基于学科本质的高中生物课堂教学*——以《基因是有遗传效应的DNA片段》一节为例

周 韬

一、研究背景

生物学科本质包含两个层面的内涵：一是生物学本质上是一门自然科学；二是生物学具有自身的学科特点，因此中学生物学课程不同于其他自然科学课程，具有独特的特点和不可替代的育人价值[1]。从赵占良老师的观点中，笔者认为最独特的育人价值具体体现在四方面：一是生物学研究的对象独特，是“活物”；二是生物学是开放的、动态的知识体系，相关概念原理可能随着研究进展而进行修正；三是生物学特殊的研究对象——“人”，人既是研究的主体又是研究的客体；四是生物学应用广泛，包括资源利用、医疗卫生、环境保护、农业生产、教学科研等，与人们的日常生活息息相关。在中学生物教学过程中，教师可以将育人价值渗透入课堂教学中，以生物学科本质组织教学，达到培养学生核心素养的目的。本文以人教版高中生物学教材《遗传和进化》第3章第4节《基因是有遗传效应的DNA片段》为例来谈这一问题。

二、基于核心素养的教学目标

(1)通过了解人类基因组计划(Human Genome Project，简称HGP)以及精准医学计划(Precision Medicine Initiative)，了解基因产业作为朝阳产业给人类医疗带来的巨大变革，增加学习生物学的兴趣。

(2)通过资料分析获取信息，归纳概括并自我构建“基因”的概念模型，解释基因的结构和功能的特点，并形成结构与功能相适应的生命观念。

(3)通过图文信息转换列表比较真核生物和原核生物基因组，归纳和概括真核和原核生物基因组的特点，并对人类基因组中97%的“暗序列”即非编码序列的作用提出猜想，培养批判性思维和创造性思维。

(4)通过建立数学模型的方法，分析并探究脱氧核苷酸序列与遗传信息的多样性和特异性，建立由基因多样性形成生物多样性的生物学进化观。

(5)通过构建本节概念图总结核心知识，锻炼学生的逻辑思维能力。

三、教学环节

1.创设情景

HGP于1990年正式启动，是由美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同完成人类全基因组的测序计划，揭开组成人体2.5万个基因的30亿个碱基对的秘密。2015年1月20日，时任美国总统奥巴马在国情咨文演讲中启动精准医疗计划，目的是整合人类基因组和现代医学技术用于治疗癌症、糖尿病、白血病等一些顽疾。

教师以“两个计划”资料进行课堂导入，结合生物前沿知识领域，提高了学生学习生物学的兴趣，增加了学习热情和社会责任感。

2.资料分析建构“基因”概念

在建构“基因”概念时，通过调整课本中的资料顺序，采取任务驱动、问题串和归纳总结的方式，分别从基因大小、基因功能、基因定义3个层次循序渐进引导学生进行分析、交流，最终自我建构基因的概念。

(1)基因的大小

任务一：请学生按课本中资料1和3中的数据列表比较大肠杆菌和人类基因组的差异，并以表格形式展示(见表1)。

表1

任务二：请根据表中的数据进行横向比较并回答问题，基因和DNA在数量上有什么关系？DNA是基因的集合吗？基因在DNA上是如何分布的？

任务三：请根据表中的数据进行纵向比较并回答问题，真核基因组和原核基因组有什么区别？真核生物中的非基因序列是垃圾基因吗？有什么用途？请大胆猜想。

学生通过数据的文图转化训练能有效掌握资料中的重点内容。先横向比较单一物种数据，可以得出基因是DNA片段，DNA中存在大量的非基因片段，因此基因是不连续分布在DNA上的。然后再通过纵向比较大肠杆菌和人类基因组数据，发现真核生物的基因组比原核生物基因组要大，而且真核生物所含的非基因序列远远多于原核生物，并对非基因序列的用途进行大胆猜想。

(2)基因的功能

教师请学生根据课文中资料2和资料4回答问题：HMGIC基因有什么作用？HMGIC基因有什么功能？绿色荧光蛋白基因如何控制生物体的性状？绿色荧光蛋白基因能稳定遗传吗？DNA作为遗传物质体现在哪些方面？

学生按照问题从易到难依次回答：HMGIC基因与小鼠的肥胖有关，HMGIC基因能控制小鼠肥胖的性状。绿色荧光蛋白基因可以控制绿色荧光蛋白质的合成，从而控制生物性状，且能在不同生物中表达，因此基因有遗传效应，并且可以独立起作用。DNA作为遗传物质必须结构稳定，能遗传给下一代。

(3)基因的定义

学生总结上述资料，分析交流，得出基因的概念。基因是有遗传效应的DNA片段。基因是生物体遗传的功能单位和结构单位。

3.探究脱氧核苷酸序列与遗传信息的多样性和特异性

教师通过分析染色体、DNA、基因和脱氧核苷酸的关系，分析得到遗传信息蕴藏在4种碱基的排列顺序之中。针对DNA分子的多样性和特异性，教师设计了相应的情境资料。

情境1：假设长度为1 000个碱基对的脱氧核苷酸序列组成一个控制脸型基因，那么，1 000个碱基对可以排出多少种基因？

情境2：截至2016年，全球人口接近73亿。假设人类基因组中第1号染色体的第1个基因是由1 000个碱基对随机排列构成的，那么1 000个碱基对所有排列是否都有机会出现？你和同桌脸型相同的可能性是多少？

学生通过情境1的数据处理、数据分析，得出控制脸型的基因有41 000种可能，因此不同个体的脸型相同的概率是4～1 000，而且不是所有排列都有机会出现，必须要能通过转录和翻译表现出性状，从而加深了对DNA分子的多样性和特异性的理解。

4.构建基因概念图 归纳总结本节知识

通过本节课的学习，学生绘制概念图，进行小组交流讨论、补充完善，最后班级分享展示。学生作品如图1所示。

图1

四、教学策略和反思

1.创设情境

通过对HGP以及精准医学计划的介绍，有效地激发了学生的学习兴趣，并顺理成章地引导学生对基因进行深思，为课堂教学作了很好的铺垫。

2.概念模型建构

通过资料分析让学生自主建构“基因”概念，并完成本节内容概念图的构建。通过对课文中4个资料的学习、分析，学生体验了认识自然规律、现象的特殊思维过程及探究方式，同时训练了辩证逻辑思维、整体性思维和复杂性思维。在形成概念的同时，学生也充分理解到生物知识体系是开放的、动态的，很多概念正在不断修正中，如人类基因组从开始提出由3.5～4万个到现在约2.5万个基因。对于97%的非编码序列的作用的猜想也有助于发挥学生的创造性思维并增加学习生物学的历史使命感。

3.数学模型建构

在探究遗传信息的多样性活动中，学生通过模拟DNA结构模型建立了数学模型，加深了对DNA多样性、特异性的理解。在该环节学习过程中，学生在锻炼逻辑思维的同时形成了进化思想的生命观念。

五、结语

从以上几方面，在基于学科本质的高中生物课堂教学中，教学内容更加充实，教学形式更加多样，教学策略更加丰富，核心素养培养更加具体，生物学育人价值体现得更加淋漓尽致，不可替代。