渗透社会责任教育的遗传学实验教学

摘要：以“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”为主题，围绕中国杂交水稻的培育历程和发展，呈现科学家们遗传学设计的过程，渗透社会责任教育和家国情怀。让学生了解以袁隆平为首的科学家们的功绩，以理解遗传学实验的设计，体会杂交水稻培育之艰辛，体现了科学家爱国、敬业和奉献精神；明白杂交水稻对世界之影响，以此告慰前辈，引导学生关注社会、关注家国命运，培育科学探究和社会责任意识。

关键词：社会责任；问题驱动；杂交水稻；科学思维；劳动教育

文章编号：1003-7586（2024）02-0036-04 中国分类号：G633.91 文献标识码：B

社会责任是生物学学科核心素养之一。在《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》中，明确要求学生能够基于生物学知识，参与个人与社会事务的讨论，作出理性解释和判断，具备解决生产生活问题的担当和能力。《国务院办公厅关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》中指出，新时代高考改革强调教育的本质是育人，立德树人，培养全面发展的人。在这一背景下，高三生物学的课堂教学不能只教学生做题，要引导学生关注点从“解题”向“解决问题”，从“做题”向“做人做事”转变。本文试图用科学家们培育杂交水稻的艰辛过程为案例，引导学生关注社会、关注生活，教他们学会像科学家那样思考，用生动具体的事例内化于心，外化于行，以提高基于知识解决生活实际问题的能力，最终能改善生活。在教学中选用中国科学家的研究成果的事例，关注农业生产，凸显劳动教育，能激发学生的民族自豪感，从而使其努力学习、储备力量，同时放眼未来，形成为国奋斗的家国情怀。

1问题设疑，导入新课

问题 为什么要种植杂交水稻？

围绕问题，教师在课前布置任务单，学生分组了解：①研究杂交水稻的背景；②杂交水稻的优势。

课堂上，学生根据搜集到的资料汇报：中国是世界上最早种植水稻的国家，水稻的种植历史可追溯到12 000～16 000年前。作为重要的粮食作物，水稻的产量不高；而在1960年，中国多省遭受了严重的自然灾害，全国范围内发生了大饥荒，粮食短缺导致许多人饿死；此时国外杂种玉米、杂种烟草、杂种小麦等飞速发展，产量突飞猛进。通过此问题的讨论，教师可以引出杂种优势的概念，即人们意识到获得具有杂种优势的杂合种子是提高水稻产量的重要途径。杂交水稻可以集优良性状于一身，如生长旺盛、根系发达、穗大粒多、整齐度好、抗逆性强等一系列优点。为了便于学生更形象直观地掌握，教师将杂交水稻比喻为“高富帅”。

课件展示水稻的产量变化数据：1958年亩产400千克－2000年亩产700千克－2020年亩产1 530千克－2021年亩产1 603.9千克。教师提示水稻产量的提高来之不易，依靠的是一代又一代的科学家们接力赛似的钻研与努力。

设计意图

现在的学生很少有吃不饱饭的经历，对中国历史上出现饥荒事件的印象常常停留在课本，因此也鲜有学生将自己的努力学习目标与家国命运联系在一起。让学生体会到今天国人不再忍受饥饿是无数科研工作者和农业人付出辛劳的结果，从而使其重视劳动。

2过程中发现问题，不断探索优化

问题1 如何实现水稻的杂交？

视频展示：师生在校园的社会实践基地观察水稻生长的过程。水稻（2n=24）是雌雄同株两性花植物，花较小，自花授粉，天然杂交率一般在0.2％～4％之间。人工异花授粉的过程：去雄－套袋－授粉－套袋。

资料1 水稻的花极小，包括1枚雌蕊和6枚雄蕊。一株稻穗约开200～300朵稻花，一朵花只结一粒种子。开花时，从稃片张开到闭合约为1.5～2小时。同一稻穗完成开花约需7～10天，一般上午910时开始开花，11～12时最盛，下午2～3时停止。

教师提问：自1926年美国人首次提出水稻具有杂种优势以来，世界各地的科学家相继开展了研究，但均未能应用于生产，原因可能是什么？

学生结合资料1分析得出结论：水稻的杂交育种在实际操作中非常困难。同时教师补充资料2。

资料2 一亩地约5万株水稻，一个技术比较熟练的育种工作者，一天最多也只能去雄几百株。由此发现实际问题：水稻去雄困难，杂交育种工作量非常大，无法满足大规模的生产应用需求。

设计意图 使学生联想孟德尔豌豆杂交实验，将孟德尔遗传定律运用到实际生产中，学习和迁移的研究揭示了构建学习经验的重要原理，这使人们能够在新的情境中运用以往的经验。

问题2 杂交水稻的后代能继续保持稳定的性状吗？

学生讨论后得出，根据盂德尔遗传定律，随着自然状态下的杂交优势品种继续自交，其后代会出现“自交衰退”现象，即杂种自交后代出现性状分离，各种隐性性状的缺点不断暴露，自花授粉使更多植株出现原来“平庸”的性状，杂交水稻的“高富帅”优势难以保留。

设计意图 新高考要打破知识论背景下的考试，对教育最大的挑战是要求学生在信息迁移上着力，在实际情境中应用。很多学生对孟德尔的杂交实验的理解还停留在做题应试上，因此，设置合理的情境，设计有效的问题，有助于学生自然提取碎片化的知识，并像科学家那样思考后应用于实践中。

在无数著名专家学者得出水稻不适合做杂交实验的结论时，以袁隆平为代表的中国科学家们并未就此放弃，而是另辟蹊径，想到自然界有许多植物有雄性不育现象，于是他们在大量野生型水稻中寻找水稻的天然雄性不育植株。研究中的这种批判性思维，告诉我们不要迷信权威，要有多角度的思考和实践中的研判，机遇和突破往往蕴藏在困难之中，还让学生体会科学家们在科研道路上的执着与坚守。

3四代杂交水稻诞生之路

问题1 如何实现大规模水稻杂交？

资料1 科研工作者们在普通野生稻群中找雄蕊失活的水稻的艰辛过程。1970年，袁隆平的学生李必湖发现一株花药瘦小、黄色、不开裂，典型花粉败育型雄性不育株，雌蕊能正常受粉，可以通过异花授粉进行繁殖，被定名为“野败”。“野败”的发现为中国杂交水稻研究打开了突破口。

教师引出问题：这株“野败”的出现可能是什么原因导致的？要判断“野败”的育种价值，首先得确定它的遗传物质是否发生变化，那如何设计实验来判断“野败”的变异类型？

学生思考讨论后回答：通过不育系“野败”和普通野生水稻杂交，看后代是否出现不育系。若后代仍然出现不育系，取水稻根尖分生区细胞制成装片，观察染色体数目和形态。若染色体数目和形态正常，则可能是基因突变；若染色体数目和形态不正常，则可能是染色体变异。教师展示图片进行水稻（2n=24）染色体核型分析，并带领学生观察体验科研工作者们的部分研究过程，最后总结。

设计意图 通过这些问题来复习基因型、表现型以及与环境之间的关系，可遗传变异的类型有哪些，区分基因突变和染色体变异的最简便方法等。同时加强实验研究思维的培养与实践，让学生学会实验研究中的思维方式和严谨的实验精神，让学生从学会知识转向学会分析思考，在演绎推理中得到验证。

资料2 研究发现，水稻花粉是否可育受细胞质基因（S、N）和细胞核基因R共同控制。S、N分别表示不育基因和可育基因，是成单存在的；R表示细胞核中可恢复育性的基因，其等位基因r无此功能。通常基因型可表示为“细胞质基因（细胞核基因型）”，如S（RR）。只有当细胞质中含有S基因且细胞核中r基因纯合时，植株才表现出雄性不育性状。

教师提出问题：从遗传物质角度来讲，雄性不育有几种类型？学生根据资料可以得出：雄性不育有细胞核基因控制的不育、细胞质基因控制的不育以及核质互作导致的不育三种类型，而核质互作类型是科学家们在杂交实验中使用最广泛的。

教师继续设置问题：雄性不育系如何产生下一代不育系？不育系与其他品种杂交如何避免后代回到“自交衰退”的困境？怎样能得到稳定的不育系后代？同学们围绕问题展开讨论。

在教师的引导下，同学们想到以不育系S （rr）作为母本与其他品种的水稻杂交；基因型为N（RR）或S（RR）的父本与不育系杂交，获得杂交种全部可育。为了避免后代又回到“自交衰退”的困境中，于是科学家们筛选出一个品种，使其与不育系杂交，后代仍保持雄性不育的特征，这就是“保持系”水稻的由来。用不育系和保持系杂交，能得到稳定的不育系后代，但仅依靠不育系和保持系无法得到具有杂种优势的水稻，还需要一个具有优良性状的品种，使之与不育系杂交的后代具有雄性可育特征，使其能够自花授粉而用于后续生产，推动具有杂种优势的水稻后代继续“砥砺前行”，而这种具有优良性状且后代可育的水稻称为“恢复系”。

教师总结：不育系与恢复系杂交，得到兼具杂种优势和遗传稳定的生产种子。同时，保持系、恢复系各自自交，依然能够得到保持系和恢复系。就这样，三系法杂交是以核质互作雄性不育系为遗传工具，世界首个食用高产杂交水稻，也就是第一代杂交水稻诞生了，于1976年正式推广应用，使水稻产量从亩产300千克提高到亩产500千克以上。

问题2 如何冲破品系间杂交，实现亚种间杂交，提升产量？

三系法的不足之处在于育性受保持系、恢复系关系的制约，恢复系很少，保持系更少，只能实现同一亚种内不同品种间杂交，而且杂交过程繁琐，成本高，周期长，能选到优良组合的概率很低。

资料3 1973年科研人员石明松发现雄性不育突变体S，长日照温度高于23℃时表现为雄性不育，短日照温度低于23℃时表现为雄性可育，其育性由一对核等位基因控制，与细胞质无关，不育性状为隐性。科学家们以光温敏型核雄性不育系为遗传工具提出了二系法杂交，第二代杂交水稻由此诞生了，产量也有了大幅度提高。

教师提出问题：花粉的育性与哪些因素有关？花粉分别在什么条件下不育性和育性最高？说明生物体的性状是由什么决定的？如果用雄性不育突变体S来获得杂交种是否有优势？为什么？学生讨论后总结：以光温敏型核雄性不育系为遗传工具，利用短日照低温下的可育植株自交获得不育系，相当于恢复系，不育系繁殖出光温敏型水稻作为保持系，长日照高温下的不育植株和短日照低温下的可育植株杂交获得杂交稻。教师总结，对比三系法杂交受到的限制，二系法可以冲破品系间杂交，实现亚种间杂交。配组自由度高，选到优良组合的机会多了。但新的问题很快出现，二系法杂交水稻受环境条件影响较大，育种风险也随之提高。

资料4 湖南杂交水稻研究中心李新奇等研究人员以普通核雄性不育隐性突变体为研究对象，利用基因工程技术构建育性恢复基因F、花粉致死基因P和红色荧光标记基因M三者紧密连锁（不发生交换）的互补载体，然后将该载体转入不育突变体中，得到育性恢复的转基因植株，于2016年诞生了第三代杂交水稻，即超级杂交水稻，使平均亩产再上新台阶。

教师讲述，袁隆平教授去世前正在研究第四代杂交水稻，利用C4植物基因、无融合生殖等方式培育水稻的新品种，计划把水稻光合效率提高30％，产量达每亩1 500千克。学生还联想到可以利用基因工程技术将植物的磷酸烯醇丙酮酸羧化酶（PEP羧化酶）基因、乙醇酸脱氢酶和苹果酸合成酶基因等通过DNA重组技术引入水稻中。教师在学生讨论后总结，回顾四代杂交水稻的历程，充分展现出科学家们永无止境、勇创新高的探索精神，大家要将科学家爱国、敬业和奉献精神传承并发扬下去。

设计意图 我们国家对未来人才培养方面，不是只看学生考试成绩，而是看学生是否具备服务国家和人民的社会责任感、勇于探索的创新精神和善于解决问题的实践能力。教师通过资料展现中国第四代杂交水稻的艰辛培育历程，帮助学生系统了解科学家的研究内容与探索过程，展现科学家们不断探索的精神；帮助学生理解科学家从事科学工作背后的意义，在他们心里种下一颗为家国奋斗的种子，从而形成报效国家、造福人类的崇高的价值观。

4教学反思

4.1重视劳动教育，渗透社会责任

习近平总书记指出，确保国家粮食安全，把中国人的饭碗牢牢端在自己手中。作为14亿人口的泱泱大国，粮食安全的重要性对我国不言而喻。从优良品种选育到田间生产管理，从增加粮食产量到提高产品品质，无处不是生物学知识、方法与生产实践紧密联系的体现。中国杂交水稻的培育史，也是以袁隆平为代表的科研工作者们立志解决中国粮食短缺问题的奋斗史，他们将全部心血倾注于杂交水稻事业，持之以恒，克服种种困难为中国乃至世界的粮食生产做出了重大的贡献。教师以中国杂交水稻的培育历程为主线，鼓励学生将孟德尔的杂交实验过程搬到田间地头，重视劳动；同时，让学生关注社会生活热点，聚焦实践，感受科学家们的爱国情怀，培养学生的社会责任意识，凸显育人过程。

植物杂交技术专业实践性强，在现代农业中应用比较广泛，让学生参与讨论探究，可以为其进一步学习和职业规划奠定基础。生物教学除了要加强学生对知识的理解学习，也要考虑他们未来的生活需要，引导学生将来可以将学到的技能应用于实践。

4.2引领科学思维，提升解决问题能力

本节课以真实问题的研究引领思维，将科学家们遇到的科研难题以及解决过程通过情境逐步呈现，展现出科学工作者们既敢于挑战权威、不畏艰辛，又努力协作、合力攻关的过程，以此培养学生基于知识解决生活实际问题的能力。学生通过检索知识来解决实际应用中的问题，理论联系实际，重在理解遗传学设计层层递进的过程。教师在教学中要重视培养学生的科学思维过程，让学生逐渐像科学家那样在问题的引导下进行分析、思考和实践解决问题，激发进一步学习探索的动力，实现学生的学习与生产生活情境、实践操作紧密联系，在实践中逐层提高思维结构，改善思维品质，提升解决问题能力，还要引导学生像农业科学家们一样心系社会，善解难题，服务社会，乐于奉献，使其具备适应社会发展需要的品格和综合能力。