核心素養(yǎng)在中學(xué)生物課堂的培育
——以“基因突變”一節(jié)的教學(xué)為例

劉 剛 （江蘇省句容高級(jí)中學(xué) 江蘇鎮(zhèn)江 212400）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》（以下簡(jiǎn)稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”）將生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)凝練為：生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任。高中生物課程改革的深入進(jìn)行將以促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展為目標(biāo)，內(nèi)容聚焦大概念是課程標(biāo)準(zhǔn)基本理念之一。“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”是“遺傳與進(jìn)化”模塊中的一個(gè)大概念，基因突變是該大概念中的一個(gè)重要概念，其內(nèi)涵與外延的知識(shí)較為復(fù)雜。承前，與DNA的分子結(jié)構(gòu)、基因的概念、基因的復(fù)制與表達(dá)密切相關(guān)；啟后，則與加深認(rèn)識(shí)可遺傳變異的實(shí)質(zhì)與類型，理解遺傳育種的操作原理和人類遺傳病的預(yù)防，有緊密的聯(lián)系。教師抓住“鐮刀型細(xì)胞貧血癥”的實(shí)例，從紅細(xì)胞的變異到血紅蛋白的改變，再到DNA結(jié)構(gòu)的改變的根源探索，可使學(xué)生進(jìn)一步學(xué)會(huì)從現(xiàn)象到本質(zhì)的認(rèn)識(shí)的事物方法。學(xué)生在案例分析、模型構(gòu)建等認(rèn)知過(guò)程中，逐步完成對(duì)“基因突變”概念的認(rèn)知。因此，本節(jié)課的教學(xué)可充分體現(xiàn)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的價(jià)值。

1 案例分析，發(fā)展科學(xué)思維

課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)“科學(xué)思維”的界定是：尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問(wèn)題的思維習(xí)慣和能力。

教師呈現(xiàn)案例1：1910年，一個(gè)黑人青年到醫(yī)院看病，檢查發(fā)現(xiàn)他患的是當(dāng)時(shí)人們尚未認(rèn)識(shí)的一種特殊的貧血癥，他的紅細(xì)胞不是正常的中央微凹圓餅狀，而是彎曲的鐮刀狀。1949年，美國(guó)化學(xué)家鮑林，將正常人、鐮刀型細(xì)胞貧血癥患者和鐮刀型細(xì)胞貧血癥基因攜帶者的血紅蛋白分別電泳，發(fā)現(xiàn)二者電泳圖譜明顯不同，說(shuō)明鐮刀型細(xì)胞貧血癥是由于血紅蛋白分子的缺陷造成的。教師投影展示正常紅細(xì)胞和鐮刀型紅細(xì)胞圖片和這兩種蛋白質(zhì)的部分氨基酸序列圖（圖1）。

纈氨酸—組氨酸—亮氨酸—蘇氨酸—脯氨酸—谷氨酸—谷氨酸—賴氨酸……… 正常

纈氨酸—組氨酸—亮氨酸—蘇氨酸—脯氨酸—纈氨酸—谷氨酸—賴氨酸……… 異常

圖1 鐮刀型細(xì)胞貧血癥患者細(xì)胞中DNA的突變示意圖

教師根據(jù)氨基酸分析結(jié)果，設(shè)置問(wèn)題鏈：圖中哪一個(gè)氨基酸發(fā)生了改變？肽鏈中的氨基酸序列是由什么決定的呢？密碼子的堿基排列順序又是由什么決定的？DNA如何控制蛋白質(zhì)合成的？

學(xué)生回憶轉(zhuǎn)錄、翻譯的相關(guān)內(nèi)容及查閱密碼子表，完成圖解，分析鐮刀形細(xì)胞貧血癥的病因。

教師創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生的思維興趣；學(xué)生基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理等方法來(lái)探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，很好地發(fā)展了自身的科學(xué)思維。

教師呈現(xiàn)案例2：資料一：1935年，美國(guó)科學(xué)家聯(lián)合英國(guó)科學(xué)家在非洲大陸對(duì)11 270種植物進(jìn)行了檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在過(guò)去的7年間，98.7%的植物都曾發(fā)生過(guò)突變；但就其中任何一種植物而言，在自然狀態(tài)下，發(fā)生一次變異的機(jī)率為1/1 988。

資料二：果蠅的眼色類型及控制基因示意圖（圖2）。

圖2 果蠅的眼色類型示意圖

資料三：植物在幼苗期可能發(fā)生基因突變，引起整個(gè)植株變異；幼芽時(shí)期也可能發(fā)生基因突變，引起枝條變異；花芽時(shí)期也可能發(fā)生基因突變，引起一朵花表現(xiàn)出變異。

資料四：絕大多數(shù)的人類遺傳病都是由基因突變?cè)斐傻?，這些病對(duì)人類健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。鐮刀型細(xì)胞貧血癥就是一種這樣的遺傳病，患者（aa）不到成年就會(huì)死亡?？梢?jiàn)，這種突變基因在自然選擇的壓力下容易被淘汰?？墒窃诜侵薤懠擦餍械牡貐^(qū)，發(fā)現(xiàn)鐮刀型細(xì)胞雜合基因型（Aa）對(duì)瘧疾的感染率，比正常人（AA）低得多。因此，在瘧疾流行的地區(qū)，不利的鐮刀型細(xì)胞基因突變可有利于防止瘧疾的流行。

教師通過(guò)展示科學(xué)資料，引導(dǎo)學(xué)生探討基因突變的特點(diǎn)（普遍性、隨機(jī)性、不定向性等），理解生命現(xiàn)象及規(guī)律，鍛煉了學(xué)生歸納和概括、批判性思維等能力，使學(xué)生形成良好的科學(xué)思維習(xí)慣。

2 模型構(gòu)建，引導(dǎo)科學(xué)探究

課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)“科學(xué)探究”的界定是：能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的生物學(xué)問(wèn)題，針對(duì)特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行觀察、提問(wèn)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施以及對(duì)結(jié)果的交流與討論的能力。為了深度理解“基因突變”這一重要概念，教師設(shè)置了模型構(gòu)建活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的“做中學(xué)”。

教師用磁性紙做基因模型，將已知編碼蛋白質(zhì)的DNA堿基序列貼在白板上：

…G C G A G C C T G G A T…

…C G C T C G G A C C T A…

學(xué)生在白板上演示堿基對(duì)缺失、增添過(guò)程，得出結(jié)論：DNA分子中發(fā)生堿基對(duì)的替換、增添和缺失，都可引起基因結(jié)構(gòu)的改變。

學(xué)生探究堿基對(duì)的替換、增添和缺失，對(duì)氨基酸序列的影響是否一樣。

教師給每個(gè)小組準(zhǔn)備一張白板，白板上貼好基因、mRNA及氨基酸序列模型（圖3），要求學(xué)生比較改變后的基因所翻譯的氨基酸序列有何變化，并提示：①第六個(gè)堿基對(duì)G-C被堿基對(duì)C-G（或A-T）所替換；②第六個(gè)堿基對(duì)G-C缺失；③第六、七個(gè)堿基對(duì)之間插入1個(gè)（或2個(gè)或3個(gè)）堿基對(duì)C-G；學(xué)生也可以創(chuàng)造性改變其他的位點(diǎn)的堿基對(duì)序列。

圖3 教師準(zhǔn)備的模式示意圖

學(xué)生活動(dòng)后，得出相關(guān)結(jié)論：DNA分子的堿基對(duì)改變不一定引起生物性狀改變；一般情況下，DNA分子中缺失（增加）1個(gè)或2個(gè)堿基對(duì)比缺失（增加）3個(gè)堿基對(duì)的影響大；以上情況的改變有可能會(huì)導(dǎo)致肽鏈的延長(zhǎng)或縮短。

師生共同建構(gòu)出基因突變的概念：由于DNA分子中發(fā)生堿基對(duì)的替換、增添和缺失，而引起的基因結(jié)構(gòu)的改變，就叫做基因突變。

學(xué)生親自體驗(yàn)了基因結(jié)構(gòu)改變的一系列模擬探究活動(dòng)，相互合作探討構(gòu)建出“基因突變”這一重要概念，并領(lǐng)會(huì)了基因突變概念的內(nèi)涵與外延。學(xué)生在模型構(gòu)建過(guò)程中，思維相互碰撞，逐步增強(qiáng)了對(duì)自然現(xiàn)象的好奇心和求知欲，從而培養(yǎng)了學(xué)生的觀察能力和比較能力，增強(qiáng)了學(xué)生間的合作交流能力。

3 聯(lián)系實(shí)際，肩負(fù)社會(huì)責(zé)任

課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)“社會(huì)責(zé)任”的界定是：基于生物學(xué)的認(rèn)識(shí)，參與個(gè)人與社會(huì)事務(wù)的討論，作出理性解釋和判斷，解決生產(chǎn)生活問(wèn)題的擔(dān)當(dāng)和能力。

教師在課前簡(jiǎn)要說(shuō)明部分惡性腫瘤的發(fā)生和基因突變有關(guān)，然后讓學(xué)生搜集惡性腫瘤實(shí)例及防治方面的資料，分析討論生活中會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞癌變因素的。

學(xué)生展示實(shí)例并討論：

①青少年不宜長(zhǎng)時(shí)間使用手機(jī)，防止手機(jī)輻射對(duì)大腦等器官發(fā)育的影響。

②臭氧層破壞導(dǎo)致皮膚癌患者增多。

③切爾諾貝利核電站核物質(zhì)外泄，誘發(fā)產(chǎn)生了眾多白血病患者。

④臨床醫(yī)學(xué)證明，80%的肝癌患者患病的誘因，是乙肝病毒的傳播。

⑤揚(yáng)州一家三口，從2017年下半年起，相繼被查出癌癥，收治他們的醫(yī)院專家分析認(rèn)為，病因與全家人長(zhǎng)期吃剩菜剩飯和霉變的食物有關(guān)。

⑥近幾年肺癌的發(fā)生率日趨增加，可能與吸入煙草燃燒的煙霧、工廠的煤煙、汽車尾氣等有關(guān)。

學(xué)生歸納：誘發(fā)基因突變因素有物理因素（如紫外線、X射線及其他輻射等）；化學(xué)因素（如亞硝酸、堿基類似物等能改變核酸的堿基）；生物因素（如某些病毒的遺傳物質(zhì)能影響宿主細(xì)胞的DNA）。當(dāng)沒(méi)有這些外來(lái)因素影響時(shí)，基因還可自發(fā)突變：DNA分子復(fù)制時(shí)偶爾出錯(cuò)，DNA的堿基組成發(fā)生改變。

學(xué)生聯(lián)系日常的生活實(shí)際去揭示生物科學(xué)本質(zhì)，將會(huì)更好地解決生產(chǎn)生活中的生物學(xué)問(wèn)題。這樣可以激發(fā)學(xué)生對(duì)細(xì)胞癌變（基因突變）的關(guān)注，使學(xué)生確立積極的生活態(tài)度和健康的生活方式，學(xué)會(huì)珍愛(ài)生命并保護(hù)好環(huán)境。學(xué)生能運(yùn)用科學(xué)的知識(shí)和原理，解決日常生活中的實(shí)際問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)生物學(xué)的學(xué)科育人價(jià)值。

4 逐漸滲透，形成生命觀念

課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)“生命觀念”的界定是：對(duì)觀察到的生命現(xiàn)象及相互關(guān)系或特性進(jìn)行解釋后的抽象，是人們經(jīng)過(guò)實(shí)證后的觀點(diǎn)，是能夠理解或解釋生物學(xué)相關(guān)事件和現(xiàn)象的意識(shí)、觀念和思想方法。教師以鐮刀型細(xì)胞貧血癥為例，啟發(fā)學(xué)生討論相關(guān)問(wèn)題，如本節(jié)知識(shí)中的哪些內(nèi)容體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)，從而引導(dǎo)學(xué)生從蛋白質(zhì)、mRNA、DNA角度層層深入分析該病的發(fā)病機(jī)制，初步明確基因序列的改變有可能導(dǎo)致所編碼的蛋白質(zhì)及相應(yīng)的細(xì)胞功能發(fā)生變化，從而樹(shù)立結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的生命觀念。

教師呈現(xiàn)資料：英國(guó)曼徹斯特地區(qū)的樺尺蠖在19世紀(jì)中葉以前，體色幾乎都是淺色（SS、Ss）的，黑色的個(gè)體（ss）很少。因?yàn)楹谏臉宄唧对陂L(zhǎng)滿地衣的樹(shù)干上很容易被天敵發(fā)現(xiàn)而被捕食，很難存活。在20世紀(jì)中葉，由于英國(guó)工業(yè)發(fā)展較快，工廠排出的煤煙殺死了地衣，并將樹(shù)干熏成黑褐色。在這種情況下，黑色的變異反而成為有利性狀而被保留下來(lái)，黑色樺尺蠖就成了常見(jiàn)類型。

師生共同分析資料，發(fā)現(xiàn)：基因突變是不定向的，有的是有利變異、有的是不利變異，也有的是無(wú)義變異，但可以為進(jìn)化提供原材料，變異是否有利取決于什么因素?（學(xué)生回答：環(huán)境條件）這說(shuō)明與環(huán)境相適應(yīng)的變異容易保留下來(lái)，在多變的環(huán)境中，變異類型多的生物容易保留下來(lái)，體現(xiàn)了進(jìn)化與適應(yīng)的觀點(diǎn)。教師引導(dǎo)學(xué)生分析資料，將基因突變與進(jìn)化相掛鉤，從而歸納出基因突變的意義，有利于學(xué)生運(yùn)用已有的知識(shí)和邏輯對(duì)生物學(xué)議題進(jìn)行思考、感悟，從而樹(shù)立進(jìn)化與適應(yīng)觀這一生命觀念。

總之，生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)在課堂教學(xué)中的實(shí)施要結(jié)合具體教學(xué)內(nèi)容來(lái)進(jìn)行，核心素養(yǎng)的四個(gè)方面在每節(jié)課中可能有所側(cè)重，也可能某節(jié)課的內(nèi)容沒(méi)有包含這四個(gè)方面。對(duì)于一節(jié)課中的某個(gè)知識(shí)點(diǎn)而言，可能涉及一個(gè)或多個(gè)方面，但教師要關(guān)注其中主要體現(xiàn)的是哪一方面的核心素養(yǎng)，并不需要面面俱到。因此，在課堂教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的過(guò)程中，教師應(yīng)該結(jié)合具體內(nèi)容有重點(diǎn)、有選擇地進(jìn)行，才能將核心素養(yǎng)在課堂教學(xué)中落到實(shí)處。