圍繞概念的本質(zhì)與變式展開深度學(xué)習(xí)

吳開其 張晉

深度學(xué)習(xí)之深在于本質(zhì)與變式，本質(zhì)與變式回答的是如何處理學(xué)習(xí)內(nèi)容（學(xué)習(xí)對(duì)象）的問題，它要求學(xué)生能夠抓住教學(xué)內(nèi)容的本質(zhì)屬性去全面把握知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系，而不是簡(jiǎn)單地掌握孤立的知識(shí)點(diǎn)或記憶更多的事實(shí)性知識(shí)。面對(duì)各種情景下知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用，需要把握事物本質(zhì)的過程，在變式中懂得去除非本質(zhì)屬性的干擾，分辨出概念的本質(zhì)屬性，同時(shí)對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容（學(xué)習(xí)對(duì)象）進(jìn)行深度加工的過程。下面以“表現(xiàn)型=基因型+環(huán)境”概念學(xué)習(xí)為例，抓概念的本質(zhì)與變式自然實(shí)現(xiàn)涉及思維、概念整合和應(yīng)用的深度學(xué)習(xí)。

1 采用假說一演繹法，將本質(zhì)理解融入科學(xué)論證的變式學(xué)習(xí)中

以“表現(xiàn)型=基因型+環(huán)境”相關(guān)的材料為教學(xué)內(nèi)容，以假說一演繹法為教學(xué)形式，結(jié)合情境進(jìn)行邏輯演繹和科學(xué)推理。這樣，學(xué)生在論證過程中自然將深入理解“表現(xiàn)型=基因型+環(huán)境”這一核心觀念的本質(zhì)。

1.1 呈現(xiàn)生物學(xué)現(xiàn)象

教師展示幾則關(guān)于生物學(xué)現(xiàn)象的資料。

資料1：蒲公英的花是兩性花，異花傳粉，既可用種子繁殖，也可用直根扦插繁殖。葉形有全緣型，也有缺刻型，生長(zhǎng)于背風(fēng)向陽處的植株葉形為全緣型，而生長(zhǎng)于向風(fēng)蔭蔽處的植株葉形為缺刻型。

資料2：果蠅的黑體（v）與灰體（V）是一對(duì)相對(duì)性狀，某實(shí)驗(yàn)小組對(duì)果蠅的這對(duì)相對(duì)性狀進(jìn)行遺傳研究。如果用含有某種添加劑的食物喂養(yǎng)果蠅，所有的果蠅都是黑體。

實(shí)際教學(xué)中，教師在呈現(xiàn)上述材料的同時(shí)呈現(xiàn)相應(yīng)的圖片，也可采用“板畫”的方式向?qū)W生展示教師筆下的蒲公英和果蠅，更能喚起學(xué)生的學(xué)習(xí)注意，并留給學(xué)生無限的想象。

1.2 提出解釋現(xiàn)象的假設(shè)

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)資料1和資料2提出解釋相應(yīng)的生物學(xué)現(xiàn)象的假設(shè)，如針對(duì)資料1的假設(shè)，即由于環(huán)境對(duì)表現(xiàn)型的影響，環(huán)境只是影響了基因的表達(dá)，而沒有影響基因的本質(zhì)。在引導(dǎo)學(xué)生提出假設(shè)時(shí)，教師也可給出相應(yīng)的提示。例如，果蠅的體色究竟和什么有關(guān)？

1.3設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證假設(shè)

針對(duì)資料1提出的假設(shè)，教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明“蒲公英全緣型和缺刻型產(chǎn)生原因由于環(huán)境對(duì)表現(xiàn)型的影響，遺傳物質(zhì)沒有改變”。當(dāng)然更重要的是引導(dǎo)學(xué)生正確設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)。例如，另取向風(fēng)蔭蔽處的蒲公英的直根若干隨機(jī)平分為甲、乙兩組，并分別置于背風(fēng)向陽處和向風(fēng)蔭蔽處進(jìn)行培養(yǎng)，觀察葉片形狀。更換蒲公英再培養(yǎng)，可選擇原本背風(fēng)向陽處的蒲公英的直根分別置于背風(fēng)向陽處和向風(fēng)蔭蔽處進(jìn)行培養(yǎng)。

教師針對(duì)資料2及其現(xiàn)象解釋的假設(shè)進(jìn)一步設(shè)置情景，并提出問題：“現(xiàn)有一只用含有該種添加劑的食物喂養(yǎng)的黑體雄果蠅，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)探究其遺傳因子組成？”同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生提出假設(shè)：一種假設(shè)是該黑體果蠅含有"V”基因;另一種假設(shè)是該黑體果蠅不含"V”基因。繼續(xù)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的假設(shè)去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 思維發(fā)散，以類比分析進(jìn)行概念變式深入理解本質(zhì)

經(jīng)過上述假設(shè)演繹過程，初步體會(huì)到相關(guān)生物學(xué)現(xiàn)象背后涉及的“表現(xiàn)型=基因型+環(huán)境”這一概念的本質(zhì)，此時(shí)繼續(xù)呈現(xiàn)新的材料從不同的角度圍繞核心概念進(jìn)行類比分析，體會(huì)大概念對(duì)相關(guān)生物學(xué)現(xiàn)象解釋的統(tǒng)攝性，聚焦概念的真正本質(zhì)。

2.1 以“從性遺傳”進(jìn)行類比分析

【例1】綿羊的有角和無角受常染色體上一對(duì)等位基因控制，有角基因H為顯性，無角基因h為隱性，在雜合子（Hh）中，公羊則表現(xiàn)有角，母羊則無角。針對(duì)材料，教師引導(dǎo)學(xué)生大膽提出對(duì)“奇怪”現(xiàn)象的假設(shè)，再逐漸帶領(lǐng)學(xué)生思考以下問題：

①可否根據(jù)提出的“表現(xiàn)型=基因型+環(huán)境”解釋上述現(xiàn)象？

②現(xiàn)有一只無角母羊，其基因型可能是什么？

③怎樣通過交配實(shí)驗(yàn)鑒定一只無角母羊的基因型？

2.2 以“牝雞司晨”進(jìn)行類比分析

教師呈現(xiàn)教材材料：原來下過蛋的母雞，以后卻變成公雞，長(zhǎng)出公雞的羽毛，發(fā)出公雞的啼聲。接著，提出問題：①從遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)和性別控制的角度，解釋這種現(xiàn)象出現(xiàn)的可能原因。②如果有一只公雞，則其可能本身是公雞，也有可能是一只母雞性反轉(zhuǎn)而成的公雞。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一交配實(shí)驗(yàn)判斷該只公雞性染色體組成？

實(shí)際教學(xué)中有趣的是，因?yàn)殡u性別決定為“ZW”型，學(xué)生在設(shè)計(jì)雜交實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行演繹推理時(shí)自然提出性別為“WW”的個(gè)體會(huì)致死。以上兩則材料將知識(shí)與生活現(xiàn)象結(jié)合，學(xué)生在假設(shè)的問題情景中根據(jù)生物學(xué)原理解決問題，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

2.3 以“果蠅變翅”進(jìn)行類比分析

教師先呈現(xiàn)背景材料：遺傳學(xué)家曾經(jīng)做過這樣的實(shí)驗(yàn)，長(zhǎng)翅果蠅幼蟲正常的培養(yǎng)溫度為25℃，將孵化后4-7 d的長(zhǎng)翅果蠅幼蟲放在35-37℃的環(huán)境中處理6-24 h后，得到了一些殘翅果蠅。接著，給出相應(yīng)問題：①根據(jù)現(xiàn)象，提出解釋現(xiàn)象的假說。②請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)相應(yīng)雜交實(shí)驗(yàn)證明你的假說。

針對(duì)問題①，結(jié)合“表現(xiàn)型=基因型+環(huán)境”，學(xué)生自然給出因?yàn)榄h(huán)境因素影響了果蠅相應(yīng)的性狀的解釋;針對(duì)問題②，學(xué)生可能提出方案，如“讓性狀改變的殘翅果蠅又放在正常的溫度下培養(yǎng)，看是否恢復(fù)長(zhǎng)翅，或讓殘翅果蠅在正常溫度下產(chǎn)生后代，看是否仍然是殘翅”。

課堂中，教師還可進(jìn)行提示并追問：基因可控制性狀，溫度影響酶的活性進(jìn)而影響原本長(zhǎng)翅性狀的表達(dá)，可以說明基因、蛋白質(zhì)與性狀之間的關(guān)系。學(xué)生討論，回答：基因通過控制酶的合成來控制代謝過程，進(jìn)而控制生物體的性狀。

3 遷移應(yīng)用，綜合概念的本質(zhì)和變式進(jìn)行延伸拓展

在理解基因、蛋白質(zhì)、性狀和環(huán)境之間的關(guān)系時(shí)，教師也可對(duì)“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成”的相應(yīng)內(nèi)容進(jìn)行拓展，同時(shí)可選擇課堂內(nèi)外甚至當(dāng)前生物學(xué)研究前沿先關(guān)的話題作為教學(xué)內(nèi)容并討論。

3.1 延伸植物激素調(diào)節(jié)的理解

教師引導(dǎo)學(xué)生回憶植物向光彎曲生長(zhǎng)的機(jī)制以及各種植物激素共同調(diào)節(jié)對(duì)植物生長(zhǎng)的影響實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生提出光照、溫度等環(huán)境因子的變化，會(huì)引起植物體內(nèi)產(chǎn)生包括植物激素在內(nèi)的多種變化，進(jìn)而對(duì)基因組的表達(dá)進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣可以讓學(xué)生再次體會(huì)“生物與環(huán)境”模塊中植物生長(zhǎng)發(fā)育過程，根本上是基因組在一定時(shí)間和空間上程序性表達(dá)的結(jié)果，體會(huì)植物生命活動(dòng)調(diào)節(jié)也是由外界環(huán)境、基因表達(dá)共同作用的結(jié)果。

3.2 拓展到袁觀遺傳的學(xué)習(xí)

首先，教師提出表觀遺傳的特征，即某些基因中堿基序列不變但表現(xiàn)型改變。接著，舉例：有研究發(fā)現(xiàn)女性懷孕期間遭受營(yíng)養(yǎng)不良對(duì)孫代的體重會(huì)有影響;也有研究發(fā)現(xiàn)父親高脂飲食導(dǎo)致子代認(rèn)知功能受損。學(xué)生結(jié)合表觀遺產(chǎn)的概念進(jìn)行解釋。接著，再次結(jié)合實(shí)例深入探討表觀遺傳的可能機(jī)理：基因相同的兩株柳穿魚，其中一植株開花時(shí)因Lxyc基因正常表達(dá)花呈現(xiàn)A形態(tài)，另一植株Lcyc基因由于高度甲基化不能表達(dá)其花呈現(xiàn)B形態(tài)。將兩植株雜交F.代表現(xiàn)A形態(tài)的花，F(xiàn)2代有大部分開A形態(tài)的花，有少部分開B形態(tài)的花。這樣讓學(xué)生體會(huì)這種遺傳物質(zhì)沒有發(fā)生實(shí)質(zhì)改變的遺傳。

3.3 結(jié)合科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)的進(jìn)行應(yīng)用

教師可介紹2019年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)關(guān)于“揭示細(xì)胞感知和適應(yīng)氧氣供應(yīng)的機(jī)制”的研究成果：研究者揭示細(xì)胞如何感知并適應(yīng)氧氣供應(yīng)的變化，鑒別出了一種特殊的分子機(jī)制，其能調(diào)節(jié)基因的活性來響應(yīng)不同水平的氧氣，并結(jié)合“表現(xiàn)型=基因型+環(huán)境說”概念，使學(xué)生體會(huì)基因與環(huán)境之間存在著復(fù)雜關(guān)系，與該概念相關(guān)的機(jī)理還有很大的空間值得研究。

教師再呈現(xiàn)雜交水稻的材料，以說明“表現(xiàn)型=基因型+環(huán)境”生物學(xué)觀念在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用：水稻一般是自花傳粉且去雄困難，很難實(shí)施人工雜交，袁隆平等成功找到了雄性不育植株（“野敗”），免去人工去雄的操作，選取的雄性不育與育性正常植株雜交后代全為雄性不育，不育植株自交后代卻有雄性不育與育性正常的性狀。學(xué)生不禁要問：“雄性不育植株如何實(shí)現(xiàn)自交的？”教師給出提示：“雄性不育在高溫下表現(xiàn)為雄性不育，而在常溫下表現(xiàn)為育性正常?！边@樣使學(xué)生體會(huì)“表現(xiàn)型=基因型+環(huán)境”生物學(xué)觀念在實(shí)際生產(chǎn)中隨處可以體現(xiàn)，所以科學(xué)家研究時(shí)在基因道路上行不通，往往會(huì)嘗試改變環(huán)境因素。

4 結(jié)語

核心概念的學(xué)習(xí)不是單純的知識(shí)梳理，也不是簡(jiǎn)單地將各類知識(shí)進(jìn)行整合，最終還得為生命觀念的形成服務(wù)，“表現(xiàn)型=基因型+環(huán)境”概念的變式學(xué)習(xí)是以系統(tǒng)論的科學(xué)思想引領(lǐng)完成核心概念的延伸。當(dāng)然，對(duì)概念進(jìn)行變式是為了對(duì)本質(zhì)更加清晰的認(rèn)識(shí)，理解概念本質(zhì)和內(nèi)涵后，更能靈活充分地對(duì)概念進(jìn)行綜合、遷移和應(yīng)用。課堂中，教師可圍繞某些觀念對(duì)概念進(jìn)行縱向深入理解和橫向拓展，在此過程中可以結(jié)合新的情景，呈現(xiàn)新的事實(shí)材料、新的研究發(fā)現(xiàn)、社會(huì)熱點(diǎn)甚至科學(xué)發(fā)現(xiàn)中遇到的難題等重新審視核心概念。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭華.深度學(xué)習(xí)及其意義[J].課程·教材·教法，2016，36（11）：25-32.

[2]呂愛民.淺析環(huán)境因素和遺傳因素對(duì)生物性狀影響的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].生物學(xué)教學(xué)，2009，34（04）：46-47.

[3]吳開其，張晉.“泡開”生物學(xué)核心的概念、原理和問題——再論“兩次倒轉(zhuǎn)”教學(xué)機(jī)制的應(yīng)用關(guān)鍵[J].生物學(xué)教學(xué)，2019， 44（2）：24-27.