基于信息观的高中生物学单元教学

于相梅　张健

［摘 要］單元教学是落实生物学学科核心素养的有效途径。文章以“遗传信息的传递和表达”单元为例，从构建单元概念关系图、制订单元学习目标、实施任务驱动、落实单元评价四个方面阐述基于信息观的高中生物学单元教学的实施策略，旨在为一线教师实施生物学单元教学、培养学生的信息观、发展学生的生物学学科核心素养提供借鉴。

［关键词］信息观；高中生物学；单元教学；遗传信息；传递；表达

［中图分类号］    G633.91        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）14-0079-03

生命的信息观是重要的生命观念。生命是物质、能量和信息的统一体，信息传递在生物的生长、繁殖和进化过程中有着重要的作用。学生对生命信息本质的认识，有利于他们进一步理解生命多样性和统一性的辩证关系［1］。在传统教学中，教学内容的组织形式较为割裂、零散，不利于培养学生的学科核心素养。而单元教学“长时段”整体筹划学科教学，注重学科整体组织化、结构化知识的建构［2］。单元教学是落实生物学学科核心素养的有效途径。本文以“遗传信息的传递与表达”单元为例，阐述基于信息观的高中生物学单元教学的策略。

一、明确单元主题，构建单元概念关系图

“遗传信息的传递和表达”单元属于必修模块2的内容，指向大概念3“遗传信息控制生物性状，并代代相传”及重要概念“亲代传递给子代的遗传信息主要编码在DNA分子上”。本单元包含“基因的本质”和“基因的表达”两部分内容，是在学习遗传的细胞基础之后，从分子水平上对基因的本质及作用进行深入研究，凸显了基因水平上的生命信息观。本单元的概念关系如图1所示。

二、立足实际学情，制订单元学习目标

素养导向下的学习目标能够明确学生学习预期达到的结果，它是教师课堂教学的“导向标”，能够引领教师开展教学活动，锚定教学方向。核心素养的表现性要求递进式地划分至单元学习目标中，而后将其分解为课时学习目标，使得课时学习之间结构清晰、互为支撑，为单元整体学习搭建支架。

学生通过前期生物学课程的学习，已经能够从结构与功能相适应的角度解释蛋白质、核酸等分子的结构组成与功能特性，能够阐明细胞执行各项生命活动的物质基础；能够认识到生命活动中贯穿着物质与能量的变化，但不能从本质上阐释遗传物质所具有的结构特征及遗传信息传递和表达的延续过程。因此，本单元的教学要在学生已有物质与能量观的基础上，进一步引导学生从分子水平上理解生命的信息观，体会遗传信息的传递在生命延续过程中的重要意义，逐步认识到生命是物质、能量和信息的统一体。

结合以上分析，依据课程标准及核心素养的培养要求，我们制订了如下的单元学习目标：

（1）能够通过对经典科学实验的分析和DNA双螺旋结构模型的建构，阐明DNA是主要的遗传物质；能够运用结构与功能观阐述DNA分子作为遗传物质所具有的结构特征。（2）能够基于DNA复制方式的多种假说，运用假说—演绎法探究DNA的复制方式，概述DNA分子的半保留复制，进一步理解遗传信息稳定传递的基础。（3）能够基于科学实验证据和图文资料，概述遗传信息的表达过程，并从信息传递的角度凝练、概括中心法则，认同“生命是物质、能量和信息的统一体”这一观念。（4）能够通过实例分析，阐述基因及其表达产物蛋白质与性状的关系，说明细胞分化是基因选择性表达的结果；能够概述某些基因中碱基序列不变但基因表达和表型发生变化的表观遗传现象，进一步理解生命的独特性与复杂性。（5）能够通过资料查找与实例分析，体会环境和不良生活方式对遗传信息的传递和表达的影响，进一步认识遗传信息的表达调控对生命体的重要性，形成健康文明生活的意识。

三、实施任务驱动，培养生命的信息观

单元教学需要真实性情境的引领和贯穿，基于发展性任务的真实性情境是实现情境价值最大化的途径之一［3］。在单元教学中，教师可设置与真实性情境相关的挑战性学习任务，以驱动学生解决问题，达成单元学习目标。挑战性学习任务要以单元学习目标为导向，体现整体性、自主性和进阶性。因此，本单元利用教材中“转基因抗虫棉”这一真实情境创设挑战性学习任务，驱动学生开展探究活动及解决问题，进而理解遗传信息的控制和调节作用，逐步建构概念，培养生命的信息观。

（一）任务1：棉花、苏云金杆菌的遗传物质及其结构（3课时）

需要解决的问题：成功向棉花中导入苏云金杆菌抗虫基因的生物学基础是什么？

活动1：概述DNA是主要的遗传物质。苏云金杆菌抗虫基因为什么能导入普通棉花？两者的遗传物质是什么。针对这两个问题，教师展示遗传物质的早期推测资料，学生通过资料分析，思考遗传物质应具有的结构特点，分析如何鉴定两者的遗传物质。教师引入科学史，学生沿着科学家的探索历程分析实验设计思路和实验现象，初步建构“DNA是遗传物质”的概念，理解培育转基因抗虫棉的遗传学基础。教师进一步提问：“所有生物的遗传物质都是DNA吗？”学生结合教材内容完善“DNA是主要的遗传物质”这一概念，进一步认识生命的物质性。

活动2：构建DNA的双螺旋结构模型。DNA拥有怎样的结构才可成为多数生物的遗传物质，并储存大量的遗传信息呢？针对此问题，教师逐步呈现沃森和克里克DNA双螺旋结构的发现史，学生通过小组讨论、合作交流，从“点—线—面—空间”的逻辑层次构建DNA分子结构模型，加深对DNA分子结构的认识，培养严谨的逻辑思维。在此基础上，教师引导学生分析DNA分子的结构特点，领会其蕴含大量遗传信息的结构基础，深化结构与功能观。

（二）任务2：棉花、苏云金杆菌遗传信息的传递（2课时）

需要解决的问题：为什么外源抗虫基因必须整合到棉花的DNA上才能发挥作用？

活动1：探究DNA的半保留复制。整合抗虫基因的棉花基因如何将“抗虫”信息传递给子代？DNA上携带的遗传信息如何传递？针对这两个问题，教师呈现沃森和克里克论文中对DNA复制的推测，学生结合假说演绎、推理等不同方式建构子代DNA的模型。在教师的启发下，学生利用同位素标记法探究DNA的复制方式，推测可能出现的条带类型，并结合梅塞尔森和斯塔尔的实验证据，得出DNA半保留复制的结论。教师播放视频，引导学生理解DNA复制的动态过程，领悟DNA准确复制是遗传信息稳定传递的基础。

活动2：探讨基因与DNA的关系。导入棉花中的抗虫基因是苏云金杆菌的整个DNA分子吗？针对此问题，教师呈现苏云金杆菌DNA的资料，引发认知冲突，使学生深层次思考基因与DNA的关系。教师呈现教材资料，学生通过小组讨论，归纳概括出基因与DNA的关系，即基因是具有遗传效应的DNA片段。

（三）任务3：抗虫蛋白基因的表达（2课时）

需要解决的问题：为什么导入棉花中的抗虫基因能得到抗虫蛋白并使棉花产生抗虫性？

活动1：探析基因指导蛋白质的合成过程。苏云金杆菌的抗虫基因为什么会在棉花体内得到抗虫蛋白？抗虫基因中的遗传信息如何指导抗虫蛋白质的合成？针对这两个问题，教师引导学生思考基因与蛋白质的位置关系，以位置冲突引入信使物质RNA，将问题细化为：抗虫基因储存的遗传信息如何传递给RNA？RNA中的遗传信息在细胞质中如何解读成蛋白质？

教师播放DNA转录过程的动画，引导学生类比DNA复制过程，运用概念图阐述遗传信息的转录过程，从而培养学生分析与综合、归纳与类比的能力。教师首先利用碱基与氨基酸之间的对应关系、密码子表、“搬运工”tRNA等相关资料，引导学生分析细胞解读mRNA遗传信息的物质基础，认识生物界的统一性；然后播放DNA翻译过程的动画，让学生完善概念图并阐明遗传信息的翻译过程；最后引导学生提炼概念：DNA分子上的遗传信息通过RNA指导蛋白质的合成。

活动2：构建中心法则图解。生物界还存在其他的遗传信息传递方式吗？针对此问题，教师呈现新冠病毒、艾滋病病毒等的相关资料，引导学生分析这些病毒的遗传信息传递过程，构建中心法则图解，阐明在遗传信息的流动过程中物质是信息的载体，能量为信息流动提供能量，进而培养学生的物质观、能量观和信息观。

（四）任务4：抗虫蛋白基因表达与抗虫性状的关系（2课时）

需要解决的问题：遗传信息的传递和表达对抗虫棉乃至生物体的重要意义是什么？

活动1：剖析基因表达与生物性状的关系。抗虫蛋白基因表达与抗虫性状有什么关系？针对这一问题，教师提供“抗虫棉不同生长发育时期和相同生长发育时期不同器官的抗虫蛋白基因表达量和抗虫性表现”资料，引导学生结合教材中的“圆皱粒豌豆”“白化病”等资料，阐释基因通过控制其表达产物直接或间接控制生物性状，进一步分析阐明细胞分化的本质是基因的选择性表达，即基因表达受到调控。那抗虫蛋白基因如何实现选择性表达呢？针对这一问题，教师提供“抗虫蛋白基因内部启动子甲基化”资料，引导学生结合教材资料进一步分析建构表观遗传的概念。

活动2：论证基因表达与人类健康。课前，学生进行资料查找，搜集环境和不良生活方式对遗传信息传递和表达的影响的案例；课上，学生通过小组汇报、展示交流等方式，从遗传信息的传递和表达的角度分析遗传现象，进一步认识遗传信息的重要性，深化生命的本质观；课后，学生根据所选案例，从遗传信息传递和表达的角度向家人、亲友宣传不良生活方式的危害，在这个过程中学生应用信息观参与到社会议题的讨论，提高了自身分析和解决问题的能力。

四、落实单元评价，测评生命的信息观

单元教学重视对学生的学习评价，主要评测学生对学习主题的理解、学习目标的达成和学习活动的参与［4］。依据单元学习目标，可制订如下单元评价目标：（1）在学习“DNA是主要的遗传物质及其结构”时，能够通过科学史资料分析、阐述DNA作为主要的遗传物质所具有的结构特征；（2）在学习“DNA的半保留复制”时，能够运用“假说—演绎法”以图示的形式分析实验结果，从遗传信息传递的角度概述DNA分子的复制过程；（3）在学完“基因指导蛋白质的合成”后，能够以概念图的形式阐明遗传信息的转录和翻译过程，从信息传递的角度概括中心法则；（4）在学完“基因表达与性状的关系”后，能够通过资料查阅、小组合作等方式举例说明环境和不良生活方式对遗传信息传递和表达的影响，进而运用信息观解释生活中的遗传学现象，理解生命的本质。

本單元的教学思路为从“转基因抗虫棉体内抗虫基因的传递和表达”情境中总结概括出遗传信息传递和表达的一般规律，培养学生的信息观。观念的形成依托概念的建构。因此，教师应以不同层级的概念为锚定点，依据学生在不同层级概念间的具体表现，判断学生对概念的理解水平，诊断学生观念的培养情况。例如，在DNA双螺旋模型建构过程中，通过小组展示、对比交流，学生逐步发现问题，建构出科学美观的DNA双螺旋结构，这既是对活动成果的评价，也是对学生合作、表达等综合能力的评价。在探究抗虫基因表达和抗虫性状的关系任务中，学生搜集影响遗传信息传递和表达的案例，通过汇报展示、社区宣传，从遗传信息的角度认识生命现象，既是对单元概念的应用，也是对学生的信息观发展水平的测评。教师构建“遗传信息的传递和表达”单元思维导图，以箭头、文字阐述概念内涵及概念间的联系，考查学生能否基于概念提炼和应用生命的信息观，并以此指导生活实践。

本单元的教学以“转基因抗虫棉”真实性情境为载体，创设单元学习任务，引导学生利用所学知识解决情境问题，建构重要概念，培养信息观。基于信息观的单元教学以学科核心素养的发展为导向，聚焦学科概念的结构化落实，围绕真实的生物学情境设计单元学习任务，以任务驱动学生去解决问题，并贯穿多元化的单元学习评价，最终实现学生信息观的进阶性培养。

［   参   考   文   献   ］

［1］  张秀红.核心素养视域下的生物学观念：内涵、价值、内容体系及教学［J］.课程·教材·教法，2017（9）：91-97.

［2］  周初霞.聚焦生物学重要概念的单元整体教学设计实践研究［J］.生物学教学，2019（4）：7-10.

［3］  丁静.基于发展性任务驱动的生物学教学真实性情境创设［J］.生物学教学，2020（2）：24-26.

［4］  张锋，林静.核心素养视阈下高中生物学单元设计教学策略：以“降低化学反应活化能的酶”为例［J］.中学生物教学，2021（16）：4-7.

（责任编辑 黄春香）

［基金项目］江苏省研究生科研与实践创新计划项目“基于任务驱动的高中生物学大单元教学设计与实践研究”（项目批准号：SJCX22_1207）。

［通信作者］张健（1967— ），男，汉族，江苏人，副教授，研究方向为中学生物学教学研究。