基于科学思维的论证式高中生物学概念教学——以“基因突变”概念教学为例

谢丽芬

(福建师范大学第二附属中学 生物教研组,福建 福州 350015)

《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称“生物课标”)指出,生物学课程要求学生主动地参与学习,在亲历提出问题、获取信息、寻找证据、检验假设、发现规律等过程中习得生物学知识,养成科学思维的习惯,形成积极的科学态度,发展终身学习[1]1-2。同时提出,让学生能够深刻理解和应用重要的生物学概念,提高生物学学科核心素养。

科学论证是以科学思维为基础,在论据收集和科学结论之间构建合理的逻辑关系使科学结论能被接受的特殊表达方式[2]。论证式教学是基于科学事实、批判性思维探究论证的教学模式,培养学生收集证据、形成主张、表达观点、反驳某些观点的能力。高中生物学概念教学融入论证式教学,加强学生科学思维的培养,具有重要意义[3]。笔者以高中生物 “基因突变”概念教学为例,应用论证式教学模式,引导学生基于事实初步构建概念,在质疑、辩驳中修正概念、完善概念、升华概念,在自主建构概念的过程中培养科学思维。

1 相关概念的界定及内涵

1.1 论证式教学

论证是指围绕某个有争议的议题,以科学思维为基础,用科学方法收集证据,与提出的主张之间建立联系并说服他人接受该主张的思维碰撞过程,具有3个关键要素,即论点、论据、推理。论证式教学是将论证活动引入课堂,让学生体验类似科学家论证的过程,理解科学概念及科学本质并促进思维发展的教学方式。如图1所示,论证式教学的基本模式[4]主要环节：在有价值的问题基础上,利用收集的资料提出观点猜想,然后,在质疑、辩驳中寻找新证据修正、支持观点猜想,获得认可后上升为可接受的结论。

图1 论证式教学基本模式

1.2 概念教学

生物学概念是在生物学事实、现象等感性资料基础上,经过比较、分析、综合等抽象形成的对事物本质的认识[5]。生物学概念教学是以学生为主体,以生物学概念的获得过程为主线,在深入理解概念的内涵与拓展概念的外延中发展学生的科学思维,引导学生学会构建、应用概念并能将新概念融入前概念体系中的一种教学模式[5]。生物学概念教学模式如图2所示。

图2 生物学概念教学模式

1.3 论证式概念教学

形成认知冲突是学习生物学概念的有效教学策略,科学论证是激发认知冲突的有效方式,通过推理、质疑、辩驳引发学生思想碰撞,产生新认知而形成新概念[6]。学生对基于认知冲突和论证过程构建的生物学概念理解得更为深刻。

2 教学过程分析

2.1 “基因突变概念”论证

2.1.1 构建情境,提出观点

展示事实1： 果蝇幼虫的正常培养温度是25 ℃,将刚孵化的残翅果蝇幼虫于31 ℃培养,得到一些翅长接近正常的果蝇成虫,这些果蝇在正常温度环境中产下的子代全是残翅果蝇。提出问题：31 ℃培养获得的翅长接近正常的果蝇成虫是否发生了变异?这种变异是否可以遗传给子代?为什么?

展示事实2： 某红花植株自交的子代出现1株紫花,该紫花植株自交,子代全是紫花。提出问题：上述变异性状为什么能遗传给子代?

引导学生提出观点：生物表现型受基因型和环境共同作用影响。教师提出问题：环境因素引起的生物变异是否一定不能遗传给子代?学生阅读教材内容,提出不同主张并展示相应的证据材料。

2.1.2 展示事实证据,构建论证结构

展示证据1： 太空育种项目及显著成果。提出问题：1) 太空育种的生物学原理。2) 利用太空的强辐射、高真空等特殊环境对植物进行诱变处理获得的新性状是否可以遗传?基于学生讨论引出基因突变的概念,并探讨亲代发生基因突变对子代性状的影响。

展示证据2： 展示遗传病镰刀型细胞贫血症相关材料。学生阅读材料了解镰刀型细胞贫血症的发病原因。引导学生依据孟德尔遗传规律分析镰刀型细胞贫血症的遗传特点,据此形成观点：因碱基替换导致的基因突变是可以遗传的。

展示证据3： 遗传病囊性纤维化的病因,即编码氯离子载体蛋白基因缺失3个碱基,导致氯离子载体蛋白缺失1个氨基酸,细胞对氯离子的转运异常,造成患者黏液分泌过多,容易诱发感染等症状。引导学生基于事实形成观点：DNA分子中因碱基缺失导致的基因碱基序列改变也属于基因突变,这种类型的基因突变可以遗传。

展示证据4： 皱粒豌豆的形成机制,即皱粒豌豆的淀粉分支酶基因插入一段外来DNA序列,导致无法合成淀粉分支酶,细胞的淀粉含量降低,无法有效保留水分,因此种子皱缩。引导学生基于事实形成观点：DNA分子中因碱基增添导致的基因碱基序列改变也属于基因突变。这种类型的基因突变同样可以遗传。在此基础上,引导学生基于上述证据对基因突变的概念进行归纳和阐述。

2.1.3 提出质疑,构建反驳论证结构

展示调查数据：皮肤癌患者的后代与非皮肤癌患者的后代发生皮肤癌的概率并无差异,即皮肤癌患者虽然发生了基因突变,但该基因突变并未遗传给子代。引导学生形成认知冲突：基因突变所导致的变异并非都会遗传给子代。在此基础上,教师提出问题：1) 对只能进行有性生殖的生物,遗传物质通过什么细胞传递给子代?据此推测,哪类细胞发生基因突变可遗传?2) 对只能进行有性生殖的生物,体细胞发生基因突变是否可以遗传?若不能,请解释。3) 若某生物同时存在有性生殖和无性生殖,体细胞发生基因突变是否可以遗传,若可以,通过什么途径遗传给子代?学生展开讨论,提出主张,并陈述证据和生物学原理。教师引导学生小结：配子发生基因突变可通过有性生殖将新基因遗传给子代;体细胞发生基因突变,无法通过有性生殖将新基因遗传给子代,但可借助无性繁殖的方式(如扦插、嫁接、植物组织培养、动物体细胞克隆等)将基因突变产生的新基因遗传给子代。学生亲历概念的论证和建构过程,对概念的理解和认知更深刻,还有助于强化科学思维,认识到仅凭直觉无法得出科学的结论,实事求是的态度、严谨的科学探究、理性的批判性思维、良好的合作精神在科学论证中至关重要。

2.1.4 构建概念,提升论证观点

基于上述系列论证,基因突变的概念及其影响十分清晰：DNA分子中发生碱基的替换、增添或缺失引起的基因碱基序列的改变称为基因突变;基因突变后,生物的遗传信息一定会改变,但基因的数量及其在染色体中的位置并没有发生变化,基因突变是一种可遗传的变异,但不一定会传给子代。基于科学论证构建生物学概念有助于学生深刻理解并强化科学思维。

2.2 “基因突变对性状的影响”论证

2.2.1 继续质疑,构建论证过程

教师引导学生回顾基因表达的内容,提出问题：1) 基因突变产生了新基因,新基因表达的蛋白质与原有蛋白质在氨基酸序列上是否一定存在差异,请提出主张和依据。2) 多个基因突变是细胞癌变的内因,细胞癌变是有害的,是否可据此判定基因突变一定有害?请提出观点,并说明理由。

2.2.2 利用生物学理论、事实依据构建反驳过程

针对新基因表达的蛋白质与原有蛋白在氨基酸序列上是否一定存在差异,可引导学生结合基因表达的相关知识,借助构建物理模型的方法,提出主张,不断完善并总结：碱基对替换所引起的基因突变,会因为遗传密码的简并性导致新基因和原有基因所编码的蛋白质结构完全相同,也会因为终止密码提前或者延后出现造成基因突变前后所编码的蛋白在氨基酸序列上存在明显差异;因碱基对增添或缺失所导致的基因突变,通常会引起碱基对增添或缺失部位之后一系列氨基酸序列的改变,也可能因终止密码提前或者延后出现导致翻译提前或延迟终止,这些都将导致新基因和原有基因所编码的蛋白质在氨基酸序列上存在明显差异。

针对基因突变是否一定有害,教师展示事实：植物的抗病突变、耐盐碱突变,细菌的耐药性突变,对个体的生存有利;飞蛾翅的缺失突变利于它在海岛上生存;细胞癌变导致肿瘤发生,对个体生存有害;深色的桦尺蠖在浅色的树干上容易被天敌捕食,但在工业污染时期树干被熏成黑褐色之后反而容易存活;有的基因突变不会导致新的性状出现,既无害又无益。引导学生依据上述事实提出主张,辩证看待基因突变对个体的影响。

2.2.3 拓展概念外延,继续升华论证观点

经系列论证,学生对基因突变的影响有了深刻认识：基因突变不一定会改变蛋白质的氨基酸序列,进而不一定会改变生物的性状;基因突变导致的生物性状改变对生物而言并非都是有害或有利的,还有相当一部分对生物的生存没有影响;基因突变对生物的影响会随环境条件的改变而改变。

2.3 “基因突变的原因及特点”论证

2.3.1 基于事实发现引发基因突变的原因

展示事实：物理因素如γ线、X线、紫外线,化学物质亚硝胺、黄曲霉素、尼古丁,病毒因素如肉瘤病毒、乙肝病毒等均可导致细胞中的某些关键基因发生突变,从而引发细胞分裂失控,使正常细胞突变为癌细胞。学生基于事实得出结论：物理因素、化学因素、病毒因素均可引起基因碱基序列的改变从而诱发基因突变。结合基因表达过程引导学生概括：基因突变也可以在自然条件下因偶发的复制错误而自发产生。自发产生和诱发产生的基因突变都具有不定向性,但诱发产生的基因突变率显著高于自发产生的基因突变率。

2.3.2 收集事实依据,发现基因突变的特点

展示资料：1) 微生物、植物、动物、病毒都有基因突变的事实。2) 不同生物及相关性状所关联的基因自发突变率的数据一览表。3) 科学家绘制的果蝇不同眼色对应的眼色基因系列图谱。4) 生物体DNA(包含病毒DNA)在一定剂量的紫外线照射下会随时在任何部位发生基因突变。基于事实,引导学生归纳基因突变的特点：普遍性、不定向性、低频性、随机性。

建立在科学思维基础之上的论证式概念教学可以让学生对基因突变的理解更深刻、具体。

3 结束语

综上所述,基于科学思维的论证式生物学概念教学的关键是形成认知冲突和不断论证完善。教师根据教学目标和前概念创设学习情境,借助问题引导学生初步感知生物学概念,在寻找证据的过程中不断明晰概念,在质疑、辩驳中不断深化概念。教师引导学生充分利用碎片化的科学事实及研究经验,构建科学事实或研究经验与生物学概念的关联,据此提炼隐含的本质属性,用规范的生物学语言定义生物学概念。在论证式概念教学中,教师围绕生物学概念构建的一般途径,在关键节点设计适当的论证过程,引导学生经历科学论证的一般过程,包括提出观点、事实证据、理论支持、逻辑推理、反驳等,真正落实学生为主体、教师为主导,师生教学相长。基于科学思维的论证式生物学概念教学可有效促进学生科学思维尤其是辩证性、批判性思维的发展,达成对概念的深层认知。因此,基于科学思维的论证式生物概念教学可成为生物学概念构建和提高学生科学思维的有效途径。