高中生物學(xué)一輪復(fù)習(xí)教學(xué)組織與實(shí)施
——以“基因重組”一節(jié)為例

清華大學(xué)附屬中學(xué) 吳丹丹

高三生物學(xué)的教學(xué)主要有三種課型：復(fù)習(xí)課、習(xí)題課和試卷講評(píng)課。作為系統(tǒng)化的復(fù)習(xí)形式，一輪復(fù)習(xí)課承載著幫助學(xué)生在查漏補(bǔ)缺中梳理體系，在建立知識(shí)結(jié)構(gòu)后遷移運(yùn)用，在面對(duì)真實(shí)問(wèn)題情境時(shí)科學(xué)判斷等能力提升的價(jià)值。如何在高三一輪復(fù)習(xí)課中注入新的活力，如何發(fā)展學(xué)生演繹推理等科學(xué)思維，提升學(xué)生運(yùn)用生物學(xué)原理解決真實(shí)問(wèn)題的能力呢？選擇恰當(dāng)?shù)乃夭牟⒖茖W(xué)組織實(shí)施可能是一種途徑，下面以“基因重組”一節(jié)為例介紹高三一輪復(fù)習(xí)課的教學(xué)組織，特別是如何選擇素材、創(chuàng)設(shè)情境并組織教學(xué)。

一、借助于圖形等結(jié)構(gòu)化知識(shí)奠定復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)

本節(jié)內(nèi)容對(duì)應(yīng)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中的“概念3遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”下的“3.3由基因突變、染色體變異和基因重組引起的變異是可以遺傳的”，相應(yīng)的次位概念是“3.3.4闡明進(jìn)行有性生殖的生物在減數(shù)分裂過(guò)程中，染色體所發(fā)生的自由組合和交叉互換，會(huì)導(dǎo)致控制不同性狀的基因重組，從而使子代出現(xiàn)變異”。知識(shí)結(jié)構(gòu)化能促進(jìn)學(xué)生深度理解知識(shí)，便于知識(shí)的儲(chǔ)存、提取和應(yīng)用，所以一輪復(fù)習(xí)時(shí)應(yīng)打破章節(jié)甚至是模塊間的壁壘，建立知識(shí)體系，將知識(shí)在概念體系中的位置以及與其他知識(shí)的聯(lián)系直觀(guān)表示出來(lái)。比如，在本節(jié)教學(xué)中，首先確定基因重組在生物學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)中的位置，如圖1（a）所示；另外，在《選擇性必修3》中的“基因工程”所利用的原理也是基因重組，應(yīng)在本節(jié)復(fù)習(xí)時(shí)一并整理，基因重組的類(lèi)型和適用生物類(lèi)型如圖1（b）所示。

基因重組與基因突變、染色體變異都屬于生物體變異中的可遺傳變異，基因重組和基因突變二者不僅是并列關(guān)系，基因重組實(shí)現(xiàn)了對(duì)非等位基因的重新組合，從而產(chǎn)生多種多樣的基因型和表現(xiàn)型，但從根本上來(lái)說(shuō)，只有基因突變才會(huì)產(chǎn)生新的基因，才有可能產(chǎn)生進(jìn)化的最初的原材料。所以一輪復(fù)習(xí)時(shí)，更要對(duì)二者在進(jìn)化中的關(guān)系和意義進(jìn)行梳理，如圖2所示。

圖1

圖2 基因突變、基因重組和進(jìn)化的關(guān)系示意圖

細(xì)胞水平的圖像辨別也是“基因重組”與“染色體變異”的易混淆點(diǎn)：為什么同源染色體的非姐妹染色單體的交叉互換的現(xiàn)象屬于基因重組，非同源染色體之間片段交換則屬于染色體結(jié)構(gòu)變異呢？教學(xué)中可通過(guò)出示圖3并結(jié)合染色體結(jié)構(gòu)變異的定義分析：染色體結(jié)構(gòu)變異引起染色體上基因的種類(lèi)、數(shù)目和排序發(fā)生改變。如圖3（a）中兩條染色體上基因的種類(lèi)、數(shù)目和排序在交換前后未發(fā)生改變，圖3（b）則發(fā)生了改變。

二、來(lái)源于真實(shí)研究的情境有助于能力的提升

圖3 基因重組和染色體變異的細(xì)胞水平的差異

理解知識(shí)的最好方式是在問(wèn)題情境中運(yùn)用知識(shí)。高三復(fù)習(xí)課易走進(jìn)習(xí)題重復(fù)訓(xùn)練的誤區(qū)，但不論是面向?qū)W生終身學(xué)習(xí)，還是從高考選拔性考試的習(xí)題角度出發(fā)，都不乏真實(shí)研究情境對(duì)知識(shí)的應(yīng)用。在組織“基因重組”這一節(jié)的教學(xué)時(shí)，筆者首先分析“基因重組”的應(yīng)用領(lǐng)域：雜交育種和基因工程育種，再尋找在糧食等農(nóng)作物或養(yǎng)殖業(yè)中有無(wú)適合的研究成果。設(shè)計(jì)教學(xué)時(shí)可在“中國(guó)知網(wǎng)”中用“基因工程”“水稻”“雜交”等關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索，筆者通過(guò)搜索發(fā)現(xiàn)一篇2018年馬作斌團(tuán)隊(duì)獲得抗稻瘟病轉(zhuǎn)基因水稻的論文，研究中使用抗稻瘟病基因作為目的基因；進(jìn)一步查閱資料發(fā)現(xiàn)，日本在20世紀(jì)中期已發(fā)現(xiàn)了多種抗稻瘟病基因，教學(xué)中可用這個(gè)研究成果考查學(xué)生是否掌握了轉(zhuǎn)基因技術(shù)的操作步驟和技術(shù)；論文最后提到該轉(zhuǎn)基因水稻品種的單一抗性幾年后消失，這也是一個(gè)從“進(jìn)化與適應(yīng)”的角度設(shè)問(wèn)的契機(jī)。抗稻瘟病的單一抗性很快消失后，是否有其他辦法呢？該團(tuán)隊(duì)在2020年最新的論文中使用雜交育種的方式將兩種抗稻瘟病基因重組到一個(gè)品種中，并且分子、器官和個(gè)體水平都有具體的實(shí)驗(yàn)圖像和數(shù)據(jù)，這些素材是非常好的學(xué)生活動(dòng)素材，可以提升學(xué)生歸納、比較、概括等思維能力，并基于結(jié)果得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論的實(shí)驗(yàn)探究能力和表達(dá)能力，最終該水稻品種經(jīng)過(guò)有關(guān)部門(mén)的認(rèn)定已經(jīng)投入種植并命名為“鐵粳16”。

基于以上搜索、梳理和篩選，本節(jié)課的教學(xué)情境就逐漸形成：稻瘟病對(duì)我國(guó)水稻產(chǎn)量的影響→抗稻瘟病基因的發(fā)現(xiàn)→獲得抗稻瘟病品種（基因工程育種）→單一抗性迅速消失的困境→獲得含兩種抗性品種（雜交育種）→鑒定、篩選和推廣。具體教學(xué)環(huán)節(jié)、內(nèi)容概要和教學(xué)意圖如圖4所示。

有了鮮活的素材，還需要結(jié)合生物學(xué)核心素養(yǎng)和高考考查能力進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。在獲得單一抗稻瘟病品種的情境中，設(shè)計(jì)“結(jié)合基因重組的原理，你將如何培育出抗稻瘟品種水稻？請(qǐng)說(shuō)出操作流程”的問(wèn)題，考查學(xué)生對(duì)基因工程的學(xué)習(xí)效果以及語(yǔ)言表達(dá)能力。在獲得該抗稻瘟病品種后，出示我國(guó)科學(xué)家獲得的抗病品種的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，設(shè)計(jì)“圖4中A表示植株生長(zhǎng)情況，圖4中B是二者的Pita基因的表達(dá)量，圖4中C表示用混合稻瘟病菌菌種接種后，葉片的感病情況。請(qǐng)根據(jù)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行推理并得出結(jié)論”的問(wèn)題，考查學(xué)生類(lèi)比、歸納、推理的能力，以及依據(jù)結(jié)果得出準(zhǔn)確結(jié)論的科學(xué)探究能力。在該單一抗病品種抗性消失后，設(shè)計(jì)“遼寧本地現(xiàn)有抗稻瘟病水稻品種攜帶Pib（另一種抗稻瘟病基因）的遼粳9234（簡(jiǎn)稱(chēng)LG9234），攜帶Pita的鐵粳7號(hào)（簡(jiǎn)稱(chēng)TG7）。請(qǐng)你結(jié)合剛剛復(fù)習(xí)的基因重組的原理，培育出同時(shí)攜帶抗稻瘟病基因Pita和Pib的水稻品種。請(qǐng)說(shuō)出你的實(shí)驗(yàn)思路和預(yù)期結(jié)果”的問(wèn)題，考查學(xué)生依據(jù)已知原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并正確預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果的高階科學(xué)思維。

圖4 “基因重組”一節(jié)的教學(xué)情境和意圖設(shè)計(jì)

基于真實(shí)的科學(xué)研究情境的教學(xué)，是一種回歸本真的科學(xué)教育，是培養(yǎng)學(xué)生形成科學(xué)精神、關(guān)注科學(xué)技術(shù)和方法、形成科學(xué)概念的良好途徑之一。本節(jié)課教學(xué)后，學(xué)生被我國(guó)科學(xué)家的科研精神所感動(dòng)，當(dāng)看到每一品種的抗性水稻在鑒定時(shí)都需要分子（電泳技術(shù)）、器官（菌株侵染）和個(gè)體水平等數(shù)據(jù)支撐時(shí)，他們也深感所學(xué)的生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用廣泛；最后在得知“鐵粳16”進(jìn)入市場(chǎng)后，他們慨嘆粒粒皆辛苦。在“全方位、全過(guò)程、全員”德育的大背景下，課堂不僅是傳授知識(shí)的主陣地，還是德育的主陣地。