基于问题引领和任务驱动建构核心概念的教学设计——以“基因是有遗传效应的DNA片段”为例

张 祥 刘 玲

(1 江苏省扬中高级中学 扬中 212200; 2 江苏省扬中教师发展中心 扬中 212200)

1 教材分析与设计思路

“基因是有遗传效应的DNA片段”是人教版高中生物学教材必修2第3章第4节内容，主要介绍了基因与DNA的关系以及DNA分子的多样性和特异性。本节内容是在学生学习了DNA是主要的遗传物质以及DNA分子的结构、DNA分子是如何通过复制在上下代之间传递遗传信息等内容的基础上进行的，是对遗传物质本质的再认识。基因、DNA、染色体三者之间关系的深度理解是本节内容的教学重点，理解基因中脱氧核苷酸序列与遗传信息多样性的关系是教学难点。

本节内容教师采用问题和任务驱动引领学生逐步建构概念的教学方式，先是通过给定的资料让学生自主分析、小组内讨论，推断出基因与DNA的关系；再通过DNA分子结构模型的建构，进一步明晰遗传信息与不同基因中碱基排列顺序之间的关系，理解DNA分子的多样性和特异性；最后通过相关概念图的构建，让学生在头脑中清晰地构建基因、DNA、染色体等之间的关系，深刻理解“基因是有遗传效应的DNA片段”这一核心概念。

2 教学目标

根据课程标准的内容要求、学生要求及学业质量标准，并围绕培养学生学科核心素养的要求，制订了如下教学目标：

(1) 通过给定的相关资料，采用分析、比较、讨论、提取等方法，形成基因是有遗传效应的DNA片段、一个DNA上有很多个基因的观念。

(2) 通过动手制作模型，并采用演绎推理等方法，认识到DNA分子中碱基对的排列顺序是千变万化的，这决定了DNA分子的多样性和特异性。在操作实践、交流讨论、引导启发中提高科学思维和科学探究的能力。

(3) 通过了解用DNA指纹技术鉴定罪犯及亲子鉴定、遗传鉴别等内容，感受科学技术在人类社会生活中的应用价值，落实社会责任感的培养。

3 教学过程

3.1 资料分析，交流研讨，推断基因与DNA的关系 教师先播放江苏某化工园区爆炸事故的部分现场图片，部分遇难者的面貌已很难辨认，那如何才能通过现代科技手段来鉴定遇难者的身份呢？只有通过基因和DNA的鉴定才能实现。DNA的结构前面已学习过，那基因到底是什么呢？与DNA是什么关系？基因与DNA都是微观分子，学生缺乏直观的印象与认识。教师不能直接简单地向学生灌输两者之间的关系，可以通过相关事实资料的呈现引导学生通过小组内的交流讨论来解决问题。

资料1： 大肠杆菌细胞的拟核有1个DNA分子，长度约为4 700 000个碱基对，在DNA分子上分布着大约4 400个基因，每个基因的平均长度约为1 000个碱基对。

资料2： 人类基因组计划测定的是24条染色体(22条染色体+X+Y)上的DNA的碱基序列。其中，每条染色体上有一个DNA分子。这24个DNA分子大约有31.6亿个碱基对。其中，构成基因的碱基数占碱基总数的比例不超过2%。

问题引导： 资料1、 2中说明了一个DNA上有多少个基因？基因与DNA在结构上的关系是什么？是否每一段DNA都代表了一个基因？这些问题的回答都需要学生能够善于从资料中提取有效信息，如资料1中的有效信息是： 大肠杆菌拟核DNA上有4 400个基因乘以平均长度1 000个碱基对，基因中的碱基对总数约4 400 000个，小于DNA的4 700 000个碱基对，说明了不是每一段DNA都是基因。这些信息提取与分析能力的培养有利于提高学生的科学思维能力。

资料3： 生长在太平洋西北部的一种海蜇能发出绿色荧光，这是因为海蜇的DNA分子上有一段长度为5170个碱基对的片段——绿色荧光蛋白基因。转基因实验表明，转入了海蜇的绿色荧光蛋白基因的转基因鼠，在紫外线照射下，也能像海蜇一样发绿色荧光。

补充资料： 把绿色荧光蛋白基因用技术手段切成两部分，然后将其中的一部分转移到小鼠体内，结果小鼠在紫外线的照射下不再发出绿色荧光。

资料4： 近来的科学研究发现，小鼠体内的HMGIC基因与肥胖直接相关。具有HMGIC基因缺陷的实验鼠与作为对照的小鼠，吃同样多的高脂肪食物，一段时间后，对照组的小鼠变得十分肥胖，而具有HMGIC基因缺陷的实验鼠体重仍然保持正常。

补充资料： 科学研究发现，从小鼠体内DNA中删除两个大型的非基因片段，每个约100万个碱基对，失去这些DNA片段的小鼠和它们的后代并没有性状变化。

问题引导： ①从两段资料中可以推测基因的功能是什么？小组内可以尝试通过讨论给基因下一定义。②从补充资料中可以看出，基因正常发挥功能的前提条件是什么？

设计意图： 以问题引领驱动学生通过自主学习、交流合作来学会从材料中提取有用信息，资料1、 2侧重于基因结构的分析，资料3、 4侧重于基因功能的分析，这有利于培养学生生命观念中的结构与功能观。

3.2 结合图示，小组协作，建构知识关联 教师展示图1A，让学生在仔细观察图中基因、DNA及染色体三者之间的关系，在小组讨论的基础上，分别试着用自己的话来表述它们的关系。教师同时分别将各个小组提炼出的语句写在黑板上，让学生在自主体悟、小组交流的基础上，分别选出最恰当的词句来表述图1B中的关系。

(A)

(B)

这里，也有部分学生不太了解基因在染色体上呈线性排列的意思，教师需要做适当点拨： 线性排列就像一根项链上的珍珠排列，是串联，不是并联。展示教材中的染色体上的基因图，学生一下就豁然开朗了。

设计意图： 以图形直观呈现基因、DNA、染色体三者关系，作为学生思考问题的重要支撑，让学生自己在思考、推理、探究的基础上形成对概念的深刻理解，这样有利于培养学生基于实证的科学思维与推理的能力。对于概念教学，教师要力戒不做任何铺垫，直接告知学生概念含义。

3.3 建构模型，展示交流，理解遗传信息含义 在教学中安排模型建构的探究活动，让学生在动手操作与思维碰撞中理解脱氧核苷酸序列与遗传信息多样性的关系。

任务1： 各小组利用事先分发的4种脱氧核苷酸模型，合作构建一个含有4个碱基对的基因。

思考： DNA分子结构中的哪一部分，可以储存遗传信息？是磷酸脱氧核糖骨架还是碱基对的排列顺序？

任务2： 各小组根据自己制作的模型，推算由4种脱氧核苷酸构建成的含4个碱基对的基因可能有多少种(每种脱氧核苷酸数量足够)？

提示： 若1个碱基对组成1个基因，有多少种排列方式？若2个碱基对组成1个基因，有多少种排列方式？若3个碱基对组成1个基因，有多少种排列方式？若4个碱基对组成1个基因，有多少种排列方式？拓展： 若n个碱基对组成1个基因，有多少种排列方式？

通过碱基对排列方式的推算，可以让学生深刻认识到DNA中脱氧核苷酸排列顺序的千变万化，从而有利于学生理解自然界中不同生物携带的遗传信息的不同，每个DNA都有自己独特的碱基对排列顺序。

任务3： 研究表明，每个人的DNA都不完全相同，因此DNA也可以像指纹一样用来识别身份，这种方法就是DNA指纹技术。因为每个人的DNA指纹都是独一无二的，所以我们可以根据分析指纹图谱的吻合程度来帮助确认身份。

问题引导： ①根据教材中DNA指纹图谱(图略)可以判断怀疑对象中几号是罪犯？②DNA指纹技术还可以应用于哪些领域？在测定人体染色体DNA时，如果是男性，最好测定哪条染色体上DNA序列？为什么？

设计意图： 让学生动手制作DNA结构模型，并采用小组合作、演绎推理等方法，认识并理解DNA分子的多样性和特异性以及基因中脱氧核苷酸序列与遗传信息多样性的关系。同时结合DNA指纹鉴定技术的应用认识到科学技术在人类社会生活中的应用价值。

3.4 整合知识，建构概念图，明晰基因概念本质 课堂的最后阶段，让学生分小组根据所学内容整理基因及DNA的相关知识，通过概念图的构建来归纳、整理、概括，有利于本节内容中重要概念在学生头脑中的内化与融合。

思维拓展： 基因一定是有遗传效应的DNA片段吗？

设计意图： 概念图的构建有助于帮助学生理清概念知识体系，让学生达到既能巩固知识，又能完善和优化学生原有的认知结构，促进对相关概念的理解，提升教学效果。最后通过思维拓展问题，让学生对基因概念有更全面的认识。

4 教学反思

整个教学过程采用资料分析、模型建构、小组合作、分组展示等方式，每个阶段教师均有明确的问题和任务引领，学生的学习目标明确，参与积极性较高，整个教学过程体现了“学为中心”的教学理念，对培养学生的科学思维、动手能力、合作意识等都有积极的作用。