核心素养在中学生物课堂的培育——以“基因突变”一节的教学为例

刘 刚 （江苏省句容高级中学 江苏镇江 212400）

《普通高中生物学课程标准（2017版）》（以下简称“课程标准”）将生物学学科核心素养凝练为：生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。高中生物课程改革的深入进行将以促进学生核心素养发展为目标，内容聚焦大概念是课程标准基本理念之一。“遗传信息控制生物性状，并代代相传”是“遗传与进化”模块中的一个大概念，基因突变是该大概念中的一个重要概念，其内涵与外延的知识较为复杂。承前，与DNA的分子结构、基因的概念、基因的复制与表达密切相关；启后，则与加深认识可遗传变异的实质与类型，理解遗传育种的操作原理和人类遗传病的预防，有紧密的联系。教师抓住“镰刀型细胞贫血症”的实例，从红细胞的变异到血红蛋白的改变，再到DNA结构的改变的根源探索，可使学生进一步学会从现象到本质的认识的事物方法。学生在案例分析、模型构建等认知过程中，逐步完成对“基因突变”概念的认知。因此，本节课的教学可充分体现生物学学科核心素养的价值。

1 案例分析，发展科学思维

课程标准对“科学思维”的界定是：尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，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。

教师呈现案例1：1910年，一个黑人青年到医院看病，检查发现他患的是当时人们尚未认识的一种特殊的贫血症，他的红细胞不是正常的中央微凹圆饼状，而是弯曲的镰刀状。1949年，美国化学家鲍林，将正常人、镰刀型细胞贫血症患者和镰刀型细胞贫血症基因携带者的血红蛋白分别电泳，发现二者电泳图谱明显不同，说明镰刀型细胞贫血症是由于血红蛋白分子的缺陷造成的。教师投影展示正常红细胞和镰刀型红细胞图片和这两种蛋白质的部分氨基酸序列图（图1）。

缬氨酸—组氨酸—亮氨酸—苏氨酸—脯氨酸—谷氨酸—谷氨酸—赖氨酸……… 正常

缬氨酸—组氨酸—亮氨酸—苏氨酸—脯氨酸—缬氨酸—谷氨酸—赖氨酸……… 异常

图1 镰刀型细胞贫血症患者细胞中DNA的突变示意图

教师根据氨基酸分析结果，设置问题链：图中哪一个氨基酸发生了改变？肽链中的氨基酸序列是由什么决定的呢？密码子的碱基排列顺序又是由什么决定的？DNA如何控制蛋白质合成的？

学生回忆转录、翻译的相关内容及查阅密码子表，完成图解，分析镰刀形细胞贫血症的病因。

教师创设情境，激发学生的思维兴趣；学生基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理等方法来探讨、阐释生命现象及规律，很好地发展了自身的科学思维。

教师呈现案例2：资料一：1935年，美国科学家联合英国科学家在非洲大陆对11 270种植物进行了检查，结果发现在过去的7年间，98.7%的植物都曾发生过突变；但就其中任何一种植物而言，在自然状态下，发生一次变异的机率为1/1 988。

资料二：果蝇的眼色类型及控制基因示意图（图2）。

图2 果蝇的眼色类型示意图

资料三：植物在幼苗期可能发生基因突变，引起整个植株变异；幼芽时期也可能发生基因突变，引起枝条变异；花芽时期也可能发生基因突变，引起一朵花表现出变异。

资料四：绝大多数的人类遗传病都是由基因突变造成的，这些病对人类健康构成了严重威胁。镰刀型细胞贫血症就是一种这样的遗传病，患者（aa）不到成年就会死亡。可见，这种突变基因在自然选择的压力下容易被淘汰。可是在非洲疟疾流行的地区，发现镰刀型细胞杂合基因型（Aa）对疟疾的感染率，比正常人（AA）低得多。因此，在疟疾流行的地区，不利的镰刀型细胞基因突变可有利于防止疟疾的流行。

教师通过展示科学资料，引导学生探讨基因突变的特点（普遍性、随机性、不定向性等），理解生命现象及规律，锻炼了学生归纳和概括、批判性思维等能力，使学生形成良好的科学思维习惯。

2 模型构建，引导科学探究

课程标准对“科学探究”的界定是：能够发现现实世界中的生物学问题，针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及对结果的交流与讨论的能力。为了深度理解“基因突变”这一重要概念，教师设置了模型构建活动，实现了学生的“做中学”。

教师用磁性纸做基因模型，将已知编码蛋白质的DNA碱基序列贴在白板上：

…G C G A G C C T G G A T…

…C G C T C G G A C C T A…

学生在白板上演示碱基对缺失、增添过程，得出结论：DNA分子中发生碱基对的替换、增添和缺失，都可引起基因结构的改变。

学生探究碱基对的替换、增添和缺失，对氨基酸序列的影响是否一样。

教师给每个小组准备一张白板，白板上贴好基因、mRNA及氨基酸序列模型（图3），要求学生比较改变后的基因所翻译的氨基酸序列有何变化，并提示：①第六个碱基对G-C被碱基对C-G（或A-T）所替换；②第六个碱基对G-C缺失；③第六、七个碱基对之间插入1个（或2个或3个）碱基对C-G；学生也可以创造性改变其他的位点的碱基对序列。

图3 教师准备的模式示意图

学生活动后，得出相关结论：DNA分子的碱基对改变不一定引起生物性状改变；一般情况下，DNA分子中缺失（增加）1个或2个碱基对比缺失（增加）3个碱基对的影响大；以上情况的改变有可能会导致肽链的延长或缩短。

师生共同建构出基因突变的概念：由于DNA分子中发生碱基对的替换、增添和缺失，而引起的基因结构的改变，就叫做基因突变。

学生亲自体验了基因结构改变的一系列模拟探究活动，相互合作探讨构建出“基因突变”这一重要概念，并领会了基因突变概念的内涵与外延。学生在模型构建过程中，思维相互碰撞，逐步增强了对自然现象的好奇心和求知欲，从而培养了学生的观察能力和比较能力，增强了学生间的合作交流能力。

3 联系实际，肩负社会责任

课程标准对“社会责任”的界定是：基于生物学的认识，参与个人与社会事务的讨论，作出理性解释和判断，解决生产生活问题的担当和能力。

教师在课前简要说明部分恶性肿瘤的发生和基因突变有关，然后让学生搜集恶性肿瘤实例及防治方面的资料，分析讨论生活中会导致细胞癌变因素的。

学生展示实例并讨论：

①青少年不宜长时间使用手机，防止手机辐射对大脑等器官发育的影响。

②臭氧层破坏导致皮肤癌患者增多。

③切尔诺贝利核电站核物质外泄，诱发产生了众多白血病患者。

④临床医学证明，80%的肝癌患者患病的诱因，是乙肝病毒的传播。

⑤扬州一家三口，从2017年下半年起，相继被查出癌症，收治他们的医院专家分析认为，病因与全家人长期吃剩菜剩饭和霉变的食物有关。

⑥近几年肺癌的发生率日趋增加，可能与吸入烟草燃烧的烟雾、工厂的煤烟、汽车尾气等有关。

学生归纳：诱发基因突变因素有物理因素（如紫外线、X射线及其他辐射等）；化学因素（如亚硝酸、碱基类似物等能改变核酸的碱基）；生物因素（如某些病毒的遗传物质能影响宿主细胞的DNA）。当没有这些外来因素影响时，基因还可自发突变：DNA分子复制时偶尔出错，DNA的碱基组成发生改变。

学生联系日常的生活实际去揭示生物科学本质，将会更好地解决生产生活中的生物学问题。这样可以激发学生对细胞癌变（基因突变）的关注，使学生确立积极的生活态度和健康的生活方式，学会珍爱生命并保护好环境。学生能运用科学的知识和原理，解决日常生活中的实际问题，从而实现生物学的学科育人价值。

4 逐渐渗透，形成生命观念

课程标准对“生命观念”的界定是：对观察到的生命现象及相互关系或特性进行解释后的抽象，是人们经过实证后的观点，是能够理解或解释生物学相关事件和现象的意识、观念和思想方法。教师以镰刀型细胞贫血症为例，启发学生讨论相关问题，如本节知识中的哪些内容体现了结构与功能相适应的观点，从而引导学生从蛋白质、mRNA、DNA角度层层深入分析该病的发病机制，初步明确基因序列的改变有可能导致所编码的蛋白质及相应的细胞功能发生变化，从而树立结构和功能相适应的生命观念。

教师呈现资料：英国曼彻斯特地区的桦尺蠖在19世纪中叶以前，体色几乎都是浅色（SS、Ss）的，黑色的个体（ss）很少。因为黑色的桦尺蠖在长满地衣的树干上很容易被天敌发现而被捕食，很难存活。在20世纪中叶，由于英国工业发展较快，工厂排出的煤烟杀死了地衣，并将树干熏成黑褐色。在这种情况下，黑色的变异反而成为有利性状而被保留下来，黑色桦尺蠖就成了常见类型。

师生共同分析资料，发现：基因突变是不定向的，有的是有利变异、有的是不利变异，也有的是无义变异，但可以为进化提供原材料，变异是否有利取决于什么因素?（学生回答：环境条件）这说明与环境相适应的变异容易保留下来，在多变的环境中，变异类型多的生物容易保留下来，体现了进化与适应的观点。教师引导学生分析资料，将基因突变与进化相挂钩，从而归纳出基因突变的意义，有利于学生运用已有的知识和逻辑对生物学议题进行思考、感悟，从而树立进化与适应观这一生命观念。

总之，生物学学科核心素养在课堂教学中的实施要结合具体教学内容来进行，核心素养的四个方面在每节课中可能有所侧重，也可能某节课的内容没有包含这四个方面。对于一节课中的某个知识点而言，可能涉及一个或多个方面，但教师要关注其中主要体现的是哪一方面的核心素养，并不需要面面俱到。因此，在课堂教学中培养学生核心素养的过程中，教师应该结合具体内容有重点、有选择地进行，才能将核心素养在课堂教学中落到实处。