基于科研文献的教学设计与实践——以“人类遗传病”为例

唐建烽

（中央民族大学附属中学 北京 100000）

1 教材分析与设计思路

“人类遗传病”是人教版《必修2·遗传与进化》中的第五章第三节内容，是“基因突变”和“染色体变异”两节内容的延伸，包括人类遗传病的产生、类型、特点以及检测和预防的方法。

本节课从遗传病“肾上腺-脑白质营养不良”这一实例入手，首先组织学生设计调查方案，利用已掌握的伴性遗传的相关知识推断遗传方式。然后，教师引导学生从分子水平和细胞水平分析资料，获取证据进行推理和论证，从而深刻理解人类遗传病是由遗传物质改变而引起的人类疾病这一重要概念。最后，学生通过角色扮演的形式，介绍遗传病的检测和预防手段，建立正确的生育观，落实社会责任。

2 教学目标

①通过设计遗传病的调查方案，掌握人类遗传病的调查和统计方法。

②通过对真实遗传家系案例的分析，推断遗传病的遗传方式和特点，并从细胞和分子水平认识导致人类遗传病发生的根本原因。

③通过学习人类遗传病的检测和预防方法，建立正确的生育观念。

3 教学过程

3.1 设计调查方案，绘制遗传图谱

教师提供资料，提出问题，引导学生思考：肾上腺-脑白质营养不良（ALD）是一种最常见的遗传性过氧化物酶体病，由于极长链饱和脂肪酸在体内的积累，从而引起肾上腺皮质等功能的衰减。为更好地了解该遗传病的遗传方式和发病率，请设计调查研究思路，并简要概述调查时需要注意事项。

学生分组讨论，提出方案：首先要确定调查小组，根据选择的遗传性状，确定调查对象，编写和收发调查问卷，整理调查数据、讨论分析做出解释。调查遗传方式需要以家系为单位，并保证一定的家系数量，进行合并分析。调查发病率需要在人群中随机调查，样本的数量要足够大，以保证结果的正确性。在调查过程中需要注意保护调查者的隐私。

教师展示某ALD患病家系的调查结果：某男性患病，其妻子不患病，父母不患病，三位姐妹中有两位患病。请绘制该家族的遗传系谱图。学生分别绘制遗传系谱图并展示结果（图1）。

图1 学生绘制的遗传系谱图

设计意图：教师创设真实的情景，还原现实生活问题，激发学生的学习兴趣与热情，从而使学生掌握调查遗传病的基本思路和方法，提高学生的实验设计能力。并针对学生绘制的遗传病系谱图进行点评，使学生掌握遗传病系谱图绘制的相关要求，并为后续的教学任务做好铺垫。

3.2 推断遗传方式，制造认知冲突

教师要求学生根据绘制的系谱图，推断ALD的遗传方式并说明理由，简要概括其遗传特点。学生思考并回答问题：该病的遗传方式为常染色隐性遗传，因为Ⅰ-1和Ⅰ-2个体均不患病，而Ⅱ-1、Ⅱ-3和Ⅱ-4患病说明该遗传性状为隐性。又因为Ⅱ-3和Ⅱ-4患病，而Ⅰ-2不患病，说明致病基因位于常染色体上。该遗传病的特点是男女发病率相等，隐性纯合子发病。学生利用已学过的伴性遗传相关知识并结合遗传系谱图，通过寻找事实和证据对该疾病的遗传方式进行分析和推理，提升了科学语言表达能力，将逻辑思维能力外显化。

教师展示材料，引导学生思考：为弄清ALD的发病机制，提取了该家系4名女性与ALD有关的基因做进一步研究。在PCR操作后，对产物进行酶切和电泳，结果如图2所示。为什么Ⅰ-1、Ⅱ-2和Ⅱ-4有4条电泳条带，Ⅱ-5只有两个电泳条带？

图2 PCR产物电泳图

学生思考并回答问题：Ⅱ-5表现正常，只有310 bp和118 bp两个电泳条带，说明正常基因有一个酶切位点。而Ⅰ-1、Ⅱ-3和Ⅱ-4多了217 bp和93 bp两个电泳条带，且217 bp与93 bp之和等于310 bp，说明突变基因有两个酶切位点，增加的酶切位点位于310 bp的DNA片段中。

教师追问：图2所示实验结果是否支持已推断出的遗传方式，理由是什么？学生思考并回答问题：不支持，若为常染色隐性遗传病，Ⅱ-3和Ⅱ-4应为隐性纯合子，应该只含有217 bp、118 bp和93 bp三个条带。教师提供分子水平实验检测数据，引导学生基于事实和科学证据对ALD的遗传方式作出进一步推理，使学生产生知冲突。这样既激发学生学习兴趣，提升了学生的逻辑推理能力和批判性思维，也为后续阐述致病机理做下铺垫。

3.3 阐述致病机理，落实生命观念

教师提出问题：由图2是否可推断出导致基因突变的原因，理由是什么？学生思考并回答问题：突变基因是由于碱基对的替换造成的。因为，突变基因酶切后增加了217 bp和93 bp两个电泳条带，二者之和等于310 bp，突变基因的大小并未改变。

教师追问：ALD是由ABCD1基因突变导致，研究者对相关基因进行了基因测序（图3），实验结果是否支持以上推测？

图3 基因测序结果示意图

学生思考并回答：支持，由图3可知，正常基因发生碱基对A/T→G/C的替换。学生基于科学证据，通过分析、比较和论证，对导致ALD发生的根本原因进行推理，从分子水平上深刻理解人类遗传病是由遗传物质改变而引起的人类疾病这一重要概念。

教师提供资料，引导学生思考：研究发现，雌性个体进化出在胚胎发育时期，每个细胞所含有的2条X染色体总有一条保持固缩状态。雌性个体细胞中一条X染色保持固缩状态对个体基因的表达有何影响？从进化的角度分析，这有何意义？学生思考并回答问题：X染色体保持固缩，不利于基因的转录。其意义是保证X染色体上基因的剂量在雌雄个体间是一样的，避免基因的过量表达对雌性个体产生伤害。

教师提问：突变基因编码的ALDP蛋白质与极长链饱和脂肪酸进入过氧化物酶体进行β氧化有关。结合本节课所有的信息，解释Ⅱ-3和Ⅱ-4患病的原因。学生思考并回答问题：该遗传病的遗传方式为伴X隐性遗传，Ⅱ-3和Ⅱ-4均含有致病隐性基因。其含有正常基因的X染色体随机失活，突变的ABCD1基因发生碱基对A/T→G/C的替换，导致ALDP蛋白质的空间结构发生改变，使得极长链饱和脂肪酸无法进入过氧化物酶体进行β氧化，导致在细胞和血液中积累，从而引发疾病。

设计意图：教师创设情境，引导学生在复杂的情景中综合应用已有信息，从分子和细胞水平分析、解释和推理ALD遗传病的致病机制，从而达到训练学生的信息获取、归纳与概括的能力，有序、有条理地科学表述，将逻辑思维过程外显出来。

3.4 遗传病的检测和预防，落实社会责任

教师提出问题：ALD目前暂无有效的治疗方法，为了能够有效地预防该病的产生，有何检测和预防手段？学生思考并回答：可通过遗传咨询和产前诊断等手段进行检测和预防。教师追问：假设你是一位遗传咨询医生，针对咨询者，你将如何开展工作？若Ⅱ-1和Ⅱ-2（不含致病基因）号准备生一个健康的宝宝，你能提出什么防治对策与建议?理由是什么？

学生思考并回答：首先要对咨询对象进行准确诊断，确定遗传方式，计算再发风险率，针对性提出对策和建议。建议Ⅱ-1和Ⅱ-2做产前诊断，如B超检查、基因检测等，根据胎儿的性别选择性终止妊娠。由于Ⅱ-2不含致病基因，其后代儿子必不患病。Ⅱ-1个体含致病基因且必遗传给其女儿，由于X染色在体细胞中随机失活，因此生女儿可能患病。

教师总结：遗传病的检测和咨询贯穿于婚姻和生育的整个过程，在降低出生缺陷、提高国民人口素质、保证家庭幸福上具有重要的意义。优生优育既是我国的一项基本生育政策，也是每对父母的责任和义务。

设计意图：学生通过角色扮演的形式，了解遗传咨询的流程和产前诊断的方法，在解决现实的生活问题中，利用已学的相关知识提出个人对策和建议，从而加深对生物学知识的理解。这既是从学科走向生活教育理念的落实，也是对学生理论联系实际，学以致用能力的培养。让学生在体验中建立正确的生育观念，认识到预防遗传疾病是每个公民的责任和义务，也是对社会责任这一核心素养的落实。

4 教学反思

4.1 创设真实情景，培养应用能力

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）中明确指出：要注重使学生在现实生活的背景中学习生物学，倡导学生在解实际问题的过程中深入理解生物学的核心概念。本节课利用简化后的科研成果为素材，创设真实情景，以角色扮演的形式还原现实社会问题，不仅有利于激发学生的探究和解决问题的热情，还有利于达成对学生的学科素养的落成和综合应用能力的培养。因此，在高中生物教学中，教师应尽量创设贴近学生真实生活、贴近社会生活的真实情景，培养学生学以致用，理论联系实际的能力。

4.2 注重科学思维的培养

《课程标准》明确指出：学生应该在学习过程中逐步发展科学思维，如能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括，演绎与推理等方法阐释生命现象。本节课上，学生基于科研证据，采用推理和论证、归纳与概括的方法，从不同水平解释了ALD遗传病的致病机理。学生在基于实证的逻辑论证中，将思辨过程外显化。科学思维是各种思维能力的综合体现，解决现实中的复杂问题，往往需要科学思维的综合运用。因此，科学思维还是需要到可还原现实生活的生物学情景中培养。

4.3 注重科学语言的表达

使用正确合适的生物学语言描述和解释生物学现象，不仅可以反应学生的生物学素养的高低，还可以评价学生对生物学课程理解程度。近几年的高考试题对学生能否清晰简洁的文字表达自身观点、有序有条理的记录推理、论证过程从而将思维过程外显提出了较高的要求。因此，本节课中依据真实科学实验数据，层层设计多个推理和理由类问题，引导学生对信息进行甄选，获取证据，对科学现象进行描述和归纳总结、形成解释、扩展迁移，以期达到提高学生科学语言表述的能力。科学语言表述能力的培养不是一朝一夕就可完成的，需要在对学生日积月累的纠正和调整中逐渐培养。