在体验建构中让学科素养进阶升级

薛建芳

摘 要 基于《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》，立足学生视角，站在学科单元整体 思维的高度，整合学习资源、厘清学情，准确设定教学目标与教学重难点，以“乳糖操纵子模型”为主线，设置多元活动体验，努力让目标的明晰性、学习的自主性、合作的融通性、展示的时机性、反馈的即时性 融为一体，活动体验与思维拓展相互链接，个体独思与智慧聚焦合二为一，教师主导、学生主体相得益 彰，将学生必备的价值取向、核心能力与关键品质嵌入师生协作性学习之中，促进学科教学的育心、育德、育智、育人共生共进。

关键词 单元建构  活动体验 学科核心素养  生物学教学

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2020年修订）》（以下简称《课程标准》）明确提出：生物学是研究生命现象和生命活动规律的科学，它不仅是一个结论丰富的知识体系，也包括了人类认识自然现象和规律的一些特有的思维方式和探究过程。生物学课程要求学生主动参与学习，在经历了一系列的学习过程后，获得生物学知识，养成科学思维习惯，形成积极的科学态度，发展终身学习和创新实践能力。

1  教材分析

“基因的表达”是人教版《必修2·遗传与进化》第四章的内容，在《课程标准》中属于模块2“遗传与进化”中大概念3下的次位概念，概述DNA 分子上的遗传信息通过RNA指导蛋白质的合成，细胞分化的本质是基因选择性表达的结果，生物的性状主要通过蛋白质体现。本节内容是从本质上阐述遗传物质与性状之间关系的重要理论，是分子遗传学的核心内容，是该模块的重点内容。本节内容有承上启下的作用，是遗传因子本质内容的拓展和延伸，同时也是基因变异和基因工程等内容的生长基础。

2  学情分析

本节内容抽象复杂，通过新授课的学习，学生已经基本掌握了“基因的表达”的相关过程和原理，但对基因表达的调控过程和意义不够了解。因此在一轮复习时，教师需要进一步拓展，使学生在掌握基础知识的基础之上，了解“生物在不断变化的外界环境中对基因的表达的途径及方式进行调控，以快速适应环境”。

3  教学目标

①观察实验现象，提出真实问题，分析生物与环境的适应关系，形成认识生命的基本观念，知道生物始终处于发展变化中，生物对环境具有适应性等，学会运用生命观念，探索生命活动规律，解决实际问题。

②通过小组合作建立模型、结合单元知识理解模型，用模型解释实验现象，在探究体验中逐步养成科学思维习惯，具备阐述生命现象及规律的能力。

③在探究实际体验的同时，适度地整合建构知识生长模型，在关联与迁移处着力培养学科探究的能力，形成对探究结果的分析、交流等能力。

4  教学重难点

教学重点：基因的表达过程。

教学难点：从基因表达的原理上，了解基因的表达调控的途径、方式及其意义。

5  设计思路

学习是课程改革的核心主题。在真实情境中考查学生独立思考和运用所学知识分析和解決问题的能力也是目前高考命题的一个趋势。笔者根据本单元的教学实际创设真实情境下的体验活动，引导学生基于情境主动探究并择机发现问题，在独立思考的前提下生成问题分析与问题解决的能力与素养。

6  教学过程

6.1 教师创设情境，导入教学

教师提出问题：生物在不断的适应环境、改变着环境。外界环境一直在不断变化，而细菌又是无处不在的。细菌是如何逐步适应变化的环境而生存的呢？各小组针对问题，展开积极的讨论。教师对小组讨论的结果进行点评，结合新冠病毒的进化历程，帮助学生理解生物进化与适应观，解释现存生物适应的普遍性，激发学生学习的欲望，引导学生思考不同营养条件下大肠杆菌代谢的调节机制。

6.2 学生了解大肠杆菌的“二次生长曲线”

教师提供资料：1940年，科学家莫洛发现，大肠杆菌生长于含有葡萄糖和乳糖的培养基时，大肠杆菌首先利用葡萄糖，葡萄糖结束后，利用乳糖糖源转变期细菌的生长停滞，即产生“二次生长曲线”。图 1所示的曲线A为“二次生长曲线”，曲线B为大肠杆菌细胞中催化乳糖水解时，β-半乳糖苷酶（Z）表达量的变化情况。

结合资料，教师提出指向核心素养的问题串：① 与固体培养基培养相比较，研究中使用液体培养基培养大肠杆菌的优点是什么？图 1曲线A 中bc 段大肠杆菌数量缓慢增加的主要原因是什么？② 科学家为何要研究大肠杆菌中β-半乳糖苷酶表达量？其 目的是什么？结果表明了什么？③ 本研究中科学家用抗β-半乳糖苷酶抗体检测β-半乳糖苷酶含量。这种检测方法称为抗原—抗体杂交技术，其优点是什么？

学生结合提供的问题串进行独立思考和小组讨论。教师利用资料和图片，帮助学生了解了大肠杆菌“二次生长”现象：在糖源转变期，也就是曲线中的bc 段，葡萄糖耗尽，乳糖吸收慢，细胞内能量供应不足，大肠杆菌会出现缓慢生长现象。同时大肠杆菌细胞中会开始合成β-半乳糖苷酶，以催化乳糖的分解。

在此活动中，教师用真实情境激发学生参与探究的动机，并针对提供的材料由表及里地提出结构化的具有启发性的问题串，引导学生从适应与进化的角度一步步地深入思考、积极交流，促进学生进一步养成“生命观念”与“科学思维”的生物学科核心素养。

此时，教师可以追问：β-半乳糖苷酶催化乳糖水解，那乳糖的吸收又会受到哪些条件的影响呢？β-半乳糖苷酶产生的同时，还能产生其他酶吗？“二次生长曲线”形成的原因究竟是什么呢？教师引导学生理解大肠杆菌适应不同环境的机制。

6.3 教师引导学生探究大肠杆菌的“二次生长曲线”形成的原因

教师提供资料：莫洛等科学家的继续研究发现，大肠杆菌细胞中产生β-半乳糖苷酶的同时，还会产生半乳糖苷透过酶（Y，将乳糖运输进入细胞）和半乳糖苷转乙酰基酶（A）。为了解释大肠杆菌“二次生长曲线”形成的原因，1961年，科学家雅各布和莫洛根据系列研究提出了大肠杆菌基因表达调控的“乳糖操纵子学说”（图2）。

结合“乳糖操纵子学说”，教师提出指向核心素养的问题串：（1）过程①称为转录，需要何种酶？该酶具有什么功能？（2）研究人员将各种原核基因与RNA 聚合酶结合后，通过 DNase I 水解 DNA，最后获得与 RNA 聚合酶结合且未被水解的 DNA 片段，发现这些片段都是由5个核苷酸（TATAA）组成的共同序列，从 DNA结构稳定性的角度分析，RNA聚合酶结合的DNA片段含“TATAA”序列的生理意义是什么？（3）图2中，物质b在基因表达中的作用是什么？完成过程④除物质b外，还需要其他什么条件？根据图示，过程④中的一种物质b为什么可以指导合成3种酶呢？（4）实验发现：在提供葡萄糖的情况下，大肠杆菌细胞中半乳糖苷透过酶（Y）以最低量（细胞中不超过5分子Y）存在， Y分布在大肠杆菌细胞的细胞膜上，低含量的Y可以保证在有乳糖时能运输乳糖进入细胞，通过什么途径启动乳糖操纵子的表达？合成Y还能促进乳糖吸收，这种调节属于何种调节？

学生通过小组的讨论和教师的归纳，能够准确利用图2的乳糖操纵子模型解释大肠杆菌“二次生长曲线”中cd段形成的原因，即在细胞内存在乳糖分子的情况下，解除了阻碍蛋白对结构基因表达的抑制作用，合成多种酶，最终促进乳糖的吸收和利用。

在这个活动中，教师利用问题（1）和（3）设置进阶型问题序列，引导学生梳理相关的知识内容，实现一轮复习化零为整的目的，培养了学生的生命观念;通 過问题（2）培养学生的知识迁移能力，从DNA分子结构的稳定性到DNA分子转录时，需要以解旋后的一条链作为模板，这也是一种科学思维能力的培养。问题（4）则是第一部分内容的延续，重点阐明曲线A 中cd 段形成的原因，使学生在探究的过程中，形成对实验现象的好奇心和求知欲，掌握科学探究的基本思路和方法，培养学生的探究能力。

教师引导学生继续思考：进一步研究发现，在有葡萄糖供应时，细胞中也有少量的酶Y，将乳糖运进细胞。这就意味着当环境中葡萄糖和乳糖同时存在时，细胞中也存在少量乳糖，大肠杆菌为什么不能利用乳糖呢？曲线ab段形成的原因是什么？

6.4 学生分析葡萄糖供应时大肠杆菌不能利用乳糖的原因

教师提供资料：研究发现，大肠杆菌乳糖操纵子的启动子是一种弱启动子（与RNA聚合酶亲和力低），单纯因乳糖的存在发生去阻遏作用，还不能使细菌很好利用乳糖。1965年，科学家发现，大肠杆菌中cAMP （环磷酸腺苷）浓度与葡萄糖浓度存在负相关。细胞中cAMP是腺苷酸环化酶（AC）催化ATP转化而来，高浓度的葡萄糖会抑制AC 的活性。细胞中的cAMP 与 cAMP 受体蛋白（CAP）形成 CAP-cAMP 复合物，后者结合乳糖操纵子启动子的上游，并与启动子上RNA聚合酶结合并相互作用，增强了RNA聚合酶的功能。

针对资料，教师提出问题：① 在提供葡萄糖情况下，大肠杆菌为什么不能利用乳糖？② 利用所提供的材料，尝试用模式图表示当葡萄糖消耗完后，在大肠杆菌细胞中发生的代谢调节和基因表达，适应仅有乳糖的环境，利用乳糖实现“二次生长”。

在这个活动中，通过提供的材料，教师指导学生分析曲线A 中ab段的形成原因，使学生理解：大肠杆菌生长在含葡萄糖和乳糖的培养基时，先利用葡萄糖的原因。通过小组合作构建模型，学生真正理解乳糖操纵子模型，并能用模型解决实际问题。模型构建有利于培养学生透过事物现象揭示其本质特性的洞察力以及简约严密的思维品质，使学生体验由具体到抽象的思维模式转化。

6.5 以“基因”为关键词构建知识框架

在一轮复习中，基因的表达是大单元遗传分子基础中的一个小专题，也是最后一个小专题。教师引导学生构建单元视域的知识框架，培养归纳与推理的能力，培养了学生在解决问题中的自主分析能力和深度思考能力，真正实现了“单元序列化教学”的高效课堂。

7  教学反思

本节课以科学的研究发现过程为线索，通过构建乳糖操纵子模型帮助学生全面了解了大肠杆菌的“二次生长曲线”，使学生从本质理解大肠杆菌在不同营养条件下的代谢调节机制。教师设计探究情境、提出系列问题、逐层思考，在强化基础知识的同时，也培养了学生的科学思维和科学探究能力。模型构建和小组合作培养了学生的团队合作能力。教师要注意渗透生命观念，引导学生运用生物进化与适应观，解释现存生物适应的普遍性。另外，还可引导学生思考应该如何利用所学的知识来应对现实生活中的问题，培养学生的社会责任意识。

本节课通过基于资料分析的探究教学，教师在教学中针对情境呈现一系列问题，激发了学生学习和探究的欲望，使学生在真实材料分析、模型构建、小组讨论合作中培养了生命观念、科学思维、科学探究等学科核心素养，实现了基础知识与学科素养的融合。这种模式对教师和学生都提出了更高的要求，课堂操作过程中会有活动不顺畅或冷场的现象。如果教师能够持之以恒，则会有很大的收获。

在高三复习课中，教师要善于把握现代生物学科研究发展的前沿动态与学科思维本质，扣准《课程标准》，基于学生视域，遵循学科思维发生发展的节律，引导学生在生活中学，学会举一反三，融会贯通。复习阶段的素养进阶是一项系统工程，离不开教师的智慧引导，更离不开学生良好思维品质的培塑，师生之间协同性的智慧融通，是达成学科素养不断进阶升级的必然选择。

参考文献：

[1] 付 鑫.指向建立生命观念核心素养的教学设计[J].中学生物学，2020，（5）：20-22.

[2] 蔡利永.创设真实情境指向核心素养[J].生物学教学，2018，（10）：25-26.

[3] 朱玉贤.现代分子生物学[M].北京：高等教育出版社，2019：252-254.