核心素养视角下的生物学概念教学

摘 要：文章中的课堂案例以问题情境为导向，运用探究性学习开展概念教学，在真实情境中解决具体问题，促进学生形成“结构与功能观”等生命观念，提升“归纳与概括”“批判性思维”等能力，建立健康生活的态度等社会责任，落实生物学学科核心素养的达成。

关键词：核心素养；表观遗传；概念教学；问题情境；假说演绎法

中图分类号：G633.91   文献标识码：A   文章编号：1673-8918（2022）44-0130-05

核心素养是高中生物学教育近些年来关注的热点，生物学科核心素养是学生在高中生物学习过程中慢慢发展起来的，在解决真实情境中的具体问题时所表现出来的价值观念、必备品格和关键能力，是学生知识、能力、情感态度与价值观的综合体现；包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。新课程的基本理念之一是模块内容聚焦大概念。在教材中，精简容量，突出重点，确保学生有相对充足的时间来进行主动学习，让学生能够深度理解和应用一些重要的生物学概念，同时发展了生物学学科核心素养。

表观遗传是近几年发展起来的一项热点研究内容，有别于经典遗传学，对生物的发育、遗传等有了新的解释，因此2019年人教版高中生物学教材必修2《遗传与进化》将其纳入了教学课堂中。本篇论文就以这本教材中的第4章第2节“基因表达与性状的关系”为例，讨论核心素养视角下的生物学概念教学。

一、 教材和学情分析

基于《普通高中生物学课程标准》（2017年版，2020年修订）的内容要求，在必修2中，要求学生能够“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表现”，增加了次位概念“概述某些基因中碱基序列不变但表型改变的表观遗传现象”，这两个次位概念都隶属于重要概念“亲代传递给子代的遗传信息主要编码在DNA分子上”，大概念“遗传信息控制生物性状，并代代相传”。本节围绕大概念和重要概念组织开展教学，让学生从一些零散的生物学事实层面上，归纳概括并建立相关生物学概念，建构概念模型，去解决新情境下的具体相关问题，从而发展生物学学科的核心素养。本节中的概念教学模型如图1所示。

作为课标和教材新加入的教学内容，有关表观遗传的学习，是本节课的重难点。表观遗传是遗传学的最新分支，也是近几年的热点研究方向，和经典遗传学有一定的区分度，是对经典遗传学的补充和延续。本节的教学起点应落在学生固有的经典遗传学知识土壤上，引导学生去理解表观遗传学发展起来的必然性，增强学生知识与应用的链接。为突破重难点，本节课以问题情境为导向，运用探究性学习开展概念教学，在真实情境中去解决具体问题，落实生物学学科核心素养的达成。

学生在前面的章节学习中，已经明确了“基因通过其表达产物——蛋白质来控制性状”，基因不同会导致可遗传的性状不同。但是并不知道，即使基因相同的个体之间也会存在可遗传的性状差异，例如同卵双胎、蜂王和工蜂等。教材给出了多个生物学事实，例如“柳穿鱼花的形态结构的遗传”“小鼠毛色的遗传”等实例，以若干问题串创设情境，要求学生自主分析推理柳穿鱼花的原因，学生可以建立表观遗传学的初步生物学概念。然后在此基础上，引导利用假说演绎法来探究小鼠毛色性状改变的案例。在探究体验过程中，学生思维得到了碰撞，分析内在原因，利用不完全归纳法归纳出表观遗传的概念，并且利用概念模型再去分析生活中的表观遗传学现象。学生在思考基因表达与性状之间的关系后，能够建构“遗传信息控制生物性状，并代代相传”的这个大概念，形成“结构与功能观”“生物多样性与统一性”等生命观念，发展了“归纳与概括”“批判性思维”“模型与建模”等科学思维，认识到科学是不断发展的和建立健康生活的态度等社会责任。具体教学内容与核心素养发展的落实见图2。

二、 教学目标

根据课程标准的内容要求，制定了如下教学目标：

1. 举例说明基因通过控制酶的合成或蛋白质的结构控制生物体的性状，认同生命是物质、能量和信息的统一体，提升对生命本质的理解。

2. 概述表观遗传通过DNA甲基化抑制基因表达来改变生物性状，基因选择性表达导致细胞分化等生物学事实，认同“结构与功能观”“生物多样性与统一性”等生命观念。

3. 开展以探究为特点的主动学习，分析材料，构建出表观遗传的概念模型；提升“归纳与概括”“批判性思维”“模型与建模”等科学思维。

4. 通过对生活中一些具体案例的分析，认识到良好生活习惯对后代具有重要意义，建立健康生活的态度、关爱生命等社会责任。

三、 教学过程

（一）复习导入，设疑

活动1：老师播放转录和翻译的视频，引导学生回顾“基因可以通过其表达产物——蛋白质来控制性状”。利用教材问题探讨的同一株水毛茛两种不同形态的叶片设疑，激发学生思考：“两种不同形态的叶片细胞中，基因组成一样吗？”“你觉得叶片形态的差异可能是由什么因素导致的？”

设计意图：新课引入，从学生已经掌握的知识入手，有利于学生快速高效地抓住新旧知识的“链接点”，初步理解表观遗传现象与经典遗传的区别。新旧知识引起的认知冲突，可以快速地抓住学生的好奇心，激发其探究事实真相的兴趣。

（二）基因表达产物与性状的关系

活动2：结合教材“豌豆的圓粒和皱粒”和“囊性纤维化的发病机理”的实例，分析生物学事实，明确基因是通过控制酶的合成或蛋白质的结构，进而控制生物体的性状。然后在归纳总结的基础上构建出概念图（图3）。

设计意图：培养学生自主阅读和独立思考的能力，学生自己动脑构建概念模型，充分理解基因、基因表达产物、生物性状之间的关系，认同生命是物质、能量和信息的统一体，提升对生命本质的理解，真正建立起生命的物质观。

（三）基因的选择性表达与细胞分化

活动3：分析教材图表（表1），让学生先在图表上方写出转录翻译过程，DNA→mRNA→蛋白质，以问题情境的方式引导学生从DNA，mRNA，蛋白质3个水平去分析3种不同细胞：“分析表格信息，推测这3种细胞在DNA水平上有没有差异？为什么？你用的是什么归纳法？”“这3种细胞在mRNA水平上是否有差异？为什么？”表格信息只能说明这3种细胞都具有上面3个基因，但根据它们都是来自同一个个体的体细胞，学生利用已有的生物学知识可以不完全归纳出这3种细胞在DNA水平上是没有差异的。据表分析3个基因在3种细胞中的活动和关闭状态不一致，导致了mRNA水平上出现了差异。因此这时候学生很容易得出概念：细胞分化的本质就是基因的选择性表达。“虽然表格中没有蛋白质的数据，你能不能推测出这3种细胞在蛋白质水平上是否有差异？你的依据是什么？”翻译蛋白质的直接模板就是mRNA，这3种细胞在蛋白质的表达上也存在着差异。最后老师在教材表格上增加两列“ATP合成酶的mRNA”“核糖体蛋白的mRNA”，由学生利用已有知识进行预测并将表格补充完整，在此基础上，教师引出“管家基因”和“奢侈基因”的概念。管家基因是每个细胞中必须表达的，而奢侈基因是选择性表达的，进一步帮助学生理解细胞分化的实质。

设计意图：回顾已有概念，激活固有知识，以问题为导向，让学生分析科学研究数据，一步一步走向新的发现，引导用不完全归纳法归纳总结出细胞分化的本质，达成教学目标，认同“结构与功能观”“生物多样性与统一性”等生命观念，并提高学生“归纳与概括”的科学思维能力。

（四）表观遗传

活动4：組织以探究为特点的主动学习，分析教材第73页有关柳穿鱼花的形态遗传的资料，以若干问题串创设情境：“两种形态的柳穿鱼花，Lcyc基因碱基序列是否相同？Lcyc基因高度甲基化影响了什么？DNA甲基化现象是否能够遗传给后代？是否遵循孟德尔遗传规律？”不管是左右对称还是辐射对称，在A、B植株中，Lcyc基因都存在并且碱基序列相同，有差异的是A植株中Lcyc基因无甲基化，正常表达，而B植株中Lcyc基因高度甲基化，表达被抑制。F2代又出现了植株B的辐射对称花的性状，因此DNA甲基化是可以遗传的。但是性状分离比为34∶5，不遵循孟德尔遗传规律，证明甲基化的遗传并不是很稳定。

在柳穿鱼花形态遗传分析后，学生对DNA甲基化具备一定的认知。这时引导学生用假说演绎法来分析小鼠毛色遗传，进行探究性学习。

1. 提出问题：纯种黄色体毛小鼠AvyAvy和纯种黑色体毛小鼠aa的F1代为什么不是黄色的？

2. 提出假说：Avy基因的甲基化无法稳定遗传。

3. 演绎推理：在F1代不同毛色的小鼠中Avy基因的甲基化程度不同。教师可以提供更为详细的Avy基因不同程度甲基化而被影响表达的有关图（图4），让学生自主分析推理小鼠毛色性状改变的原因，发现Avy基因的甲基化程度越高，表达受到的抑制就越明显，小鼠体毛的颜色就越深。当Avy基因无甲基化时，Avy基因正常表达，Avya小鼠的体色为黄色。当Avy基因高度甲基化时，表达被抑制，Avya小鼠就表现出黑色性状。当Avy基因部分甲基化时，Avy基因的表达也就部分被抑制，因此Avya小鼠就出现介于黄色与黑色的中间色。

4. 设计实验：让F1代Avya不同毛色的小鼠与纯种黑色体毛小鼠aa测交，同时做正反交实验。结果如图（图5）所示。分析：a组和b组的差异在于Avya是做父本还是做母本。在a、b组中，又分三组，分别用了三种不同颜色的Avya小鼠来测交。实验结果表明，a组在父本Avya甲基化程度有差异的情况下，测交子代的表现型基本没有差异。b组在母本Avya甲基化有差异的情况下，子代也表现出了差异。

5. 得出结论：Avy的甲基化遗传可能通过母本传递，不能通过父本传递，因此出现了不稳定遗传的现象。

设计意图：学生聚焦课本教材资料，开展以探究为特点的主动学习，对真实存在的生物学现象分析推理，用不完全归纳法归纳总结出表观遗传这个次位概念，达成教学目标，并提高学生“获取信息”“演绎推理”“归纳与概括”的科学思维能力，建构“结构与功能相统一”“生物多样性与统一性”的生命观。通过活动，学生进一步认识到科学是需要证据的，认同“科学是不断发展的”的科学本质观。表观遗传与经典遗传引发的认知冲突，有助于学生形成批判性思维，认同科学概念也是在不断更新或修正的，人们对自然界的探究永无止境。

（五）表观遗传与健康生活

活动5：尝试利用表观遗传的概念模型来解释：“同卵双生的双胞胎虽然具有相同的DNA序列，却存在表型的差异和疾病易感性的差异。为什么？”“蜂王和工蜂都是由同一批受精卵发育来的，为什么会有不同的命运？”研究发现，男性吸烟者的精子活力下降，精子中DNA的甲基化水平明显升高。联系生活，思考：“我们生活上的一些习惯，会不会影响到我们的后代呢？”布置学生课后查阅相关资料，了解过度饮酒、抽烟、熬夜、高糖饮食等不良生活习惯对后代的影响。

设计意图：学生能够利用表观遗传知识解释生活中的具体现象，并且理解健康生活的重要意义，倡导良好生活方式，关爱生命，提高社会责任。

（六）基因、表达产物、性状、环境之间复杂的关系

活动6：利用教材中案例，例如豌豆的圆粒和皱粒这对性状就是由R和r一对等位基因控制的，即一因一效。而人类的身高是由多个基因决定的，即多因一效。水稻的Ghd7基因不仅参与了开花的调控，而且对水稻的生长、发育、产量都有影响，即一因多效。从这些生物学事实，归纳出基因与性状并不是简单的一一对应的关系。基因之间有相互作用，基因是有选择性地表达，环境可以影响基因的表达来影响性状，例如表观遗传，基因通过控制酶的合成或蛋白质结构来控制性状等，因此基因、基因产物、性状、环境之间存在着错综复杂的相互作用。最后，师生一起建构基因、表达产物、性状、环境的知识网络，把本节的知识点串联起来形成思维导图（图6）。

设计意图：用具体事例帮助学生建立基因与性状之间复杂的关系，学会尊重事实和证据，认同生物学中因果关系的复杂性，学会摈弃简单果断的线性决定论的一般思维模式，形成批判性思维，尝试多角度、多因素、多方面地分析复杂生物学现象，加强知识之间的联系，构建系统的知识框架。

四、 教学反思

表观遗传是对经典遗传学的补充和延续，教师在本节课的教学起点要落在固有经典遗传学的知识土壤上，在教学前还必须储备更多的遗传学相关知识和常见的几种表达遗传机制，有选择性地利用素材来丰富表观遗传的教学。

本节课以问题情境为导向，运用探究性学习开展概念教学，主要体现了以下两个特点：第一，注重概念教學，学生在探究体验过程中，深化基因与性状之间关系的理解，构建多个概念模型，并且学会运用概念模型来解释生活中的具体现象。通过探究—构建—运用，确保了落实生物学科核心素养教学的达成。第二，充分挖掘了教材中体现生物科学素养的内容，通过探究活动，促进学生形成“结构与功能观”“生物多样性与统一性”等生命观念，提升“归纳与概括”“批判性思维”“模型与建模”等科学思维，认识到科学是不断发展的和建立健康生活的态度等社会责任。

学生课堂上明显对“父母的生活习惯可能因为表观遗传而影响后代的性状”充满了兴趣，课后可以成立兴趣小组，查阅更多相关资料，了解更多有关表观遗传的现象及其原理，例如X染色体失活、组蛋白修饰、RNA干扰等案例，分析更多的生物学事实。此举有助于培养学生积极关注科学技术发展、关注社会热点问题的好习惯，把生物学科核心素养的培养落实到课后。

参考文献：

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［3］钱元元.“表观遗传及其机制”教学设计［J］.生物学教学，2021（2）：30-32.

［4］刘明月，唐赟.基于生命观念核心素养的高中生物学教学设计初探：以“细胞的能量供应与利用”一章为例［J］.中学生物学，2020（1）：18-20.

［5］赵彩凤.基于深度学习理论的表观遗传概念教学设计［J］.生物学教学，2022（2）：45-47.

作者简介：林燕妮（1983～），女，汉族，福建泉州人，厦门市松柏中学，研究方向：高中生物学教学、生物学科核心素养培养。