指向建立生命观念核心素养的教学设计

付鑫

摘要：

以基因表达调控的基本方式为脉络，利用文本资料引导学生开展探究。通过问题串启发学生利用基本概念对新信息进行获取和处理，深入挖掘学科内容内涵。通过5E教学模式构建教学环节，开展学生的小组合作学习方式，实现学生适应与进化观、稳态与平衡观生命观念的建成。

关键词：基因表达 核心素养 生命观念 科学史探究

中图分类号：G633.91 文献标志码：B

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》明确提出“生物学课程既要让学生获得基础的生物学知识，又要让学生领悟生物学家在研究过程中所持有的观点以及解决问题的思路和方法”的课程性质。通过对课标的分析，生物学教学不应该局限于指定的知识范围，需要从生物学事实中提炼出“生命的运行方式”，形成科学的物质与能量观、稳态与平衡观等。此外，生物学发展迅速，新的技术不断面世，学生应该有机会在力所能及的范围内接触、认识这些新知识、新思路，这才不乏生物学作为一门实验科学所具备的与时俱进的特点，不拘泥于传统理论与方法。

1教材分析

基因的表达是分子生物学的核心内容，是生物界解释遗传信息与性状之间关系的重要理论。为了能够适应多变的环境，基因的表达受到多种方式、多种层面等复杂的调控过程。高中生物学在处理这部分内容时较为简化，在学生掌握基因表达基本概念的基础之上，教师更需要进一步挖掘，促使学生从基因表达的原理上，了解调控的基本方式及其意义。学生只有实现对基因表达及其调控具有较高层次的理解，才能更好地对基因工程、微生物的代谢以及多细胞生物细胞分化等跨学科领域概念有全面的理解，形成符合新课标要求的生命观念。

2教学目标

①认同基因表达调控是细胞适应外界刺激、完成个体发育基础的生命观念。

②形成基于科学史资料、分析生物学研究思路、得出实验结论的科学思维。

③分析科学史实验范式，设计实验探究基因的功能。

④体会反向遗传学的发展进程，在生活中正视转基因技术对社会的贡献。

3采用5E教学模式的教学过程

3.1问题的提出（参与阶段）

教师展示一组基因表达的图片，表现原核细胞和真核细胞基因表达的过程，从转录、翻译过程引导学生回忆基因表达的过程，并比较原核、真核细胞基因表达的差异。

在学生通过小组对上述过程总结完成后，教师提出仍然有待解决的3个问题：

①细胞中每个基因都在无时无刻进行表达过程吗？

②外源信号导致基因表达水平变化是如何发生的？

③多细胞生物“基因的选择性表达”是如何实现的？

教师引发学生的思考，导入后一阶段的教学内容。本教学阶段是复习拓展课对于基础的重新回顾，是落实基础的重要环节，既保证学业水平有限的学生达成课标与高考对生物学基本概念的要求，也是引导学有余力的学生开展深入探究的先导内容。

3.2大肠杆菌的“省钱”妙招（探究与解释阶段）

（1）说故事。乳糖操纵子是最经典的基因表达调控模型。教师首先还原科学史上生物学家进行的大肠杆菌培养实验，并以小故事的方式展现出来：乳糖是大肠杆菌的一种碳源。lac基因的产物β一半乳糖苷酶和透过酶是大肠杆菌利用乳糖时必要的组分。加入乳糖一段时间再去掉乳糖，测定细胞中lac mRNA、两种酶的含量变化如图1所示。

根据上述信息，教师提出问题串：①为何加入乳糖后，lac mRNA与两种酶的含量变化不同步？②lac基因表达的条件要求是什么？③为什么lac mRNA和两种酶在去掉乳糖后含量变化有差异？④这种现象体现大肠杆菌是如何实现“省钱”的？

学生依据以上问题串进行思考和讨论。其中，问题①引发学生对细胞中表达的先后顺序进行再一次的回顾，较为基础。问题②、③就所给信息进行分析，启发学生乳糖操纵子的调控概要。问题④从生命观念角度提出一个开放性问题，学生需要考虑乳糖作为一种“次要”能源的意义，在存在乳糖时表达代谢相关基因节约了物质和能量，体现基因表达调控过程中的物质与能量观、稳态与平衡观。

（2）探机理。乳糖操纵子的具体机制较为复杂，在实际教学过程中，教师没必要强调模型中具体的术语，而是需要引导学生抓住模型信息脉络。针对学习较好的学生，教师可以选择通过影像资料给出信息：乳糖操纵子中涉及2个基因单位，lacl编码抑制蛋白位于调控流水线的上游，有更为上位的作用。乳糖作为一种“开关”对抑制蛋白产生作用，是乳糖操纵子的小分子钥匙。在理解乳糖操纵子基本模型的基础之上，根据科学史的进程，带领学生分析“葡萄糖效应”实验（图2）。这一内容是乳糖操纵子的延伸，但是由于涉及细胞代谢、能源物质优先级，对于学业水平较高的学生有更强的适用性。在材料分析中，提出问题：①大肠杆菌优先利用哪种糖源？②为什么大肠杆菌优先利用这种糖源？

“葡萄糖效应”是乳糖操纵子基本模型的“负调控”基础之上展现的“正调节”过程，也体现出RNA聚合酶需要结合在特定区域、结合特定蛋白才能够完成功能。问题②需要学生从适应与进化的角度，比较葡萄糖、乳糖在代谢过程中的差异，从而提出大肠杆菌建立“葡萄糖效应”机制的生理意义，建立物质与能量观、进化与适应观的生命观念。

3.3基因选择性表达的解密（延伸阶段）

相比于原核细胞，真核细胞的基因表达调控过程更为复杂。分子生物学指出，真核细胞的基因调控依托于DNA分子上的顺式作用元件以及蛋白质为本质的反式作用因子之间的相互作用。因此转录的发生需要一个大型复合体的形成。根据以上原理，教师可以带领学生探究多细胞生物细胞分化的本质——基因选择性表达的发生机理。利用肌肉细胞的选择性表达为例，引导学生认识到真核生物基因表达受到大量转录因子（激活因子）的影响（图3）。基因表达的选择依赖于细胞中激活因子的数目和种类。

在展示这一原理的同时，教师为学生构建问题串：①肌肉细胞在发育过程中需要经历哪些环节？分别需要哪些“开关”控制？②控制肌肉细胞建成的各种转录因子重要程度一致吗？③人大约有4万个基因，是否意味着需要多达4万种转录因子吗？为什么？

学生以小组为单位，自由讨论上述问题，課末由小组代表汇报讨论结果。这一教学环节是对原核基因表达调控方式理解的扩展和检验，使学生体会“基因开关”的功能。基因选择性表达过程中的多级调控模式体现了工程学构架，问题串引发学生对这一构架进行分析和探索，体现出生命观念中“结构与功能观”的内容。

4教学反思

本节课通过基于材料的探究方式，对学生的科学思维能力进行训练，通过层层深入的情境设置带领学生深入基因表达调控内容的科学本质。在教学过程中，教师需要不断引导学生积极思考，并广泛利用问题串引发学生从事动脑筋的行为，鼓励小组内的热烈讨论，让富有挑战性的问题激发学生的求知欲。本节课内容充实，主要目的在于培养学生的新信息获取与处理能力，并在真实材料分析中形成进化与适应观、稳态与平衡观的建成。本节课对学生的基础要求较高，因此教师在实施中需要针对学生的情况对教学内容进行删减、重构，以适应学生的学业水平。