基于大概念的高中生物学情境教学——以“染色体变异”为例

文| 张煜航

在新课程改革背景下，《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020 年修订）》指出生物学课程设计追求“少而精”的原则，内容聚焦大概念。通过多方位分析整合生物学知识，厘清次位概念、重要概念、大概念等各层级概念的逻辑关系，聚焦大概念建构单元主题概念体系。情境化教学法是突出学生在教学中的主体地位，依托特殊情境将抽象知识形象化，在情境问题解决中活跃学生思维，产生对问题多方位的见解，在对各层级概念逐层建构中获得知识、能力和素养的提升。

本文以人教版高中生物学必修2“遗传与进化”第5 章第2 节“染色体变异”教学设计为例，分析如何基于大概念开展情境化教学，促进学生对染色体变异概念的理解。

一、教学内容分析

课标中与本节内容相关的要求是：举例说明染色体结构和数量变异都可能导致生物性状的改变甚至死亡；“学业要求”为：基于证据论证可遗传变异来自基因重组、基因突变和染色体变异。依次分析本单元概念与其他模块概念之间的关系（图1），本节内容从染色体变化角度认识生物变异原因，可与基因突变和基因重组形成直观完整的知识体系，有助于学生理解遗传、变异等概念，为后续学习生物多样性、生物进化等奠定基础。内容包括染色体结构变异和染色体数目变异，理解染色体组、二倍体、多倍体等重要概念才能正确阐述从染色体数目变异原理中衍生出的多倍体育种和单倍体育种。设计时可以以“人工草莓培育”为情境主线贯穿始终，依托情境设计问题串突破染色体组、多倍体、单倍体等难点，在任务驱动学习中逐层构建概念。

图1 本单元概念与模块中其他概念的关系

二、教学目标

1.通过观察普通草莓与东港草莓的染色体组成，说出染色体变异类型。

2.观察各种草莓染色体示意图中染色体数目与形态特征，构建染色体组、多倍体、单倍体等概念。

3.运用多倍体育种原理设计三倍体无籽草莓的培育方案。

4.结合本节内容运用单倍体育种与多倍体育种技术为农业生产提出建议。

三、教学过程

（一）创设情境，引发质疑

【情境1】制作草莓冰沙，呈现东港草莓、普通草莓对比图，教师提出问题：选择哪种草莓制作冰沙？学生对比提出选更大更饱满的东港草莓。

【资料1】东港草莓个头大，多汁味好，营养丰富。

提出问题：东港草莓为何比普通草莓更大、更饱满？学生认为是培育过程不同造成的。

【评价】草莓冰沙制作情境与生活联系紧密，可调动学生的感性体验和积极性，使学习氛围更为浓厚，符合学生认知和教学规律，将生物学知识与实际生活建立有机联系，有助于学生深化对知识的认知。

（二）研讨分析，触摸概念

【情境2】不同品种草莓体细胞或配子染色体组成。

【任务1】观察普通草莓与东港草莓体细胞染色体组成（图2、3），说出性状不同的原因。

图2

图3

学生观察后提出染色体数目不同导致性状差异。

展示普通草莓体细胞染色体图（图4）、配子染色体图（图5）完成任务2。

图4

图5

【任务2】根据普通草莓体细胞与配子染色体组成回答问题：

①体细胞中两条1 号染色体是什么关系？

②配子中七条染色体是什么关系？

③配子中七条染色体有何不同？

学生思考并完成学案内容：①体细胞中两条1号染色体是同源染色体；②配子中七条染色体互为非同源染色体；③配子中七条染色体形态、结构、大小不同。

学生自主构建染色体组概念：一套形态、结构、大小不同的非同源染色体。

展示普通草莓体细胞染色体组成，学生观察回答有几个染色体组。构建二倍体概念：由受精卵发育而来，体细胞含两个染色体组的个体。

展示东港草莓及无籽草莓体细胞染色体组成，学生回答体细胞中有几个染色体组，是几倍体。构建多倍体概念：由受精卵发育而来，体细胞含三个及以上染色体组的个体。

【评价】同源染色体与染色体组概念是染色体变异的认知基础，此环节从普通草莓体细胞与配子染色体分析开始，学生观察染色体数量和形态特征后归纳概括，自主构建核心概念，既获得感性认知，又能对概念理解透彻。

（三）深度剖析，完善概念

【情境3】不同品种草莓的培育过程及原理。

回顾细胞分裂的知识，经减数分裂和受精作用发育成的个体，体细胞内染色体数目与亲代关系是什么？出示普通草莓发育流程图（图6）。

图6

【任务3】据图从细胞分裂角度思考普通草莓（二倍体）经人工培育成东港草莓（四倍体）的原因，并用染色体模型（两对同源染色体）模拟。

学生展示并阐述染色体模型模拟的细胞分裂异常过程。

（1）形成雌雄配子时减数分裂Ⅰ后期同源染色体未分离（图7），配子含两个染色体组，其受精卵含四个染色体组，将发育成四倍体。

图7

（2）形成雌雄配子时减数分裂Ⅱ后期染色单体分离后移向同一极（图8），配子含两个染色体组，其受精卵含四个染色体组，将发育成四倍体。

图8

（3）有丝分裂后期染色单体分离后都移向同一极（图9），子细胞中含四个染色体组，将发育成四倍体。

图9

教师展示：农作物种植时常对萌发的种子或幼苗用秋水仙素或低温处理，诱变为四倍体。

【任务4】阅读教材第88 页多倍体育种的内容，思考秋水仙素与低温作用的原理。

学生自主阅读，说出原理是秋水仙素或低温能抑制纺锤体形成，使染色体不能移向两极，引起染色体数目加倍。

教师以实例说明多倍体特点：（1）茎秆粗壮；（2）叶片、果实和种子较大；（3）糖类和蛋白质等含量增多。

【任务5】写出用普通草莓培育无籽草莓的过程，用染色体模型解释无籽草莓的成因。

学生分组讨论再展示交流：二倍体草莓与四倍体草莓杂交可得三倍体无籽草莓。草莓无籽的原因是体细胞有三个染色体组（图10），减数分裂Ⅰ发生联会紊乱，产生可育配子概率很低。

图10

【资料2】科学家培育多倍体草莓时发现部分二倍体草莓配子经花药离体培养直接发育成个体，这些个体与正常草莓相比长得弱小、高度不育。

【任务6】根据上述资料回答问题。

（1）这些个体的体细胞含几个染色体组？称为几倍体？

（2）单倍体发育起点是什么？

（3）单倍体体细胞内只含一个染色体组吗？

学生阅读资料思考，在学案上作答。

教师开展多倍体或单倍体的概念辨析，不能只看体细胞内染色体组数，还要看发育起点。

【评价】本环节紧扣大概念教学中本课时所对应的多倍体与单倍体形成原因，围绕普通草莓观察、分析染色体组知识，结合细胞分裂知识由易到难构建细胞分裂的异常模型解释四倍体、三倍体形成过程和原因。教师创设的情境很好地串联学生内生性知识与生物学事实，学生自主构建染色体异常模型是对抽象的生物学知识具象化、结构化的学习过程。

（四）情景再现，迁移概念

【情境4】培育抗虫害、抗盐碱特征的草莓。

【任务7】草莓有抗虫害（A）与抗盐碱（b）两种性状，控制两对性状的基因位于两对同源染色体上。现有基因型为AaBb 的草莓植株，若利用传统自交育种获得纯种抗虫害、抗盐碱（AAbb）的后代周期较长，运用本节知识设计能缩短育种周期的方案。

学生分组讨论并展示交流：建构染色体模型（图11）阐明理由：用花药离体培养将该草莓植株产生的配子培育成单倍体，根据性状筛选抗虫害、抗盐碱个体，用秋水仙素处理使染色体数目加倍恢复可育，再大规模种植。

图11

【评价】结合基因在染色体上及染色体变异的相关知识，面对真实情境发散思维，针对情境问题设计实验方案，解决实际问题。从情境中来再到情境中去，落实大概念教学中与本课时相关的次位概念“生物变异在生产生活当中的应用”。

四、教学反思

1.高中生物学大概念教学具有独特的系统性，基于此设计的教学方案会对教材原有的结构进行一定的改善，站位更高，本课时所需达成的教学目标是由大概念拆分成重要概念最后细分为每节课所对应的次位概念。使得课时与课时之间具有连贯性，连成一条完整的知识逻辑主线，不会出现知识点断层割裂的现象。学生在此教学模式下学习类似于拼拼图的过程，不只要找到目前所学的这一块，还需要根据已学知识模块将其融合进原有知识体系当中，不断内化整合，形成专属记忆网。通过自身生物学知识体系的有效构建来实现生物学学科核心素养的有效培育，对提升学生的生物学学习效果具有重要价值。

2.对于本节中染色体变异这一微观知识点，若没有贯穿始终的有序情境作为载体，学生所学到的只是一盘散沙。教材中给出许多生物染色体变异例子，但跨度较大，难以整合，本文以“人工草莓培育”为主题情境，包含染色体变异与应用内容，学生根据情境任务分析思考、小组讨论和搭建模型，解决贴近生活实际的问题，学会运用科学思维辩证地看待生物学现象。