核心素養(yǎng)視角下的生物學(xué)概念教學(xué)

摘 要：文章中的課堂案例以問題情境為導(dǎo)向，運(yùn)用探究性學(xué)習(xí)開展概念教學(xué)，在真實(shí)情境中解決具體問題，促進(jìn)學(xué)生形成“結(jié)構(gòu)與功能觀”等生命觀念，提升“歸納與概括”“批判性思維”等能力，建立健康生活的態(tài)度等社會責(zé)任，落實(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；表觀遺傳；概念教學(xué)；問題情境；假說演繹法

中圖分類號：G633.91?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1673-8918（2022）44-0130-05

核心素養(yǎng)是高中生物學(xué)教育近些年來關(guān)注的熱點(diǎn)，生物學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在高中生物學(xué)習(xí)過程中慢慢發(fā)展起來的，在解決真實(shí)情境中的具體問題時所表現(xiàn)出來的價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生知識、能力、情感態(tài)度與價值觀的綜合體現(xiàn)；包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任。新課程的基本理念之一是模塊內(nèi)容聚焦大概念。在教材中，精簡容量，突出重點(diǎn)，確保學(xué)生有相對充足的時間來進(jìn)行主動學(xué)習(xí)，讓學(xué)生能夠深度理解和應(yīng)用一些重要的生物學(xué)概念，同時發(fā)展了生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

表觀遺傳是近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)熱點(diǎn)研究內(nèi)容，有別于經(jīng)典遺傳學(xué)，對生物的發(fā)育、遺傳等有了新的解釋，因此2019年人教版高中生物學(xué)教材必修2《遺傳與進(jìn)化》將其納入了教學(xué)課堂中。本篇論文就以這本教材中的第4章第2節(jié)“基因表達(dá)與性狀的關(guān)系”為例，討論核心素養(yǎng)視角下的生物學(xué)概念教學(xué)。

一、 教材和學(xué)情分析

基于《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版，2020年修訂）的內(nèi)容要求，在必修2中，要求學(xué)生能夠“概述DNA分子上的遺傳信息通過RNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，細(xì)胞分化的本質(zhì)是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果，生物的性狀主要通過蛋白質(zhì)表現(xiàn)”，增加了次位概念“概述某些基因中堿基序列不變但表型改變的表觀遺傳現(xiàn)象”，這兩個次位概念都隸屬于重要概念“親代傳遞給子代的遺傳信息主要編碼在DNA分子上”，大概念“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”。本節(jié)圍繞大概念和重要概念組織開展教學(xué)，讓學(xué)生從一些零散的生物學(xué)事實(shí)層面上，歸納概括并建立相關(guān)生物學(xué)概念，建構(gòu)概念模型，去解決新情境下的具體相關(guān)問題，從而發(fā)展生物學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)。本節(jié)中的概念教學(xué)模型如圖1所示。

作為課標(biāo)和教材新加入的教學(xué)內(nèi)容，有關(guān)表觀遺傳的學(xué)習(xí)，是本節(jié)課的重難點(diǎn)。表觀遺傳是遺傳學(xué)的最新分支，也是近幾年的熱點(diǎn)研究方向，和經(jīng)典遺傳學(xué)有一定的區(qū)分度，是對經(jīng)典遺傳學(xué)的補(bǔ)充和延續(xù)。本節(jié)的教學(xué)起點(diǎn)應(yīng)落在學(xué)生固有的經(jīng)典遺傳學(xué)知識土壤上，引導(dǎo)學(xué)生去理解表觀遺傳學(xué)發(fā)展起來的必然性，增強(qiáng)學(xué)生知識與應(yīng)用的鏈接。為突破重難點(diǎn)，本節(jié)課以問題情境為導(dǎo)向，運(yùn)用探究性學(xué)習(xí)開展概念教學(xué)，在真實(shí)情境中去解決具體問題，落實(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成。

學(xué)生在前面的章節(jié)學(xué)習(xí)中，已經(jīng)明確了“基因通過其表達(dá)產(chǎn)物——蛋白質(zhì)來控制性狀”，基因不同會導(dǎo)致可遺傳的性狀不同。但是并不知道，即使基因相同的個體之間也會存在可遺傳的性狀差異，例如同卵雙胎、蜂王和工蜂等。教材給出了多個生物學(xué)事實(shí)，例如“柳穿魚花的形態(tài)結(jié)構(gòu)的遺傳”“小鼠毛色的遺傳”等實(shí)例，以若干問題串創(chuàng)設(shè)情境，要求學(xué)生自主分析推理柳穿魚花的原因，學(xué)生可以建立表觀遺傳學(xué)的初步生物學(xué)概念。然后在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)利用假說演繹法來探究小鼠毛色性狀改變的案例。在探究體驗(yàn)過程中，學(xué)生思維得到了碰撞，分析內(nèi)在原因，利用不完全歸納法歸納出表觀遺傳的概念，并且利用概念模型再去分析生活中的表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象。學(xué)生在思考基因表達(dá)與性狀之間的關(guān)系后，能夠建構(gòu)“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”的這個大概念，形成“結(jié)構(gòu)與功能觀”“生物多樣性與統(tǒng)一性”等生命觀念，發(fā)展了“歸納與概括”“批判性思維”“模型與建?！钡瓤茖W(xué)思維，認(rèn)識到科學(xué)是不斷發(fā)展的和建立健康生活的態(tài)度等社會責(zé)任。具體教學(xué)內(nèi)容與核心素養(yǎng)發(fā)展的落實(shí)見圖2。

二、 教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容要求，制定了如下教學(xué)目標(biāo)：

1. 舉例說明基因通過控制酶的合成或蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)控制生物體的性狀，認(rèn)同生命是物質(zhì)、能量和信息的統(tǒng)一體，提升對生命本質(zhì)的理解。

2. 概述表觀遺傳通過DNA甲基化抑制基因表達(dá)來改變生物性狀，基因選擇性表達(dá)導(dǎo)致細(xì)胞分化等生物學(xué)事實(shí)，認(rèn)同“結(jié)構(gòu)與功能觀”“生物多樣性與統(tǒng)一性”等生命觀念。

3. 開展以探究為特點(diǎn)的主動學(xué)習(xí)，分析材料，構(gòu)建出表觀遺傳的概念模型；提升“歸納與概括”“批判性思維”“模型與建?！钡瓤茖W(xué)思維。

4. 通過對生活中一些具體案例的分析，認(rèn)識到良好生活習(xí)慣對后代具有重要意義，建立健康生活的態(tài)度、關(guān)愛生命等社會責(zé)任。

三、 教學(xué)過程

（一）復(fù)習(xí)導(dǎo)入，設(shè)疑

活動1：老師播放轉(zhuǎn)錄和翻譯的視頻，引導(dǎo)學(xué)生回顧“基因可以通過其表達(dá)產(chǎn)物——蛋白質(zhì)來控制性狀”。利用教材問題探討的同一株水毛茛兩種不同形態(tài)的葉片設(shè)疑，激發(fā)學(xué)生思考：“兩種不同形態(tài)的葉片細(xì)胞中，基因組成一樣嗎？”“你覺得葉片形態(tài)的差異可能是由什么因素導(dǎo)致的？”

設(shè)計意圖：新課引入，從學(xué)生已經(jīng)掌握的知識入手，有利于學(xué)生快速高效地抓住新舊知識的“鏈接點(diǎn)”，初步理解表觀遺傳現(xiàn)象與經(jīng)典遺傳的區(qū)別。新舊知識引起的認(rèn)知沖突，可以快速地抓住學(xué)生的好奇心，激發(fā)其探究事實(shí)真相的興趣。

（二）基因表達(dá)產(chǎn)物與性狀的關(guān)系

活動2：結(jié)合教材“豌豆的圓粒和皺?！焙汀澳倚岳w維化的發(fā)病機(jī)理”的實(shí)例，分析生物學(xué)事實(shí)，明確基因是通過控制酶的合成或蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而控制生物體的性狀。然后在歸納總結(jié)的基礎(chǔ)上構(gòu)建出概念圖（圖3）。

設(shè)計意圖：培養(yǎng)學(xué)生自主閱讀和獨(dú)立思考的能力，學(xué)生自己動腦構(gòu)建概念模型，充分理解基因、基因表達(dá)產(chǎn)物、生物性狀之間的關(guān)系，認(rèn)同生命是物質(zhì)、能量和信息的統(tǒng)一體，提升對生命本質(zhì)的理解，真正建立起生命的物質(zhì)觀。

（三）基因的選擇性表達(dá)與細(xì)胞分化

活動3：分析教材圖表（表1），讓學(xué)生先在圖表上方寫出轉(zhuǎn)錄翻譯過程，DNA→mRNA→蛋白質(zhì)，以問題情境的方式引導(dǎo)學(xué)生從DNA，mRNA，蛋白質(zhì)3個水平去分析3種不同細(xì)胞：“分析表格信息，推測這3種細(xì)胞在DNA水平上有沒有差異？為什么？你用的是什么歸納法？”“這3種細(xì)胞在mRNA水平上是否有差異？為什么？”表格信息只能說明這3種細(xì)胞都具有上面3個基因，但根據(jù)它們都是來自同一個個體的體細(xì)胞，學(xué)生利用已有的生物學(xué)知識可以不完全歸納出這3種細(xì)胞在DNA水平上是沒有差異的。據(jù)表分析3個基因在3種細(xì)胞中的活動和關(guān)閉狀態(tài)不一致，導(dǎo)致了mRNA水平上出現(xiàn)了差異。因此這時候?qū)W生很容易得出概念：細(xì)胞分化的本質(zhì)就是基因的選擇性表達(dá)?！半m然表格中沒有蛋白質(zhì)的數(shù)據(jù)，你能不能推測出這3種細(xì)胞在蛋白質(zhì)水平上是否有差異？你的依據(jù)是什么？”翻譯蛋白質(zhì)的直接模板就是mRNA，這3種細(xì)胞在蛋白質(zhì)的表達(dá)上也存在著差異。最后老師在教材表格上增加兩列“ATP合成酶的mRNA”“核糖體蛋白的mRNA”，由學(xué)生利用已有知識進(jìn)行預(yù)測并將表格補(bǔ)充完整，在此基礎(chǔ)上，教師引出“管家基因”和“奢侈基因”的概念。管家基因是每個細(xì)胞中必須表達(dá)的，而奢侈基因是選擇性表達(dá)的，進(jìn)一步幫助學(xué)生理解細(xì)胞分化的實(shí)質(zhì)。

設(shè)計意圖：回顧已有概念，激活固有知識，以問題為導(dǎo)向，讓學(xué)生分析科學(xué)研究數(shù)據(jù)，一步一步走向新的發(fā)現(xiàn)，引導(dǎo)用不完全歸納法歸納總結(jié)出細(xì)胞分化的本質(zhì)，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，認(rèn)同“結(jié)構(gòu)與功能觀”“生物多樣性與統(tǒng)一性”等生命觀念，并提高學(xué)生“歸納與概括”的科學(xué)思維能力。

（四）表觀遺傳

活動4：組織以探究為特點(diǎn)的主動學(xué)習(xí)，分析教材第73頁有關(guān)柳穿魚花的形態(tài)遺傳的資料，以若干問題串創(chuàng)設(shè)情境：“兩種形態(tài)的柳穿魚花，Lcyc基因堿基序列是否相同？Lcyc基因高度甲基化影響了什么？DNA甲基化現(xiàn)象是否能夠遺傳給后代？是否遵循孟德爾遺傳規(guī)律？”不管是左右對稱還是輻射對稱，在A、B植株中，Lcyc基因都存在并且堿基序列相同，有差異的是A植株中Lcyc基因無甲基化，正常表達(dá)，而B植株中Lcyc基因高度甲基化，表達(dá)被抑制。F2代又出現(xiàn)了植株B的輻射對稱花的性狀，因此DNA甲基化是可以遺傳的。但是性狀分離比為34∶5，不遵循孟德爾遺傳規(guī)律，證明甲基化的遺傳并不是很穩(wěn)定。

在柳穿魚花形態(tài)遺傳分析后，學(xué)生對DNA甲基化具備一定的認(rèn)知。這時引導(dǎo)學(xué)生用假說演繹法來分析小鼠毛色遺傳，進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)。

1. 提出問題：純種黃色體毛小鼠AvyAvy和純種黑色體毛小鼠aa的F1代為什么不是黃色的？

2. 提出假說：Avy基因的甲基化無法穩(wěn)定遺傳。

3. 演繹推理：在F1代不同毛色的小鼠中Avy基因的甲基化程度不同。教師可以提供更為詳細(xì)的Avy基因不同程度甲基化而被影響表達(dá)的有關(guān)圖（圖4），讓學(xué)生自主分析推理小鼠毛色性狀改變的原因，發(fā)現(xiàn)Avy基因的甲基化程度越高，表達(dá)受到的抑制就越明顯，小鼠體毛的顏色就越深。當(dāng)Avy基因無甲基化時，Avy基因正常表達(dá)，Avya小鼠的體色為黃色。當(dāng)Avy基因高度甲基化時，表達(dá)被抑制，Avya小鼠就表現(xiàn)出黑色性狀。當(dāng)Avy基因部分甲基化時，Avy基因的表達(dá)也就部分被抑制，因此Avya小鼠就出現(xiàn)介于黃色與黑色的中間色。

4. 設(shè)計實(shí)驗(yàn)：讓F1代Avya不同毛色的小鼠與純種黑色體毛小鼠aa測交，同時做正反交實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如圖（圖5）所示。分析：a組和b組的差異在于Avya是做父本還是做母本。在a、b組中，又分三組，分別用了三種不同顏色的Avya小鼠來測交。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，a組在父本Avya甲基化程度有差異的情況下，測交子代的表現(xiàn)型基本沒有差異。b組在母本Avya甲基化有差異的情況下，子代也表現(xiàn)出了差異。

5. 得出結(jié)論：Avy的甲基化遺傳可能通過母本傳遞，不能通過父本傳遞，因此出現(xiàn)了不穩(wěn)定遺傳的現(xiàn)象。

設(shè)計意圖：學(xué)生聚焦課本教材資料，開展以探究為特點(diǎn)的主動學(xué)習(xí)，對真實(shí)存在的生物學(xué)現(xiàn)象分析推理，用不完全歸納法歸納總結(jié)出表觀遺傳這個次位概念，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，并提高學(xué)生“獲取信息”“演繹推理”“歸納與概括”的科學(xué)思維能力，建構(gòu)“結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一”“生物多樣性與統(tǒng)一性”的生命觀。通過活動，學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識到科學(xué)是需要證據(jù)的，認(rèn)同“科學(xué)是不斷發(fā)展的”的科學(xué)本質(zhì)觀。表觀遺傳與經(jīng)典遺傳引發(fā)的認(rèn)知沖突，有助于學(xué)生形成批判性思維，認(rèn)同科學(xué)概念也是在不斷更新或修正的，人們對自然界的探究永無止境。

（五）表觀遺傳與健康生活

活動5：嘗試?yán)帽碛^遺傳的概念模型來解釋：“同卵雙生的雙胞胎雖然具有相同的DNA序列，卻存在表型的差異和疾病易感性的差異。為什么？”“蜂王和工蜂都是由同一批受精卵發(fā)育來的，為什么會有不同的命運(yùn)？”研究發(fā)現(xiàn)，男性吸煙者的精子活力下降，精子中DNA的甲基化水平明顯升高。聯(lián)系生活，思考：“我們生活上的一些習(xí)慣，會不會影響到我們的后代呢？”布置學(xué)生課后查閱相關(guān)資料，了解過度飲酒、抽煙、熬夜、高糖飲食等不良生活習(xí)慣對后代的影響。

設(shè)計意圖：學(xué)生能夠利用表觀遺傳知識解釋生活中的具體現(xiàn)象，并且理解健康生活的重要意義，倡導(dǎo)良好生活方式，關(guān)愛生命，提高社會責(zé)任。

（六）基因、表達(dá)產(chǎn)物、性狀、環(huán)境之間復(fù)雜的關(guān)系

活動6：利用教材中案例，例如豌豆的圓粒和皺粒這對性狀就是由R和r一對等位基因控制的，即一因一效。而人類的身高是由多個基因決定的，即多因一效。水稻的Ghd7基因不僅參與了開花的調(diào)控，而且對水稻的生長、發(fā)育、產(chǎn)量都有影響，即一因多效。從這些生物學(xué)事實(shí)，歸納出基因與性狀并不是簡單的一一對應(yīng)的關(guān)系?；蛑g有相互作用，基因是有選擇性地表達(dá)，環(huán)境可以影響基因的表達(dá)來影響性狀，例如表觀遺傳，基因通過控制酶的合成或蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)來控制性狀等，因此基因、基因產(chǎn)物、性狀、環(huán)境之間存在著錯綜復(fù)雜的相互作用。最后，師生一起建構(gòu)基因、表達(dá)產(chǎn)物、性狀、環(huán)境的知識網(wǎng)絡(luò)，把本節(jié)的知識點(diǎn)串聯(lián)起來形成思維導(dǎo)圖（圖6）。

設(shè)計意圖：用具體事例幫助學(xué)生建立基因與性狀之間復(fù)雜的關(guān)系，學(xué)會尊重事實(shí)和證據(jù)，認(rèn)同生物學(xué)中因果關(guān)系的復(fù)雜性，學(xué)會擯棄簡單果斷的線性決定論的一般思維模式，形成批判性思維，嘗試多角度、多因素、多方面地分析復(fù)雜生物學(xué)現(xiàn)象，加強(qiáng)知識之間的聯(lián)系，構(gòu)建系統(tǒng)的知識框架。

四、 教學(xué)反思

表觀遺傳是對經(jīng)典遺傳學(xué)的補(bǔ)充和延續(xù)，教師在本節(jié)課的教學(xué)起點(diǎn)要落在固有經(jīng)典遺傳學(xué)的知識土壤上，在教學(xué)前還必須儲備更多的遺傳學(xué)相關(guān)知識和常見的幾種表達(dá)遺傳機(jī)制，有選擇性地利用素材來豐富表觀遺傳的教學(xué)。

本節(jié)課以問題情境為導(dǎo)向，運(yùn)用探究性學(xué)習(xí)開展概念教學(xué)，主要體現(xiàn)了以下兩個特點(diǎn)：第一，注重概念教學(xué)，學(xué)生在探究體驗(yàn)過程中，深化基因與性狀之間關(guān)系的理解，構(gòu)建多個概念模型，并且學(xué)會運(yùn)用概念模型來解釋生活中的具體現(xiàn)象。通過探究—構(gòu)建—運(yùn)用，確保了落實(shí)生物學(xué)科核心素養(yǎng)教學(xué)的達(dá)成。第二，充分挖掘了教材中體現(xiàn)生物科學(xué)素養(yǎng)的內(nèi)容，通過探究活動，促進(jìn)學(xué)生形成“結(jié)構(gòu)與功能觀”“生物多樣性與統(tǒng)一性”等生命觀念，提升“歸納與概括”“批判性思維”“模型與建?！钡瓤茖W(xué)思維，認(rèn)識到科學(xué)是不斷發(fā)展的和建立健康生活的態(tài)度等社會責(zé)任。

學(xué)生課堂上明顯對“父母的生活習(xí)慣可能因?yàn)楸碛^遺傳而影響后代的性狀”充滿了興趣，課后可以成立興趣小組，查閱更多相關(guān)資料，了解更多有關(guān)表觀遺傳的現(xiàn)象及其原理，例如X染色體失活、組蛋白修飾、RNA干擾等案例，分析更多的生物學(xué)事實(shí)。此舉有助于培養(yǎng)學(xué)生積極關(guān)注科學(xué)技術(shù)發(fā)展、關(guān)注社會熱點(diǎn)問題的好習(xí)慣，把生物學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落實(shí)到課后。

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作者簡介：林燕妮（1983～），女，漢族，福建泉州人，廈門市松柏中學(xué)，研究方向：高中生物學(xué)教學(xué)、生物學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)。