“遺傳的細胞學基礎”單元學習方案

蘇明學

（北京理工大學附屬中學 北京 100089）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》明確了學科目標從知識點的記憶、理解與簡單應用，轉(zhuǎn)變?yōu)樯^念、科學思維、科學探究與社會責任等學科核心素養(yǎng)的培育，要求教師必須提升教學設計的站位，即從關注課時計劃轉(zhuǎn)變?yōu)閱卧w設計。本文依據(jù)內(nèi)容標準和學業(yè)要求，將減數(shù)分裂、遺傳的染色體學說、伴性遺傳等內(nèi)容作為一個學習單元，制定一套包括單元名稱與課時分配、單元目標與評價任務、學習過程與學后反思等要素組成的有機整體，即單元學習方案。其中，將評價任務列于單元目標與學習過程之間，起到承上啟下的作用：上接單元目標，以視其與目標的匹配性；下連并嵌入學習過程，從而達成目標、教學與測評三者之間的一致性［1］。提供學習反思支架，旨在引導學生對學習過程進行回溯和反思，促進知識、技能向?qū)W科核心素養(yǎng)的過渡或升華。以基本問題為引領，著力改變知識點的碎片化教學，以實現(xiàn)教學設計與素養(yǎng)目標的有效對接。

1 單元學習內(nèi)容

一個單元就是一個完整的學習故事。減數(shù)分裂、遺傳的染色體學說的提出及求證、孟德爾遺傳定律的細胞學解釋、伴性遺傳等內(nèi)容就組成了這樣一個層層遞進、引人入勝的學習故事。1865年孟德爾發(fā)現(xiàn)了遺傳因子的分離與自由組合定律，只是根據(jù)一種或多種不同性狀的2 個個體雜交中的數(shù)據(jù)推衍的，還不能科學解釋遺傳定律的實質(zhì)，至于遺傳因子究竟是一種客觀存在，還是抽象符號更是不得而知。1903年薩頓根據(jù)配子形成過程中染色體與遺傳因子的行為平行一致的事實，大膽地提出了遺傳的染色體學說。1910年摩爾根及其學生通過果蠅系列雜交實驗，以確鑿的實驗證據(jù)、縝密的邏輯推理最終證實了該學說。一旦“基因在染色體上”得以證明，即可運用減數(shù)分裂的相關知識對孟德爾遺傳定律作出細胞學解釋，把握其實質(zhì)，并可闡明伴性遺傳現(xiàn)象背后的遺傳方式。上述遺傳科學發(fā)展史組成了一幕 “困惑→聯(lián)想→假說→求證→解釋”動態(tài)圖景（圖1），因而構成了一個完整的學習單元，至于單元名稱不必拘泥于教材章節(jié)標題，可定為“遺傳的細胞學基礎”，以統(tǒng)攝具體內(nèi)容。本單元與上一個單元之間的邏輯關系及課時分配見圖2。

圖2 單元間和單元內(nèi)學習內(nèi)容邏輯關系及課時分配

2 單元學習目標

單元目標，即此單元要解決什么問題，期望學生學會什么。這是教師在開展教學活動之前，首先要想清楚的問題，即“以終為始”，從學習結(jié)果開始逆向思考，只有明確知道預期結(jié)果，才能專注于最有可能實現(xiàn)這些結(jié)果的內(nèi)容、方法和活動［2］。

制定單元學習目標，需要依據(jù)內(nèi)容標準、學業(yè)要求和學習內(nèi)容，除此之外，還需要考慮學生的認知儲備和認知心理。內(nèi)容標準如下：

概念3 遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳

3.1 親代傳遞給子代的遺傳信息主要編碼在DNA 分子上

……

3.2 有性生殖中基因的分離和重組導致雙親后代的基因組合有多種可能

3.2.1 闡明減數(shù)分裂產(chǎn)生染色體數(shù)量減半的精細胞或卵細胞

3.2.2 說明進行有性生殖的生物體，其遺傳信息通過配子傳遞給子代

3.2.3 闡明有性生殖中基因的分離和自由組合使得子代的基因型和表型有多種可能，并可由此預測子代的遺傳性狀

3.2.4 概述性染色體上的基因傳遞和性別相關聯(lián)

3.3 由基因突變、染色體變異和基因重組引起的變異是可遺傳的

……

由內(nèi)容標準可知，概念3 由3 個重要概念支撐，其中3.1 分析遺傳的分子基礎，3.2 則探討遺傳的細胞基礎。在3.2 中，減數(shù)分裂是基礎，學生只有理解減數(shù)分裂過程中染色體的行為變化規(guī)律，才能闡明3.2.1、3.2.3 和3.2.4 這3 個次位概念。減數(shù)分裂不僅是遺傳的細胞學基礎，也是變異的細胞學基礎。因此，重要概念3.2 能促進重要概念3.3 的理解。

從學業(yè)要求來看，學完本單元后，學生能運用細胞減數(shù)分裂的模型，閘明遺傳信息在有性生殖中的傳遞規(guī)律（生命觀念、科學思維）。

從學生的認知儲備和認知心理分析，在學習本單元之前學生已具備有絲分裂和孟德爾遺傳定律的相關知識，迫切想知道減數(shù)分裂是如何產(chǎn)生染色體數(shù)目減半、組成多樣的配子的；學生尚不清楚科學家將基因定位在染色體上的過程與方法，亦不能科學地解釋遺傳因子分離與重組的原因及伴性遺傳現(xiàn)象等。

制定單元學習目標時，應將內(nèi)容標準、學業(yè)要求、學習內(nèi)容、認知儲備與認知心理等因素融為一體，綜合考慮。因此，確定本單元的學習目標如下：

1）闡明有性生殖的后代具有更大變異性和更強適應性的原因，進而領悟“進化與適應觀”。

2）建立減數(shù)分裂模型，并運用該模型闡明孟德爾遺傳定律和伴性遺傳規(guī)律的實質(zhì)。

3）探討遺傳的染色體學說提出和求證過程，從而領悟：“質(zhì)疑是思考的視角、實證是判斷的尺度、邏輯是論辯的準繩”。

4）運用伴性遺傳規(guī)律，解決相關實際問題。

3 單元評價任務

“學業(yè)評價促發(fā)展”是新課程的重要理念之一。形成性評價有別于終結(jié)性評價，能及時診斷學習目標的達成度，從而矯正教學行為，調(diào)節(jié)教學進程，激發(fā)學習熱情。因此，需要將形成性評價嵌入學習過程，使之成為學生學習和知識構建的必要環(huán)節(jié)，從而達成目標、教學和測評三者之間的一致性。

如何進行形成性評價？這需要依據(jù)單元目標設計評價任務。所謂評價任務，即讓學生完成學習任務，并通過收集學生完成任務的表現(xiàn)情況等證據(jù)檢測學生的目標達成度。本單元的評價任務如下：

1）比較與分類：同源染色體是成對存在的，染色體的相同位點上有控制同一性狀的基因，但基因本身可能會有不同的等位基因，因此性狀會產(chǎn)生不同的表現(xiàn)形式。圖3中，1 號染色體上有4 個不同的基因，分別用字母F、g、h、J 表示。2～5 號染色體是1 號染色體可能的同源染色體。仔細觀察這些染色體及其所含有的基因，找出1 號染色體的同源染色體。

圖3 同源染色體與等位基因之間的關系［3］

2號染色體和1 號染色體同源嗎？為什么？

3 號染色體和1 號染色體同源嗎？為什么？

4 號染色體和1 號染色體同源嗎？為什么？

5 號染色體和1 號染色體同源嗎？為什么？

2）分析與預測：如果某自花傳粉的植物細胞中有2 對染色體：A 和a、B 和b，由于減數(shù)第一次分裂同源染色體在赤道板排列方式的不同，該植物可能產(chǎn)生幾種配子？產(chǎn)生的后代可能有幾種染色體組合？

3）比較與判斷：圖4中的A 表示在前期Ⅰ的最后階段，同源染色體聯(lián)會并形成四分體，B 表示非姐妹染色單體互相交叉。請思考：復制前染色體是怎樣的？該細胞能產(chǎn)生幾種基因型的配子？若沒有發(fā)生染色體交叉，能產(chǎn)生幾種基因型的配子？

圖4 非姐妹染色體之間的交叉互換［3］

4）對比分析：減數(shù)分裂與有絲分裂的區(qū)別表現(xiàn)在哪些方面?從遺傳學角度來看，這2 種分裂各有什么意義？

5）科學解釋：雜合子自交為什么會出現(xiàn)性狀分離和重組？

6）作出預測：有一個視覺正常的女子，其父親是色盲。該女子與正常視覺的男子結(jié)婚，若男子的父親是色盲。問這對配偶所生子女視覺將如何？

4 單元學習過程

單元學習過程，即要經(jīng)歷怎樣的學習才能達成目標。因此，學生應明晰自己的學習目標和將要面對的評價任務，領悟?qū)W習這些內(nèi)容的意義和價值；教師應規(guī)劃教學程序、凝聚優(yōu)質(zhì)資源、安排學習活動。

為保證學習過程的有效性和參與性，教師應依據(jù)教學目標設計基本問題，以此吸引學生通過探究、調(diào)查、實驗、分析和解決問題等，發(fā)現(xiàn)并構建相關概念。學生不僅需要有足夠的機會探究和體驗概念的形成過程，并獲得相應的知識和技能，以達到預期的學習目標；而且需要有充足的機會與同伴（包括教師）交流、評價學習成果，并及時根據(jù)反饋反思、修改和完善其觀點。由此可見，問題、思考、評價、反思4 個關鍵環(huán)節(jié)保障了學習過程的有效性和參與性。本文僅就“問題”和“反思”進行具體論述。

4.1 基本問題 基本問題的“基本”有以下4 種內(nèi)涵。①指向事物的核心——本質(zhì)；②指向?qū)W科的核心思想；③學習核心內(nèi)容所需的東西，即幫助學生有效探究、厘清重要而復雜的觀點、知識和技能；④能最大限度地吸引學習者，引發(fā)他們的持續(xù)思 考和探 究［2］。

基本問題除了激發(fā)思考和探究之外，還可用于有效地架構內(nèi)容目標，促進對某一特定單元內(nèi)容的深入理解，以及知識間的聯(lián)系和遷移。學生對基本問題的持續(xù)追問和探索，將最終指向單元核心內(nèi)容的深入理解和單元學習目標的有效達成。例如，在基本問題1 和問題2 的引領下，學生分別完成相應的知識構建（圖5、圖6）。

圖5 減數(shù)分裂過程中染色體行為變化與后代變異性之間的關系

圖6 薩頓假說的提出及驗證思維導圖［7］

教師設計基本問題時，應將相關的知識和技能看作是理解學科關鍵問題的方法，而不是將其看作是要灌輸?shù)牟牧希?］。例如，在探索基本問題1的子問題①時，必然涉及同源染色體、聯(lián)會、四分體等基本概念；在探索子問題②時，又需要模擬非同源染色體的自由組合和同源染色體間的交叉互換等模型構建方法。

基于上述對基本問題的界定和詮釋，設置本單元基本問題及子問題如下：

1）在迅速變化的環(huán)境中生存的生物，為什么有性生殖產(chǎn)生的后代具有更強的適應性？

①為什么同樣一個精原細胞，經(jīng)過有絲分裂產(chǎn)生的子細胞染色體數(shù)目與組成相同，而通過減數(shù)分裂產(chǎn)生的子細胞染色體數(shù)目減半、組成多樣？該子問題旨在引發(fā)學生在已習得的有絲分裂的基礎上，對減數(shù)分裂的過程進行探究性學習。

②父親體內(nèi)所有的精原細胞，染色體組成并無差別；母親體內(nèi)的卵原細胞也是如此?？墒菫槭裁础耙荒干抛?，九子各不同”？該子問題指向減數(shù)分裂非同源染色體的自由組合、同源染色體的

交叉互換和受精作用雌、雄配子結(jié)合的隨機性。

2）為什么有些性狀總是相伴出現(xiàn)？科學家是如何將基因定位在染色體上的？

3）為什么有些性狀的遺傳總是與性別相關聯(lián)？如何科學地解釋女性色盲發(fā)病率（0.49%）恰為男性發(fā)病率（7%）的平方？

4.2 反思支架 學后反思，即通過怎樣的反思，讓學生管理自己的學習。從某種程度上說，核心素養(yǎng)是學生自己反思或領悟的，不是直接“教”出來的，從具體的知識與技能到學科核心素養(yǎng)，其關鍵環(huán)節(jié)在于介入真實情境與學后反思［1］。這就需要教師提供反思支架，引導學生通過追溯和反思學習過程，促進所習得的知識、技能向?qū)W科核心素養(yǎng)的過渡或升華。因此，學后反思必須是學習方案的一個組成部分，而且是學習過程的關鍵步驟。以下是本單元的反思支架及其所期待的反思成果：

1）無論減數(shù)第一次分裂，還是減數(shù)第二次分裂，都涉及一個母細胞中的染色體平均分配到2個子細胞中。為什么精原細胞或卵原細胞經(jīng)過減數(shù)分裂產(chǎn)生的精細胞或卵細胞染色體數(shù)目卻減少了一半？

整個減數(shù)分裂過程，染色體只復制1 次，而細胞分裂2 次；減數(shù)第一次分裂，同源染色體分開，分配到2 個子細胞中；減數(shù)第二次分裂，姐妹染色單體分開，分配到2 個子細胞中。

2）嘗試從配子形成和受精作用2 個環(huán)節(jié)，說明有性生殖產(chǎn)生的后代具有遺傳多樣性和穩(wěn)定性的原因。

遺傳的穩(wěn)定性：①染色體只復制1 次，而細胞分裂卻有2 次，因而每個子細胞中的染色體數(shù)目減少了一半，再通過受精作用使后代染色體數(shù)目保持恒定；②“減數(shù)”不是隨機的，而是同源染色體分離，這是有性生殖的生物保持種族遺傳物質(zhì)恒定性的機制。

遺傳的多樣性：①同源染色體的分離，為非同源染色體隨機重組提供條件（染色體間重組）；②前期Ⅰ非姐妹染色單體互換，導致遺傳物質(zhì)的非隨機重組（染色體內(nèi)重組）。

3）摩爾根是如何將一個特定的基因（w）定位于一條特定的染色體（X）上的？這對于你理解科學的基本特點——以懷疑作審視的出發(fā)點，以實證為判斷的尺度，以邏輯做論辯的武器有何幫助？

4）孟德爾遺傳定律不僅能解釋已有的實驗結(jié)果，還能定量預測新的實驗結(jié)果，但畢竟是從實驗數(shù)據(jù)推演出來的。你能否運用減數(shù)分裂和“基因在染色體上”知識對此做出科學地解釋？這對于你理解科學的本質(zhì)——不斷地探索求真有何幫助？

總之，制定單元學習方案需要按照“課程標準→單元目標→評價任務→學習過程”的程序逆向設計?；締栴}、思考探究、交流評價、反思修正是保障學習過程有效性和參與性的4 個環(huán)節(jié)。其中，“基本問題”是引領學生持續(xù)探究和論證的動力引擎；“學后反思”是促進知識、技能向?qū)W科核心素養(yǎng)過渡或升華的關鍵步驟。