“遗传的细胞学基础”单元学习方案

苏明学

（北京理工大学附属中学 北京 100089）

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》明确了学科目标从知识点的记忆、理解与简单应用，转变为生命观念、科学思维、科学探究与社会责任等学科核心素养的培育，要求教师必须提升教学设计的站位，即从关注课时计划转变为单元整体设计。本文依据内容标准和学业要求，将减数分裂、遗传的染色体学说、伴性遗传等内容作为一个学习单元，制定一套包括单元名称与课时分配、单元目标与评价任务、学习过程与学后反思等要素组成的有机整体，即单元学习方案。其中，将评价任务列于单元目标与学习过程之间，起到承上启下的作用：上接单元目标，以视其与目标的匹配性；下连并嵌入学习过程，从而达成目标、教学与测评三者之间的一致性［1］。提供学习反思支架，旨在引导学生对学习过程进行回溯和反思，促进知识、技能向学科核心素养的过渡或升华。以基本问题为引领，着力改变知识点的碎片化教学，以实现教学设计与素养目标的有效对接。

1 单元学习内容

一个单元就是一个完整的学习故事。减数分裂、遗传的染色体学说的提出及求证、孟德尔遗传定律的细胞学解释、伴性遗传等内容就组成了这样一个层层递进、引人入胜的学习故事。1865年孟德尔发现了遗传因子的分离与自由组合定律，只是根据一种或多种不同性状的2 个个体杂交中的数据推衍的，还不能科学解释遗传定律的实质，至于遗传因子究竟是一种客观存在，还是抽象符号更是不得而知。1903年萨顿根据配子形成过程中染色体与遗传因子的行为平行一致的事实，大胆地提出了遗传的染色体学说。1910年摩尔根及其学生通过果蝇系列杂交实验，以确凿的实验证据、缜密的逻辑推理最终证实了该学说。一旦“基因在染色体上”得以证明，即可运用减数分裂的相关知识对孟德尔遗传定律作出细胞学解释，把握其实质，并可阐明伴性遗传现象背后的遗传方式。上述遗传科学发展史组成了一幕 “困惑→联想→假说→求证→解释”动态图景（图1），因而构成了一个完整的学习单元，至于单元名称不必拘泥于教材章节标题，可定为“遗传的细胞学基础”，以统摄具体内容。本单元与上一个单元之间的逻辑关系及课时分配见图2。

图2 单元间和单元内学习内容逻辑关系及课时分配

2 单元学习目标

单元目标，即此单元要解决什么问题，期望学生学会什么。这是教师在开展教学活动之前，首先要想清楚的问题，即“以终为始”，从学习结果开始逆向思考，只有明确知道预期结果，才能专注于最有可能实现这些结果的内容、方法和活动［2］。

制定单元学习目标，需要依据内容标准、学业要求和学习内容，除此之外，还需要考虑学生的认知储备和认知心理。内容标准如下：

概念3 遗传信息控制生物性状，并代代相传

3.1 亲代传递给子代的遗传信息主要编码在DNA 分子上

……

3.2 有性生殖中基因的分离和重组导致双亲后代的基因组合有多种可能

3.2.1 阐明减数分裂产生染色体数量减半的精细胞或卵细胞

3.2.2 说明进行有性生殖的生物体，其遗传信息通过配子传递给子代

3.2.3 阐明有性生殖中基因的分离和自由组合使得子代的基因型和表型有多种可能，并可由此预测子代的遗传性状

3.2.4 概述性染色体上的基因传递和性别相关联

3.3 由基因突变、染色体变异和基因重组引起的变异是可遗传的

……

由内容标准可知，概念3 由3 个重要概念支撑，其中3.1 分析遗传的分子基础，3.2 则探讨遗传的细胞基础。在3.2 中，减数分裂是基础，学生只有理解减数分裂过程中染色体的行为变化规律，才能阐明3.2.1、3.2.3 和3.2.4 这3 个次位概念。减数分裂不仅是遗传的细胞学基础，也是变异的细胞学基础。因此，重要概念3.2 能促进重要概念3.3 的理解。

从学业要求来看，学完本单元后，学生能运用细胞减数分裂的模型，闸明遗传信息在有性生殖中的传递规律（生命观念、科学思维）。

从学生的认知储备和认知心理分析，在学习本单元之前学生已具备有丝分裂和孟德尔遗传定律的相关知识，迫切想知道减数分裂是如何产生染色体数目减半、组成多样的配子的；学生尚不清楚科学家将基因定位在染色体上的过程与方法，亦不能科学地解释遗传因子分离与重组的原因及伴性遗传现象等。

制定单元学习目标时，应将内容标准、学业要求、学习内容、认知储备与认知心理等因素融为一体，综合考虑。因此，确定本单元的学习目标如下：

1）阐明有性生殖的后代具有更大变异性和更强适应性的原因，进而领悟“进化与适应观”。

2）建立减数分裂模型，并运用该模型阐明孟德尔遗传定律和伴性遗传规律的实质。

3）探讨遗传的染色体学说提出和求证过程，从而领悟：“质疑是思考的视角、实证是判断的尺度、逻辑是论辩的准绳”。

4）运用伴性遗传规律，解决相关实际问题。

3 单元评价任务

“学业评价促发展”是新课程的重要理念之一。形成性评价有别于终结性评价，能及时诊断学习目标的达成度，从而矫正教学行为，调节教学进程，激发学习热情。因此，需要将形成性评价嵌入学习过程，使之成为学生学习和知识构建的必要环节，从而达成目标、教学和测评三者之间的一致性。

如何进行形成性评价？这需要依据单元目标设计评价任务。所谓评价任务，即让学生完成学习任务，并通过收集学生完成任务的表现情况等证据检测学生的目标达成度。本单元的评价任务如下：

1）比较与分类：同源染色体是成对存在的，染色体的相同位点上有控制同一性状的基因，但基因本身可能会有不同的等位基因，因此性状会产生不同的表现形式。图3中，1 号染色体上有4 个不同的基因，分别用字母F、g、h、J 表示。2～5 号染色体是1 号染色体可能的同源染色体。仔细观察这些染色体及其所含有的基因，找出1 号染色体的同源染色体。

图3 同源染色体与等位基因之间的关系［3］

2号染色体和1 号染色体同源吗？为什么？

3 号染色体和1 号染色体同源吗？为什么？

4 号染色体和1 号染色体同源吗？为什么？

5 号染色体和1 号染色体同源吗？为什么？

2）分析与预测：如果某自花传粉的植物细胞中有2 对染色体：A 和a、B 和b，由于减数第一次分裂同源染色体在赤道板排列方式的不同，该植物可能产生几种配子？产生的后代可能有几种染色体组合？

3）比较与判断：图4中的A 表示在前期Ⅰ的最后阶段，同源染色体联会并形成四分体，B 表示非姐妹染色单体互相交叉。请思考：复制前染色体是怎样的？该细胞能产生几种基因型的配子？若没有发生染色体交叉，能产生几种基因型的配子？

图4 非姐妹染色体之间的交叉互换［3］

4）对比分析：减数分裂与有丝分裂的区别表现在哪些方面?从遗传学角度来看，这2 种分裂各有什么意义？

5）科学解释：杂合子自交为什么会出现性状分离和重组？

6）作出预测：有一个视觉正常的女子，其父亲是色盲。该女子与正常视觉的男子结婚，若男子的父亲是色盲。问这对配偶所生子女视觉将如何？

4 单元学习过程

单元学习过程，即要经历怎样的学习才能达成目标。因此，学生应明晰自己的学习目标和将要面对的评价任务，领悟学习这些内容的意义和价值；教师应规划教学程序、凝聚优质资源、安排学习活动。

为保证学习过程的有效性和参与性，教师应依据教学目标设计基本问题，以此吸引学生通过探究、调查、实验、分析和解决问题等，发现并构建相关概念。学生不仅需要有足够的机会探究和体验概念的形成过程，并获得相应的知识和技能，以达到预期的学习目标；而且需要有充足的机会与同伴（包括教师）交流、评价学习成果，并及时根据反馈反思、修改和完善其观点。由此可见，问题、思考、评价、反思4 个关键环节保障了学习过程的有效性和参与性。本文仅就“问题”和“反思”进行具体论述。

4.1 基本问题 基本问题的“基本”有以下4 种内涵。①指向事物的核心——本质；②指向学科的核心思想；③学习核心内容所需的东西，即帮助学生有效探究、厘清重要而复杂的观点、知识和技能；④能最大限度地吸引学习者，引发他们的持续思 考和探 究［2］。

基本问题除了激发思考和探究之外，还可用于有效地架构内容目标，促进对某一特定单元内容的深入理解，以及知识间的联系和迁移。学生对基本问题的持续追问和探索，将最终指向单元核心内容的深入理解和单元学习目标的有效达成。例如，在基本问题1 和问题2 的引领下，学生分别完成相应的知识构建（图5、图6）。

图5 减数分裂过程中染色体行为变化与后代变异性之间的关系

图6 萨顿假说的提出及验证思维导图［7］

教师设计基本问题时，应将相关的知识和技能看作是理解学科关键问题的方法，而不是将其看作是要灌输的材料［2］。例如，在探索基本问题1的子问题①时，必然涉及同源染色体、联会、四分体等基本概念；在探索子问题②时，又需要模拟非同源染色体的自由组合和同源染色体间的交叉互换等模型构建方法。

基于上述对基本问题的界定和诠释，设置本单元基本问题及子问题如下：

1）在迅速变化的环境中生存的生物，为什么有性生殖产生的后代具有更强的适应性？

①为什么同样一个精原细胞，经过有丝分裂产生的子细胞染色体数目与组成相同，而通过减数分裂产生的子细胞染色体数目减半、组成多样？该子问题旨在引发学生在已习得的有丝分裂的基础上，对减数分裂的过程进行探究性学习。

②父亲体内所有的精原细胞，染色体组成并无差别；母亲体内的卵原细胞也是如此。可是为什么“一母生九子，九子各不同”？该子问题指向减数分裂非同源染色体的自由组合、同源染色体的

交叉互换和受精作用雌、雄配子结合的随机性。

2）为什么有些性状总是相伴出现？科学家是如何将基因定位在染色体上的？

3）为什么有些性状的遗传总是与性别相关联？如何科学地解释女性色盲发病率（0.49%）恰为男性发病率（7%）的平方？

4.2 反思支架 学后反思，即通过怎样的反思，让学生管理自己的学习。从某种程度上说，核心素养是学生自己反思或领悟的，不是直接“教”出来的，从具体的知识与技能到学科核心素养，其关键环节在于介入真实情境与学后反思［1］。这就需要教师提供反思支架，引导学生通过追溯和反思学习过程，促进所习得的知识、技能向学科核心素养的过渡或升华。因此，学后反思必须是学习方案的一个组成部分，而且是学习过程的关键步骤。以下是本单元的反思支架及其所期待的反思成果：

1）无论减数第一次分裂，还是减数第二次分裂，都涉及一个母细胞中的染色体平均分配到2个子细胞中。为什么精原细胞或卵原细胞经过减数分裂产生的精细胞或卵细胞染色体数目却减少了一半？

整个减数分裂过程，染色体只复制1 次，而细胞分裂2 次；减数第一次分裂，同源染色体分开，分配到2 个子细胞中；减数第二次分裂，姐妹染色单体分开，分配到2 个子细胞中。

2）尝试从配子形成和受精作用2 个环节，说明有性生殖产生的后代具有遗传多样性和稳定性的原因。

遗传的稳定性：①染色体只复制1 次，而细胞分裂却有2 次，因而每个子细胞中的染色体数目减少了一半，再通过受精作用使后代染色体数目保持恒定；②“减数”不是随机的，而是同源染色体分离，这是有性生殖的生物保持种族遗传物质恒定性的机制。

遗传的多样性：①同源染色体的分离，为非同源染色体随机重组提供条件（染色体间重组）；②前期Ⅰ非姐妹染色单体互换，导致遗传物质的非随机重组（染色体内重组）。

3）摩尔根是如何将一个特定的基因（w）定位于一条特定的染色体（X）上的？这对于你理解科学的基本特点——以怀疑作审视的出发点，以实证为判断的尺度，以逻辑做论辩的武器有何帮助？

4）孟德尔遗传定律不仅能解释已有的实验结果，还能定量预测新的实验结果，但毕竟是从实验数据推演出来的。你能否运用减数分裂和“基因在染色体上”知识对此做出科学地解释？这对于你理解科学的本质——不断地探索求真有何帮助？

总之，制定单元学习方案需要按照“课程标准→单元目标→评价任务→学习过程”的程序逆向设计。基本问题、思考探究、交流评价、反思修正是保障学习过程有效性和参与性的4 个环节。其中，“基本问题”是引领学生持续探究和论证的动力引擎；“学后反思”是促进知识、技能向学科核心素养过渡或升华的关键步骤。