指向科学思维的概念教学

张命康 吕国裕

摘要以基因突变一节为例，从概念的内涵和外延阐释了指向科学思维的概念教学，通过设置问题串、动手模拟操作、资料分析、小组辩论、概念模型建构、论证式教学等方式，渗透归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维等科学思维。

关键词科学思维 概念教学 基因突变

科学思维是基于事实和证据，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。基于科学思维的概念教学，着重培养学生的归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维等能力，探讨、阐释生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题。下面以厦门海沧中学郑兰萍教师所上的一节课——“基因突变”为例，说明指向科学思维的概念教学策略。

1概念的内涵——概念教学的核心

概念是在感觉、知觉和表象的基础上，运用比较、分析、综合、抽象、概括等方法形成的，而概念的内涵是概念所反映对象的本质属性的总和，是概念教学的核心。概念教学应还原概念的形成过程。本教学案例选用镰刀型细胞贫血症，从现象开始，追根溯源，逐一剖析基因突变的内涵。

1.1设置问题串，培养演绎与推理能力

教师展示人教版必修2教科书中P80镰刀型细胞贫血症的图片及补充资料，请学生完成一份不完整的病理报告。1910年，赫里克医生的诊所来了一位黑人病人，四肢无力，发烧，肌肉酸痛。医生使用所有能治疗贫血病的药物，但都无效，于是对病人做血液检查。医生病理报告如下：主要症状：脸色苍白，四肢无力，发烧，肌肉酸痛。镜检对比：正常红细胞呈两面凹圆饼状，患者的红细胞呈镰刀状。病名：镰刀型细胞贫血症。教师提出问题：（1）利用已有知识，下一步该检查什么？（因蛋白质是生命活动的体现者，核酸是遗传物质，故应先检查蛋白質，后分析核酸。）（2）蛋白质为什么会改变？（通过正常血红蛋白和异常血红蛋白对比，发现一条多肽链上一个谷氨酸变成了缬氨酸。）（3）氨基酸为什么改变？（根本原因是DNA碱基对替换）教师引导学生作出结论镰刀型细胞贫血症是由基因发生改变引起的疾病。

1.2动手模拟操作，培养归纳与概括、类比推理能力

通过小组动手合作，学生完成模拟活动。教师给学生出示己发生改变的不同的DNA序列，请学生写出mRNA及氨基酸序列，然后再与教师展示的正常情况进行对比，发现多肽链（蛋白质）的不同之处，尝试得出基因突变的概念。

在学生动手模拟分析的基础上，教师提出问题：（1）哪种基因突变对氨基酸序列的影响最小？学生通过演绎，改变一对碱基对、二对、三对……，由简单到复杂，归纳出基因突变的数量、方式及位置，哪个对氨基酸序列的影响最小。（2）基因突变一定影响蛋白质吗？不一定因为密码子的简并性，基因突变不一定影响蛋白质。（3）基因突变一定改变性状吗？不一定。首先，基因突变不一定影响蛋白质；其次即使蛋白质发生改变，生物性状也不一定改变。

2概念的外延——概念教学的拓展

概念的外延就是适合概念的一切对象的范围，是概念内涵的延伸，是全面理解概念的保障，是构成完整概念的重要因素。概念外延的教学是概念教学不可或缺的重要组成部分。本节概念的外延包括基因突变的时间、原因、特点及意义。

2.1资料分析，培养对比分析能力

教师引导学生对比分析资料，判断资料中的事例是否属于基因突变。

资料1：带有“福”“圣诞快乐”“祝你平安”等字迹或者带有美丽图案的“艺术苹果”，由于创意新颖，寓意吉祥，这种苹果身价比普通苹果高出不少。记者采访种植户了解到，苹果上的字是通过贴胶带遮挡光照形成的。

资料2：1966年，加拿大多伦多的一只家猫产下一只没有毛的小猫。从此，欧洲和北美爱猫人士开始将加拿大无毛猫同正常家猫交配进行繁殖，但繁殖成功率较低。

学生通过讨论，得出“带字苹果”是环境改变引起的变异，遗传物质并没有改变，属于不可遗传的变异。而加拿大无毛猫的遗传物质发生了改变，属于可遗传变异中的基因突变。

2.2小组辩论，培养批判性思维

教师以几个与本节课紧密相关的论题，组织学生进行课堂辩论。

（1）基因突变的低频性和普遍性矛盾吗？为什么？

正方认为既然是低频，一定是不普遍，如果是普遍的，一定是高频。反方认为正方混淆突变率和普遍性概念，突变率是突变的基因占物种总基因的比例或突变的细胞（个体）占所有细胞（个体）的比例，而普遍性是指生物界中各种生物发生基因突变的可能性，存在多种生物发生基因突变而突变率都很低的情况。

（2）基因突变是“利”大于“弊”吗？会发生转化吗？

正方认为“利”大于“弊”，举例说出太空育种使得果实变大、青霉素产量提高等例子，为人类提供更丰富更高产的食物、更便宜的药物。反方认为“弊”大于“利”，举例说出教材内外更多的基因突变实例，如白化病、短果枝、红绿色盲、并指、多指、糖尿病、残翅与无翅等，影响植物的品质、威胁动物的生存、引起人类的疾病等不利的方面。双方都一致认为，多数的基因突变是中性，即无利也无害，且利与弊是相对的，取决于是否适应环境，如岛屿上的有翅昆虫，突变为无翅和残翅，但不利的无翅和残翅在大风大浪的情境下，反而得到生存的机会。

（3）基因突变的低频性和多害少利性，可能不可能为生物进化提供原材料？

正方认为基因突变率低且多数是有害的，突变的个体少且不利于个体生存，故不利于生物进化，不可能为生物进化提供原材料。反方认为对于生物个体而言，发生自然突变的频率是低的，但对于一个由许多个体组成的物种来说，在进化过程中产生的突变还是很多的，其中不乏有利突变，对生物的进化有重要意义。

2.3论证式教学，培养质疑能力

主张：基因突变可发生在分裂的细胞中，DNA复制时易发生基因突变。只有问期才能发生基因突变。

质疑：基因突变只发生在细胞分裂的間期？

解释：基因只要发生解旋，基因（DNA）分子就会处于不稳定阶段，极易发生突变，而DNA解旋发生在DNA复制阶段（即问期）和转录阶段，而后者细胞几乎每时每刻都在进行而不停止。只不过问期解旋的DNA分子量比其他时期大，基因突变的可能性更大。基因突变通常发生在DNA复制时期，即细胞分裂间期。

支持：研究发现，在37℃条件下培养一个哺乳动物细胞20 h，会有数以千计的嘌呤通过脱嘌呤作用自发地脱落；现己知道，在玉米、果蝇等生物中发生的一些典型突变就是由于可移动DNA序列转座因子的插入所引起的。

结论：基因突变发生在细胞的各个时期。

3概念模型的建构——概念教学的新策略

通过视频、资料分析，学生自主构建微概念模型。

3.1教师播放视频，学生构建基因突变原因的微概念模型

教师播放以下几则视频：

（1）福岛辐射致18%的蝴蝶发生基因突变，翅膀变小眼睛受损。

（2）广州日报报道，长期吃剩菜剩饭，一家三口患癌症。

（3）科学工作者在有些动物的癌细胞中发现了病毒颗粒。近几年来研究也己证明某些病毒的遗传物质能影响宿主细胞的DNA。

在学生观看视频后，教师引导学生构建如图1所示的微概念模型。

3.2教师引导学生分析资料，促进学生构建基因突变特点的微概念模型

教师提供以下资料：

资料1：图片展示白化苗、白化孔雀、多指、并指等。

资料2：基因突变可发生在个体发育的任何时期、在细胞内不同DNA、在同一DNA分子的不同部位。

资料3：A与a1、a2、a3之间的相互突变，构建基因之间相互突变的模型图。

资料4：在人教版必修2 P116第四段提到“我们知道，生物自发突变的频率很低，而且突变（包括基因突变和染色体变异）大多是有害的”。

教师引导学生总结基因突变的特点：普遍性、随机性、不定向性、低频性、多害少利性。学生构建出基因突变特点的微概念模型。

教师引导学生从现象到概念，从宏观到微观来归纳总结出基因突变的概念。教师摒弃讲解加例子的传统概念教学模式，基于科学思维下的概念教学，大大提高了学生的思维品质，学生不仅收获知识，更重要的是提高了生物学核心素养。