高中生物學(xué)學(xué)生命信息觀的教學(xué)策略探析
——以“基因的表達(dá)”教學(xué)為例

陳志川 鄭 燁

（漳州第一中學(xué)，福建 漳州 363000）

有關(guān)生命信息的研究貫穿于現(xiàn)代生命科學(xué)的微觀到宏觀的不同層次，如DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)研究揭示了遺傳信息的物質(zhì)載體，2021 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)表彰的痛覺(jué)和觸覺(jué)形成機(jī)制研究等。生命信息觀是基于生命系統(tǒng)中信息類型、調(diào)節(jié)過(guò)程、信息作用效果等認(rèn)識(shí)而形成的思想、觀點(diǎn)與方法。［1］生命信息觀是重要的生命觀念，有助于學(xué)生深刻理解信息在基因、細(xì)胞、個(gè)體及生態(tài)系統(tǒng)等不同層次生命系統(tǒng)中的作用，在更廣泛的意義上理解生命本質(zhì)。

2020 年版人民教育出版社普通高中教科書(shū)《生物學(xué)》中涉及基因?qū)用嫔畔⒂^的主要有《必修2?遺傳與進(jìn)化》（下文簡(jiǎn)稱必修2 模塊）及《選擇性必修1?穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》（下文簡(jiǎn)稱選擇性必修1 模塊）。必修2模塊將調(diào)控遺傳信息表達(dá)的“基因選擇性表達(dá)和細(xì)胞分化”與“表觀遺傳”整合至“基因表達(dá)與性狀的關(guān)系”一節(jié)，突顯了基因?qū)用娴纳畔⒂^。選擇性必修1模塊在“光對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)節(jié)”相關(guān)內(nèi)容中將個(gè)體水平的調(diào)節(jié)與基因信息傳遞相聯(lián)系，體現(xiàn)信息傳遞在個(gè)體生命活動(dòng)中的重要作用。本文以“基因的表達(dá)”教學(xué)為例，探討如何開(kāi)展基因?qū)用娴纳畔⒂^教學(xué)。

一、創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，領(lǐng)悟生命信息觀

基于事實(shí)、現(xiàn)象創(chuàng)設(shè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題情境，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)參與，“沉浸式”思維與深度學(xué)習(xí)，體驗(yàn)成功，領(lǐng)悟抽象的生命信息觀。

“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成”一節(jié)包括遺傳信息的轉(zhuǎn)錄、遺傳信息的翻譯和中心法則等三部分內(nèi)容。改變以往平鋪直敘地講解，依次緊扣“DNA 的遺傳信息是怎樣傳給mRNA”“遺傳信息核酸的排列順序如何轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)的氨基酸序列”及“不同生物遺傳信息傳遞規(guī)律是否一致”等三個(gè)問(wèn)題展開(kāi)教學(xué)，激發(fā)學(xué)生深入思考。

“基因與性狀的關(guān)系”一節(jié)教學(xué)時(shí)，提出問(wèn)題“細(xì)胞分化與基因表達(dá)有什么關(guān)系”后，提供不同細(xì)胞類型DNA 和mRNA 檢測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生思考與討論，得出細(xì)胞分化的實(shí)質(zhì)是基因選擇性表達(dá)。進(jìn)一步結(jié)合個(gè)體發(fā)育過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)“基因選擇性表達(dá)具有不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期表達(dá)不同基因”“不同細(xì)胞表達(dá)基因不同”等時(shí)間性與空間性特征。由此，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境“怎樣調(diào)控基因表達(dá)”，引導(dǎo)學(xué)生分析必修2 模塊中有關(guān)資料，得出表觀遺傳概念，最后，總結(jié)“表觀遺傳信息如何調(diào)控基因表達(dá)”，促進(jìn)學(xué)生基于表觀遺傳這一較復(fù)雜的生命現(xiàn)象，領(lǐng)悟生命信息觀。

“環(huán)境因素參與調(diào)節(jié)植物的生命活動(dòng)”一節(jié)教學(xué)時(shí)，以“光是怎樣調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育的”為核心問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生分析相關(guān)資料，得出“光作為一種信號(hào)，影響、調(diào)控植物生長(zhǎng)、發(fā)育的全過(guò)程”這一生物學(xué)概念，并以“植物怎樣感受到光照”及“接收到光信號(hào)后，植物如何反應(yīng)進(jìn)而調(diào)節(jié)生長(zhǎng)發(fā)育”等問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生深刻理解植物適應(yīng)環(huán)境的機(jī)理。

二、構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，形成生命信息觀

通過(guò)具有挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生抓住概念的本質(zhì)屬性，構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，深刻理解基因是最根本的生命信息。生物個(gè)體會(huì)消失，但遺傳信息卻可以傳給后代，生物個(gè)體皆是遺傳信息的臨時(shí)載體。每個(gè)生物體的生命活動(dòng)離不開(kāi)遺傳信息的調(diào)控。

指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)大概念“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”、結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀及中心法則等剖析有關(guān)遺傳現(xiàn)象，梳理必修2 模塊及選擇性必修1 模塊相關(guān)內(nèi)容（如表1），闡釋生命信息作用機(jī)制，構(gòu)建基因表達(dá)概念模型（如圖1），深刻理解“生命是物質(zhì)、能量和信息的統(tǒng)一體”，形成生命信息觀，從信息的角度闡釋生命的本質(zhì)。

表1 與基因?qū)用嫔畔⒂^相關(guān)的現(xiàn)象與概念

圖1 基因表達(dá)概念模型

三、完成學(xué)習(xí)任務(wù)，深化生命信息觀

根據(jù)教學(xué)目標(biāo)及學(xué)生認(rèn)知水平，布置適宜的學(xué)習(xí)任務(wù)，促進(jìn)學(xué)生在把握事物本質(zhì)的基礎(chǔ)上，遷移應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)，深化生命信息觀。

“基因的本質(zhì)”學(xué)習(xí)之后，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)重要概念“親代傳給子代的遺傳信息主要編碼在DNA 分子的堿基排序上”、物質(zhì)觀及生命信息觀，分析、解決“多糖和核酸都是由許多單體組成的多聚體，試從組成二者單體種類的角度分析，為什么核酸是遺傳信息的攜帶者”。完成“基因的選擇性表達(dá)與細(xì)胞分化”學(xué)習(xí)后，要求學(xué)生推測(cè)胰島素細(xì)胞和肝細(xì)胞中是否存在ATP合成酶、胰島素及谷氨酸轉(zhuǎn)移酶的所對(duì)應(yīng)的基因與mRNA，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用基因選擇性表達(dá)過(guò)程及其機(jī)制進(jìn)行逆向思維分析，促進(jìn)學(xué)生應(yīng)用生命信息觀解決實(shí)際問(wèn)題。

四、綜合應(yīng)用生命觀念，發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

創(chuàng)設(shè)綜合性的學(xué)習(xí)情境，有計(jì)劃、有目的地引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用包括生命信息觀在內(nèi)的多種生命觀念，開(kāi)展高中生物學(xué)復(fù)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生深刻地認(rèn)識(shí)生命的系統(tǒng)性、復(fù)雜性、統(tǒng)一性與多樣性，發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。［2］

例如，進(jìn)行“穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)”復(fù)習(xí)教學(xué)時(shí)，以光調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育為例，引導(dǎo)學(xué)生綜合應(yīng)用生命信息觀與生命系統(tǒng)觀，即“各層次生命系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)都離不開(kāi)信息的傳遞。系統(tǒng)中信息的傳遞保證了系統(tǒng)功能的有序性，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)，從而使生物能夠與環(huán)境和諧共處”等生物學(xué)觀點(diǎn)，認(rèn)識(shí)光作為環(huán)境信號(hào)，最終可以調(diào)節(jié)植物遺傳信息的表達(dá)，使得植物能夠更好維持自身系統(tǒng)穩(wěn)定，適應(yīng)環(huán)境。復(fù)習(xí)“生物的進(jìn)化”時(shí)，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境“現(xiàn)代生物進(jìn)化理論為何認(rèn)為進(jìn)化的實(shí)質(zhì)是種群基因頻率的改變”，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)生命信息觀與遺傳與進(jìn)化觀，深刻認(rèn)識(shí)：種群最根本的特征，不是種群數(shù)量，而是種群基因庫(kù)，即種群的遺傳信息。進(jìn)化本質(zhì)是時(shí)間維度上遺傳信息發(fā)生改變。這就是“個(gè)體會(huì)消失，而種群會(huì)世代延續(xù)”的根本原因。復(fù)習(xí)“基因的表達(dá)”時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)生命信息觀、物質(zhì)與能量觀，深刻認(rèn)識(shí)：在遺傳信息的流動(dòng)過(guò)程中，DNA、RNA 是信息的載體，蛋白質(zhì)是信息的表達(dá)產(chǎn)物，而ATP 為信息的流動(dòng)提供能量。由此可見(jiàn)，信息本質(zhì)上不是物質(zhì)或能量，但是信息的傳遞、復(fù)制、加工和保存都要以物質(zhì)為載體，并消耗能量。［3］

可見(jiàn)，除了基因?qū)用嬷?，生物個(gè)體及生態(tài)系統(tǒng)等層面也蘊(yùn)含著生命信息觀?？梢詮纳窠?jīng)-體液-免疫調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)和植物激素調(diào)節(jié)的角度去理解個(gè)體層面的生命信息觀。如神經(jīng)調(diào)節(jié)實(shí)質(zhì)上是通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)將個(gè)體接收到的刺激轉(zhuǎn)化為神經(jīng)沖動(dòng)和神經(jīng)遞質(zhì)等形式的信息完成細(xì)胞間的信息傳遞。生態(tài)系統(tǒng)層面的生命信息觀體現(xiàn)于生態(tài)系統(tǒng)的各種組分之間進(jìn)行信息的雙向傳遞，維持了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的相對(duì)穩(wěn)定。