指向建立生命觀念核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)

付鑫

摘要：

以基因表達(dá)調(diào)控的基本方式為脈絡(luò)，利用文本資料引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展探究。通過(guò)問(wèn)題串啟發(fā)學(xué)生利用基本概念對(duì)新信息進(jìn)行獲取和處理，深入挖掘?qū)W科內(nèi)容內(nèi)涵。通過(guò)5E教學(xué)模式構(gòu)建教學(xué)環(huán)節(jié)，開(kāi)展學(xué)生的小組合作學(xué)習(xí)方式，實(shí)現(xiàn)學(xué)生適應(yīng)與進(jìn)化觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀生命觀念的建成。

關(guān)鍵詞：基因表達(dá) 核心素養(yǎng) 生命觀念 科學(xué)史探究

中圖分類號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確提出“生物學(xué)課程既要讓學(xué)生獲得基礎(chǔ)的生物學(xué)知識(shí)，又要讓學(xué)生領(lǐng)悟生物學(xué)家在研究過(guò)程中所持有的觀點(diǎn)以及解決問(wèn)題的思路和方法”的課程性質(zhì)。通過(guò)對(duì)課標(biāo)的分析，生物學(xué)教學(xué)不應(yīng)該局限于指定的知識(shí)范圍，需要從生物學(xué)事實(shí)中提煉出“生命的運(yùn)行方式”，形成科學(xué)的物質(zhì)與能量觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀等。此外，生物學(xué)發(fā)展迅速，新的技術(shù)不斷面世，學(xué)生應(yīng)該有機(jī)會(huì)在力所能及的范圍內(nèi)接觸、認(rèn)識(shí)這些新知識(shí)、新思路，這才不乏生物學(xué)作為一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)所具備的與時(shí)俱進(jìn)的特點(diǎn)，不拘泥于傳統(tǒng)理論與方法。

1教材分析

基因的表達(dá)是分子生物學(xué)的核心內(nèi)容，是生物界解釋遺傳信息與性狀之間關(guān)系的重要理論。為了能夠適應(yīng)多變的環(huán)境，基因的表達(dá)受到多種方式、多種層面等復(fù)雜的調(diào)控過(guò)程。高中生物學(xué)在處理這部分內(nèi)容時(shí)較為簡(jiǎn)化，在學(xué)生掌握基因表達(dá)基本概念的基礎(chǔ)之上，教師更需要進(jìn)一步挖掘，促使學(xué)生從基因表達(dá)的原理上，了解調(diào)控的基本方式及其意義。學(xué)生只有實(shí)現(xiàn)對(duì)基因表達(dá)及其調(diào)控具有較高層次的理解，才能更好地對(duì)基因工程、微生物的代謝以及多細(xì)胞生物細(xì)胞分化等跨學(xué)科領(lǐng)域概念有全面的理解，形成符合新課標(biāo)要求的生命觀念。

2教學(xué)目標(biāo)

①認(rèn)同基因表達(dá)調(diào)控是細(xì)胞適應(yīng)外界刺激、完成個(gè)體發(fā)育基礎(chǔ)的生命觀念。

②形成基于科學(xué)史資料、分析生物學(xué)研究思路、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論的科學(xué)思維。

③分析科學(xué)史實(shí)驗(yàn)范式，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究基因的功能。

④體會(huì)反向遺傳學(xué)的發(fā)展進(jìn)程，在生活中正視轉(zhuǎn)基因技術(shù)對(duì)社會(huì)的貢獻(xiàn)。

3采用5E教學(xué)模式的教學(xué)過(guò)程

3.1問(wèn)題的提出（參與階段）

教師展示一組基因表達(dá)的圖片，表現(xiàn)原核細(xì)胞和真核細(xì)胞基因表達(dá)的過(guò)程，從轉(zhuǎn)錄、翻譯過(guò)程引導(dǎo)學(xué)生回憶基因表達(dá)的過(guò)程，并比較原核、真核細(xì)胞基因表達(dá)的差異。

在學(xué)生通過(guò)小組對(duì)上述過(guò)程總結(jié)完成后，教師提出仍然有待解決的3個(gè)問(wèn)題：

①細(xì)胞中每個(gè)基因都在無(wú)時(shí)無(wú)刻進(jìn)行表達(dá)過(guò)程嗎？

②外源信號(hào)導(dǎo)致基因表達(dá)水平變化是如何發(fā)生的？

③多細(xì)胞生物“基因的選擇性表達(dá)”是如何實(shí)現(xiàn)的？

教師引發(fā)學(xué)生的思考，導(dǎo)入后一階段的教學(xué)內(nèi)容。本教學(xué)階段是復(fù)習(xí)拓展課對(duì)于基礎(chǔ)的重新回顧，是落實(shí)基礎(chǔ)的重要環(huán)節(jié)，既保證學(xué)業(yè)水平有限的學(xué)生達(dá)成課標(biāo)與高考對(duì)生物學(xué)基本概念的要求，也是引導(dǎo)學(xué)有余力的學(xué)生開(kāi)展深入探究的先導(dǎo)內(nèi)容。

3.2大腸桿菌的“省錢”妙招（探究與解釋階段）

（1）說(shuō)故事。乳糖操縱子是最經(jīng)典的基因表達(dá)調(diào)控模型。教師首先還原科學(xué)史上生物學(xué)家進(jìn)行的大腸桿菌培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，并以小故事的方式展現(xiàn)出來(lái)：乳糖是大腸桿菌的一種碳源。lac基因的產(chǎn)物β一半乳糖苷酶和透過(guò)酶是大腸桿菌利用乳糖時(shí)必要的組分。加入乳糖一段時(shí)間再去掉乳糖，測(cè)定細(xì)胞中l(wèi)ac mRNA、兩種酶的含量變化如圖1所示。

根據(jù)上述信息，教師提出問(wèn)題串：①為何加入乳糖后，lac mRNA與兩種酶的含量變化不同步？②lac基因表達(dá)的條件要求是什么？③為什么lac mRNA和兩種酶在去掉乳糖后含量變化有差異？④這種現(xiàn)象體現(xiàn)大腸桿菌是如何實(shí)現(xiàn)“省錢”的？

學(xué)生依據(jù)以上問(wèn)題串進(jìn)行思考和討論。其中，問(wèn)題①引發(fā)學(xué)生對(duì)細(xì)胞中表達(dá)的先后順序進(jìn)行再一次的回顧，較為基礎(chǔ)。問(wèn)題②、③就所給信息進(jìn)行分析，啟發(fā)學(xué)生乳糖操縱子的調(diào)控概要。問(wèn)題④從生命觀念角度提出一個(gè)開(kāi)放性問(wèn)題，學(xué)生需要考慮乳糖作為一種“次要”能源的意義，在存在乳糖時(shí)表達(dá)代謝相關(guān)基因節(jié)約了物質(zhì)和能量，體現(xiàn)基因表達(dá)調(diào)控過(guò)程中的物質(zhì)與能量觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀。

（2）探機(jī)理。乳糖操縱子的具體機(jī)制較為復(fù)雜，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，教師沒(méi)必要強(qiáng)調(diào)模型中具體的術(shù)語(yǔ)，而是需要引導(dǎo)學(xué)生抓住模型信息脈絡(luò)。針對(duì)學(xué)習(xí)較好的學(xué)生，教師可以選擇通過(guò)影像資料給出信息：乳糖操縱子中涉及2個(gè)基因單位，lacl編碼抑制蛋白位于調(diào)控流水線的上游，有更為上位的作用。乳糖作為一種“開(kāi)關(guān)”對(duì)抑制蛋白產(chǎn)生作用，是乳糖操縱子的小分子鑰匙。在理解乳糖操縱子基本模型的基礎(chǔ)之上，根據(jù)科學(xué)史的進(jìn)程，帶領(lǐng)學(xué)生分析“葡萄糖效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)（圖2）。這一內(nèi)容是乳糖操縱子的延伸，但是由于涉及細(xì)胞代謝、能源物質(zhì)優(yōu)先級(jí)，對(duì)于學(xué)業(yè)水平較高的學(xué)生有更強(qiáng)的適用性。在材料分析中，提出問(wèn)題：①大腸桿菌優(yōu)先利用哪種糖源？②為什么大腸桿菌優(yōu)先利用這種糖源？

“葡萄糖效應(yīng)”是乳糖操縱子基本模型的“負(fù)調(diào)控”基礎(chǔ)之上展現(xiàn)的“正調(diào)節(jié)”過(guò)程，也體現(xiàn)出RNA聚合酶需要結(jié)合在特定區(qū)域、結(jié)合特定蛋白才能夠完成功能。問(wèn)題②需要學(xué)生從適應(yīng)與進(jìn)化的角度，比較葡萄糖、乳糖在代謝過(guò)程中的差異，從而提出大腸桿菌建立“葡萄糖效應(yīng)”機(jī)制的生理意義，建立物質(zhì)與能量觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀的生命觀念。

3.3基因選擇性表達(dá)的解密（延伸階段）

相比于原核細(xì)胞，真核細(xì)胞的基因表達(dá)調(diào)控過(guò)程更為復(fù)雜。分子生物學(xué)指出，真核細(xì)胞的基因調(diào)控依托于DNA分子上的順式作用元件以及蛋白質(zhì)為本質(zhì)的反式作用因子之間的相互作用。因此轉(zhuǎn)錄的發(fā)生需要一個(gè)大型復(fù)合體的形成。根據(jù)以上原理，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生探究多細(xì)胞生物細(xì)胞分化的本質(zhì)——基因選擇性表達(dá)的發(fā)生機(jī)理。利用肌肉細(xì)胞的選擇性表達(dá)為例，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到真核生物基因表達(dá)受到大量轉(zhuǎn)錄因子（激活因子）的影響（圖3）?；虮磉_(dá)的選擇依賴于細(xì)胞中激活因子的數(shù)目和種類。

在展示這一原理的同時(shí)，教師為學(xué)生構(gòu)建問(wèn)題串：①肌肉細(xì)胞在發(fā)育過(guò)程中需要經(jīng)歷哪些環(huán)節(jié)？分別需要哪些“開(kāi)關(guān)”控制？②控制肌肉細(xì)胞建成的各種轉(zhuǎn)錄因子重要程度一致嗎？③人大約有4萬(wàn)個(gè)基因，是否意味著需要多達(dá)4萬(wàn)種轉(zhuǎn)錄因子嗎？為什么？

學(xué)生以小組為單位，自由討論上述問(wèn)題，課末由小組代表匯報(bào)討論結(jié)果。這一教學(xué)環(huán)節(jié)是對(duì)原核基因表達(dá)調(diào)控方式理解的擴(kuò)展和檢驗(yàn)，使學(xué)生體會(huì)“基因開(kāi)關(guān)”的功能?；蜻x擇性表達(dá)過(guò)程中的多級(jí)調(diào)控模式體現(xiàn)了工程學(xué)構(gòu)架，問(wèn)題串引發(fā)學(xué)生對(duì)這一構(gòu)架進(jìn)行分析和探索，體現(xiàn)出生命觀念中“結(jié)構(gòu)與功能觀”的內(nèi)容。

4教學(xué)反思

本節(jié)課通過(guò)基于材料的探究方式，對(duì)學(xué)生的科學(xué)思維能力進(jìn)行訓(xùn)練，通過(guò)層層深入的情境設(shè)置帶領(lǐng)學(xué)生深入基因表達(dá)調(diào)控內(nèi)容的科學(xué)本質(zhì)。在教學(xué)過(guò)程中，教師需要不斷引導(dǎo)學(xué)生積極思考，并廣泛利用問(wèn)題串引發(fā)學(xué)生從事動(dòng)腦筋的行為，鼓勵(lì)小組內(nèi)的熱烈討論，讓富有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題激發(fā)學(xué)生的求知欲。本節(jié)課內(nèi)容充實(shí)，主要目的在于培養(yǎng)學(xué)生的新信息獲取與處理能力，并在真實(shí)材料分析中形成進(jìn)化與適應(yīng)觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀的建成。本節(jié)課對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)要求較高，因此教師在實(shí)施中需要針對(duì)學(xué)生的情況對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行刪減、重構(gòu)，以適應(yīng)學(xué)生的學(xué)業(yè)水平。