路與方法。

3 教學(xué)過(guò)程

3.1 通過(guò)簡(jiǎn)明問(wèn)題導(dǎo)入 學(xué)生已知基因是具有遺傳效應(yīng)的DNA片段，基因可以指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的承擔(dān)者。教師提出問(wèn)題：基因、蛋白質(zhì)和性狀之間是怎樣的關(guān)系？通過(guò)簡(jiǎn)明的問(wèn)題引入新課，讓學(xué)生迅速進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)。

3.2 基于文獻(xiàn)資源的材料分析 通過(guò)基于文獻(xiàn)材料的分析，可令學(xué)生對(duì)于簡(jiǎn)單知識(shí)背后大量的科學(xué)探索過(guò)程具有清晰認(rèn)識(shí)，借此提高學(xué)生的歸納、概括以及邏輯推理能力。

3.2.1 通過(guò)文獻(xiàn)材料分析基因與性狀之間關(guān)系 以科學(xué)史上科學(xué)家探索基因與性狀之間關(guān)系的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)為例，帶領(lǐng)學(xué)生像科學(xué)家一樣思考問(wèn)題，逐步探索基因和性狀之間究竟是怎樣的關(guān)系。

首先，教師提供全新情境，已知在人、小鼠和果蠅中，控制眼睛發(fā)育的基因均為Pax6及其同源物[1，2]，請(qǐng)學(xué)生猜測(cè)，科學(xué)家如何證明Pax6基因和眼睛發(fā)育性狀之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系？

學(xué)生小組討論后，提出實(shí)驗(yàn)方案：將基因破壞掉，觀察生物體對(duì)應(yīng)的性狀是否被破壞。教師隨后展示科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，人類Pax6同源基因出現(xiàn)異常，會(huì)導(dǎo)致無(wú)虹膜性狀的遺傳病。將小鼠或者果蠅中的Pax6同源基因敲除后，小鼠及果蠅的眼睛受到破壞(圖1)。學(xué)生總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：基因可以控制性狀。

圖1 Pax6基因及其同源物突變影響果蠅、小鼠與人的眼睛發(fā)育[2]

教師介紹科學(xué)史：當(dāng)時(shí)有一個(gè)科學(xué)家進(jìn)行了進(jìn)一步推測(cè)，他認(rèn)為基因?qū)π誀畹目刂剖菦Q定性的，當(dāng)把控制眼睛的基因引入生物體身體的其他部位表達(dá)，仍然可以在那個(gè)位置重新誘導(dǎo)眼睛的產(chǎn)生。他的假設(shè)遭到了同時(shí)代生物學(xué)家的質(zhì)疑，其他人認(rèn)為該基因脫離原來(lái)的微環(huán)境，不可能具有功能。從而引導(dǎo)學(xué)生討論，你認(rèn)為該科學(xué)家的假設(shè)合理嗎？

進(jìn)一步向?qū)W生介紹，該科學(xué)家頂著巨大壓力，做了這個(gè)大家認(rèn)為不可行的實(shí)驗(yàn)，將控制眼睛發(fā)育的基因轉(zhuǎn)到果蠅身體的其他部位，可以在果蠅頭部、翅膀、觸角和腿部誘導(dǎo)眼睛產(chǎn)生，最多可以在同一只果蠅身上誘導(dǎo)產(chǎn)生14只復(fù)眼。帶領(lǐng)學(xué)生總結(jié)：該實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，基因?qū)π誀畹目刂撇皇墉h(huán)境的影響，改變了場(chǎng)所，脫離了原來(lái)基因表達(dá)的微環(huán)境，基因依舊可以控制性狀。由此，科學(xué)家通過(guò)一正一反的雙重證據(jù)，充分證明了基因可以控制性狀。借助此文獻(xiàn)材料，可加深學(xué)生對(duì)“基因可以控制性狀”的理解。

3.2.2 通過(guò)文獻(xiàn)材料分析基因、蛋白質(zhì)與性狀之間的關(guān)系 在分析得到基因與性狀之間的關(guān)系之后，接下來(lái)的問(wèn)題是：作為生命活動(dòng)承擔(dān)者的蛋白質(zhì)，和基因、性狀之間有著怎樣的關(guān)系？

向?qū)W生介紹文獻(xiàn)材料：水熊是目前已知地球上生命力最頑強(qiáng)的生物，水熊抗輻射的能力是人類的千倍之多[3]?？茖W(xué)家希望將水熊的抗輻射基因轉(zhuǎn)移到人體，是否會(huì)讓人也具有抗輻射的能力？由此引入2016年發(fā)表于自然子刊的數(shù)據(jù)，Hashimoto等在水熊中發(fā)現(xiàn)抗輻射基因Dsup，他們將Dsup基因轉(zhuǎn)入人類細(xì)胞[4]，如圖2所示。以問(wèn)題串的形式引導(dǎo)學(xué)生思考，該實(shí)驗(yàn)的自變量與因變量分別是什么？為什么要做左圖無(wú)輻射處理的實(shí)驗(yàn)？三條曲線分別代表什么含義？右圖轉(zhuǎn)入Dsup基因且抑制蛋白組和對(duì)照組對(duì)比說(shuō)明什么？

圖2 將水熊抗輻射基因轉(zhuǎn)入到人體細(xì)胞實(shí)驗(yàn)[4]

學(xué)生小組討論后，帶領(lǐng)學(xué)生分析，轉(zhuǎn)入Dsup基因組實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：在人類細(xì)胞中轉(zhuǎn)入水熊體內(nèi)的抗輻射基因后，人細(xì)胞死亡率迅速降低(圖2)，說(shuō)明轉(zhuǎn)入Dsup DNA可以令人細(xì)胞抗輻射。轉(zhuǎn)入Dsup基因且抑制蛋白組實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，在轉(zhuǎn)入Dsup DNA但同時(shí)抑制蛋白質(zhì)合成的情況下，人細(xì)胞仍然會(huì)迅速死亡，表明即使有基因存在，沒(méi)有蛋白質(zhì)，人細(xì)胞仍沒(méi)有抗輻射的能力。最后進(jìn)行總結(jié)：基因是通過(guò)控制蛋白質(zhì)從而控制性狀，由此得出基因、蛋白質(zhì)與性狀之間的關(guān)系。

3.2.3 通過(guò)文獻(xiàn)材料分析環(huán)境在基因與性狀關(guān)系中的作用 繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生思考：基因、蛋白質(zhì)與性狀之間是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系嗎？環(huán)境在其中會(huì)不會(huì)有影響？從而引入關(guān)于腸道菌群與肥胖性狀之間關(guān)系的研究材料。向?qū)W生介紹，在一個(gè)成年人的體內(nèi)，具有超過(guò)一百種微生物，構(gòu)成人的腸道微生物菌群。帶領(lǐng)學(xué)生分析圖3，經(jīng)常吃低脂肪和高脂肪食物的小鼠，其腸道中微生物的種類和數(shù)量具有巨大差異，最終會(huì)直接導(dǎo)致小鼠是否肥胖。另外，腸道微生物較健康的小鼠糞便中具有大量可令身體保持苗條的微生物，將這些微生物提取出來(lái)令肥胖小鼠吸收，可以讓肥胖小鼠保持苗條。最后學(xué)生總結(jié)該文獻(xiàn)結(jié)論：食物(環(huán)境)可以在很大程度上影響性狀，表現(xiàn)型是基因與環(huán)境共同作用的結(jié)果。

圖3 食物(環(huán)境)通過(guò)影響腸道微生物菌群而影響小鼠胖瘦(表型)[5]

3.3 學(xué)生對(duì)于中心法則的自主構(gòu)建 學(xué)生分為小組，回顧舊知，通過(guò)閱讀教材和小組討論的方式自主構(gòu)建出細(xì)胞生物和噬菌體等DNA病毒、煙草花葉病毒等大部分RNA病毒以及HIV等逆轉(zhuǎn)錄病毒的中心法則。

3.4 前沿拓展與個(gè)性化評(píng)價(jià) 新課標(biāo)(征求意見(jiàn)稿)要求學(xué)生舉例說(shuō)明某些基因序列不變、但表型改變的表觀遺傳現(xiàn)象，因此在本課結(jié)束時(shí)做適當(dāng)拓展，結(jié)合個(gè)性化評(píng)價(jià)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)于生物學(xué)學(xué)習(xí)的積極性，增強(qiáng)學(xué)生關(guān)注前沿問(wèn)題的意識(shí)。

提出問(wèn)題：在同一個(gè)家庭成長(zhǎng)的同卵雙胞胎的基因序列完全相同，為什么還存在雙胞胎性格迥異的情況？從而引導(dǎo)學(xué)生思考，有沒(méi)有基因序列不變，但可產(chǎn)生可遺傳變異的表觀遺傳現(xiàn)象？由此留出個(gè)性化作業(yè)，學(xué)生分組觀看朱冰與饒毅兩位科學(xué)家針對(duì)表觀遺傳作用的辯論，學(xué)生根據(jù)辯論提出自己的觀點(diǎn)，通過(guò)搜集資料，運(yùn)用本堂課學(xué)習(xí)到的材料分析方法、加以說(shuō)明，最終小組提交海報(bào)進(jìn)行展示。

4 教學(xué)反思

生物學(xué)科教學(xué)，除讓學(xué)生獲得基礎(chǔ)的生物學(xué)知識(shí)外，也需讓學(xué)生領(lǐng)悟到生物學(xué)家在科學(xué)探究過(guò)程中解決問(wèn)題的思路和方法。然而，教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生分析生物學(xué)材料以及理解生物學(xué)科本質(zhì)的能力較弱，是生物學(xué)教學(xué)的痛點(diǎn)之一。

為嘗試解決以上問(wèn)題，本節(jié)“基因?qū)π誀畹目刂啤苯虒W(xué)中，并未采取傳統(tǒng)知識(shí)講授的方式，將基因、蛋白質(zhì)、性狀與環(huán)境之間的關(guān)系直接告知學(xué)生，而是將發(fā)表于國(guó)際期刊的原始文獻(xiàn)引入高中日常教學(xué)，通過(guò)層層遞進(jìn)的材料剖析，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，自主生成基因與性狀、蛋白質(zhì)與性狀以及環(huán)境與性狀之間關(guān)系的知識(shí)框架。在教學(xué)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的類似訓(xùn)練，可逐漸理解生物學(xué)知識(shí)的得出并非依據(jù)直覺(jué)，而是有著龐大的實(shí)驗(yàn)體系和科學(xué)探索作為依托，學(xué)生的理性思維和科學(xué)探究能力得以提高。