基于情境教学的学科思维培养——以“基因与性状的关系”为例

四川 黄 霞

(作者单位：四川省成都市龙泉中学校)

教师让学生们分析考试为什么失利时，学生们常说：“老师讲的都听得懂，但每次考试就是会出现这里没想到、那里没看到的现象，不知道为什么”，出现这种“一讲都懂，一做就错”的现象是由于学科思维训练不够，主要体现在：①学生对大多数生物学基础知识(生物学概念、原理、重要的生理过程等)的了解停留在表面而缺乏更深入的思考、分析和理解，对知识的追问不够；②学生掌握的知识零散而未形成体系，对知识的归纳、总结不够。

在高三的复习教学中笔者发现，细胞生命历程中基因的选择性表达、基因与性状的关系、个体发育与基因程序性表达的关系等知识比较抽象，学生理解起来存在困难。教师在复习课中进行“基因与性状的关系”专题复习，能将高中生物学必修教材中的大量知识串联起来，对于帮助学生认识个体发育、理解遗传变异和进化具有极其重要的意义。如果简单地让学生在书中勾画、记背相关内容，学生复习后做题就会出现“一讲都懂，一做就错”的现象。通过对《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称《课程标准》)的研究，笔者认为运用图示教学(模型)的方法引导学生构建“基因与性状的关系”知识体系，运用情境和问题教学的方法引导学生深入分析、理解“基因与性状的关系”能让学生对知识的理解不停留在浅表。

一、确定具体教学内容和教学目标

笔者先将教材相关内容(主要在人教版高中生物学必修2第4章第2节“基因对性状的控制”)进行梳理、汇总和分析，结果如下：“基因与性状的关系”核心内容是“基因通过控制蛋白质的合成来控制性状”，即基因表达(其中转录和翻译的具体过程不是本节课复习的要点)，此处可以引导学生构建模型进而理解基因、蛋白质与性状的关系。要进一步帮助学生理解基因与性状的关系，还需要围绕这个核心内容进一步铺展开来，教材中提出基因控制性状有直接和间接两种方式；基因与基因、基因与基因产物、基因与环境之间存在着复杂的相互作用，这种相互作用形成错综复杂的网络精细地调控着生物体的性状；个体的发育；基因与性状的关系并不都是简单的线性关系等知识内容，以上内容都可以看作是围绕核心内容展开的。教师可以运用植物个体发育过程中的激素含量变化等情境，结合一系列问题引导学生将这些知识点逐一突破。在把以上内容梳理清楚之后，教师再要求学生以概念图或思维导图的形式总结“基因与性状的关系”，构建知识体系，从而进一步培养学生的模型思维能力。本节课的教学目标如下：

①通过梳理并构建基因控制性状的概念模型，理解基因、蛋白质和性状的关系，进一步认同结构与功能相统一的观念(科学思维、生命观念)；

②通过对背景材料的分析和问题的讨论交流，梳理基因表达的特点、影响基因表达的因素及基因与性状之间的数量关系，提升分析问题、解决问题的能力(科学思维)；

③通过构建“基因与性状的关系”的概念模型，形成知识体系，提升归纳与概括能力(科学思维)。

二、教学过程

导入：教师直接提出课题，然后请学生观看视频(荧光蛋白的产生和应用)，明确基因通过控制蛋白质的合成来控制性状的具体过程。请学生按要求完成活动1。

活动1：请用下列概念构建“基因控制性状”的概念模型。

概念：DNA(或基因)、mRNA、蛋白质、脱氧核苷酸序列、核糖核苷酸序列、氨基酸序列、遗传信息、遗传密码、遗传性状

参考模型：

图1

说明：学生完成概念模型的构建之后，紧接着让学生们进行展示交流，对模型进行说明。然后教师提出问题串：基因控制性状的方式具体有哪些？基因的表达具有什么特点？影响基因表达的因素有哪些？基因与性状之间有怎样的数量关系？请学生带着这些问题按要求完成活动2。

活动2：分小组进行材料分析、讨论和交流。

材料1：生长素的主要合成部位是芽、幼嫩的叶和发育中的种子。在这些部位，色氨酸经过一系列反应可转变成生长素。图2是苹果不同发育时期各种激素的含量变化。已知生长素能促进果实发育，乙烯能促进果实成熟，脱落酸能促进果实脱落。

图2

材料2：同一株水毛茛裸露在空气中的叶和浸在水中的叶表现出两种不同的形态。

材料3：藏报春花的花色表现为白色(只含白色素)和黄色(含黄色锦葵色素)，由两对等位基因(A/a和B/b)共同控制。图3是黄色锦葵色素的合成示意图。

图3

1.根据材料1中生长素的合成过程，推测基因如何控制性状，请说明理由。结合教材，归纳基因控制性状的方式有哪几种，请举例。

参考答案：生长素的合成过程属于基因通过控制酶的合成来控制代谢过程，进而间接控制生物性状。理由为生长素是色氨酸经过一系列反应转变而成，而这些反应由酶催化，酶是由基因控制合成的。基因还能通过控制蛋白质的结构来直接控制生物性状。例如基因控制血红蛋白的合成直接影响红细胞的形态。

2.根据材料1中生长素的合成部位，推测基因的表达与生物体不同的组织器官有什么关系，请说出理由。

参考答案：不同的组织器官中基因选择性表达(遗传信息的执行情况不同)。理由为由材料信息可知，激素只在部分细胞(组织器官)中产生，相应的酶也只存在于这些细胞中，因此相应的基因也就只在这些细胞中才能表达。

3.根据图2中不同激素的含量变化，推测各种基因的表达与个体发育的时期有什么关系，请说出理由。

参考答案：个体发育过程，实质上就是基因组在一定的时间和空间上程序性表达的过程。理由为各种激素是由相应的基因控制合成相关的酶催化一定的化学反应而产生的，据图2可知发育的不同阶段产生的激素种类有差异，因此不同阶段需要的酶有差异，表达的基因也有差异。

4.根据材料2分析，两种形态叶的细胞基因组成是否相同？为什么？同一植株两种形态叶出现的原因是什么？这能说明什么？

参考答案：两种叶细胞基因组成相同，因为同一个体的所有体细胞都由同一个受精卵细胞分裂分化而成，该过程中遗传物质不发生改变。同一植株两种形态叶出现的原因是环境不同，说明环境能通过影响基因的表达从而影响生物性状。

5.基因产物是否会影响基因的表达？请举例说明。结合问题3、问题4进一步思考：环境、植物激素、基因表达与生物性状之间有怎样的关系？

参考答案：基因产物会影响基因的表达。例如基因表达产生的酶调控生长素的合成，而生长素作用于相应的靶细胞引起相关的生理活动变化，如靶细胞内某些基因的表达，最终促进该细胞的伸长生长。进一步可以概括环境、植物激素、基因表达与生物性状的关系为图4所示。

图4

于是，可以这样描述一些自然现象：环境因子引起相关植物激素的合成变化，从而调控基因组的表达，使得桃花在每年三月左右盛开。或环境因子引起基因组的程序性表达从而调控相关植物激素的合成，使得苹果逐渐发育、成熟直到脱落。

6.根据材料1中生长素的合成过程，推测基因与性状之间有怎样的数量关系？请说明理由。搜集资料归纳除此之外基因与性状之间还有哪些数量关系。

参考答案：多种基因共同决定一种生物性状。理由为生长素是色氨酸经过一系列反应转变而成，这些反应由多种酶催化，而每种酶是由不同的基因控制合成的。除此之外基因与性状之间还有一种基因决定一种性状、一种基因影响多种性状等数量关系。

7.根据图3分析判断基因互作(基因与基因之间相互作用)是否会影响生物性状，请说明理由。

参考答案：基因互作会影响生物性状。理由为从图3中可以看出，A基因控制合成的酶可以催化产生黄色锦葵色素，但B基因能抑制A基因表达，最终导致黄色锦葵色素不能产生，即基因互作影响了基因的表达。

说明：活动2由学生分小组讨论完成然后进行交流，师生点评纠错，既训练了学生的语言组织和表达能力，又训练了学生的原因类问题的解答技能，达成学科思维能力培养的目的。在问题3之后，还可以根据植物的个体发育过程类比推理人的生长发育过程也是基因组在一定的时间和空间程序性表达的过程，进而明确后天的经历对人一生的性状表现有极大的影响，其在学生学习方面表现为后天的努力是能改变学习状况的。在问题5之后教师还可以继续追问以强化学生的问题意识，拓展思维，如：基因产物有哪些？是否都会对基因表达有影响？请举例。在问题7之后教师还可以追问除了非等位基因之间的基因互作，等位基因之间是否也存在基因互作？请举例。在完成以上材料分析和问题讨论交流的过程中，教师可以板书本节课的一些关键词：基因与性状的关系、基因表达、基因与性状的数量关系、基因互作、基因产物、环境、基因选择性表达、基因组程序性表达等，以便学生完成活动3。

活动3：根据活动2梳理的关键词，归纳并构建“基因与性状的关系”知识体系(图5)。

图5

参考模型：

说明：此环节应给足学生时间思考与讨论，力求每一个学生都构建出自己理解的模型，进行展示、交流、说明小组建模原因，并在学生的展示、交流结束后将该模型挖空让学生填写，进一步巩固加深印象。为了让学生的思维得到进一步拓展，并与之前所学的遗传知识关联起来，教师还可留给学生以下课后拓展题。

课后拓展：豌豆种子子叶颜色有黄色和绿色，种子形状有圆粒和皱粒，分别由等位基因Y/y和R/r控制，豌豆茎的高矮由等位基因D/d控制。假设某豌豆植株基因型为YyRrDd，表现型为黄色圆粒高茎，请问该豌豆植株的根尖细胞中是否具有这三对等位基因？这三种性状是否在豌豆植物发育的同一时期表现出来？预计这三对等位基因应在豌豆植株发育的什么时期、什么细胞中表达？

说明：在复习单倍体育种时，笔者遇到一个现象，学生认为在花药离体培养形成单倍体后先筛选出要培育的品种再进行秋水仙素处理，理由是对所有的单倍体做秋水仙素处理增加了工作量，而且也造成浪费。但却忽略了一个事实，植株的各种性状并不会在幼苗时期全部出现，例如茎的高矮、种皮颜色、花色等在幼苗时期是无法筛选的。设计此课后思维拓展题，目的在于引导学生进一步思考基因的选择性表达和基因组的程序性表达问题。

三、反思总结

通过大量材料的分析和问题串的解答，学生对知识的理解不会再停留于表面；通过各种模型的建构，学生能将零散的知识归纳整理形成体系。情境材料的选择可以源自教材、可以源自练过的题、可以源自生活实践，学生通过分析情境材料可以训练自己解决问题的能力，“设置情境、问题引领、任务推进、针对训练”是复习阶段的主要教学流程。