基于单元整体教学的“基因突变可能引起性状改变”课时教学设计

虞银江

摘 要 以“基因突变可能引起性状改变”一节为例，按“情境—问题—任务—活动—评价”的主线，阐述基于单元整体教学的课时教学设计，提升学生的核心素养水平。

关键词 单元整体教学 基因突变 教学情境

中图分类号 Ｇ633. 91 文献标志码 B

1 单元整体的设计

“生物的变异”单元聚焦《义务教育生物学课程标准（2022年版）》中的重要概念“由基因突变、染色体变异和基因重组引起的变异是可以遗传的”，该重要概念由4个次位概念形成，支撑大概念“遗传信息控制生物性状，并代代相传”的建构，支持大概念“生物的多樣性和适应性是进化的结果”的学习。这些概念之间的关系如图1所示。

该单元要解决的核心问题为：① 为什么生物在遗传过程中存在变异现象？② 如何开发有利变异、减少不利变异？单元情境以“育优良后代”为导向，选取番茄育种为主情境统领单元学习，选取新生儿遗传病为次情境，有助于学生深入理解“优良后代”的含义。番茄是生活中常见的蔬菜，在育种方面有大量成果，育种涉及的基因突变、基因重组等可遗传变异与本单元知识内容的契合度较好。人类遗传病也是由于遗传物质异常而导致个体患病，与学生的生活联系更加紧密。

单元核心问题是抽象、脱离情境的，合适的单元情境能与单元核心问题有机整合，产生具体的单元问题，有效串联各课时教学（图2），因此单元问题设定为： （1）培育形色各不相同的番茄品种背后的生物学原理是什么？ （指向核心问题①）； （2）如何根据不同要求和目的选择合适的育种方式？如何根据人类遗传病的发病原理进行检测和预防？ （指向核心问题②）。学生学习课时内容的过程就是解决单元问题的过程，因此也强化了迁移运用知识的能力。

2 课时教学分析

本课时为单元教学的第一课时。基因突变是基因中碱基序列的改变。这种改变是可遗传的，可能导致所编码的蛋白质及相应的细胞功能发生变化，甚至带来致命的后果。基因突变是生物变异的根本来源，是生物进化的原始材料，在生物育种如太空诱变育种等领域有重要作用。本节内容有助于学生深入理解基因对性状控制的复杂性，从本质上理解基因重组和染色体结构变异对生物带来的影响，培养学生辩证看待遗传物质的变与不变的意义和作用，使学生进一步建立结构与功能观、进化与适应观，发展科学思维、树立社会责任感。

学生已经学习了基因的遗传规律、基因的本质、基因的表达等内容，知道基因是有遗传效应的DNA片段，DNA的双螺旋结构和半保留复制的机制都保证了亲代DNA的遗传信息能够准确传递给子代。生物的变异既是学生能感知的现象，又与学生认知中遗传物质保持稳定的特性相矛盾，学生感到既好奇又困惑，这种认知冲突是开展教学的良好契机。同时学生对社会热点话题非常感兴趣，能积极主动搜寻资料并开展讨论。

3 课时情境、子问题与子任务

从单元情境中提取适合本课时教学的情境，提炼课时子问题并设计子任务。课时情境：番茄的黄果肉（r）是由红果肉（R）基因突变产生，缺乏八氢番茄红素合成酶，番茄红素合成受阻。课时子问题：为什么基因突变后生物的性状可以发生改变？子任务：探索基因突变。

4 指向核心素养的教学目标

（1）概述基因突变的概念，阐明基因突变的结果；举例说出基因突变的诱因；说明基因突变的意义及其在育种上的应用。

（2）能收集太空育种的资料并分类整理。

（3）分析并归纳基因突变的特点，分析基因突变可能不影响性状的原因；简单论证太空育种带来的利弊。

（4）认同我国培育适应极端条件作物的价值和深远意义。

5 教学过程

5.1 创设单元情境，提出核心任务

教师展示单元情境：番茄营养价值的资料、常见的各种番茄品种的图片。提出单元问题（1）培育形色各不相同的番茄品种背后的生物学原理是什么？

设计意图：本课时是单元教学的第一课，首先展示单元情境和单元问题，让学生在学习时始终能围绕主题、抓住关键。选择生活化的情境并设置单元主题，能有效激发学生的兴趣。

5.2 聚焦课时情境，落实概念建构

5.2.1 活动1：探究基因突变的方式和结果，分析基因突变可能不影响性状的原因。

教师呈现资料1：番茄的黄果肉（r）是由红果肉（R）基因突变产生，缺乏八氢番茄红素合成酶，番茄红素合成受阻。呈现资料2：正常基因（R）和突变基因（r）的序列片段（图3）。提问：为什么碱基对发生替换，导致细胞缺乏八氢番茄红素合成酶？要求学生分析上述两个基因表达的氨基酸序列（并作说明：以上面的链为模板链，各片段均位于启动部位之后，9个碱基均能转录）。

学生写出R和r基因表达的氨基酸序列，从序列异常角度来理解细胞缺乏正常的酶。

设计意图：围绕番茄育种这个单元情境提供真实资料，提升情境的统领性和学生思考问题的积极性。以直观的基因序列为对象，引导学生分析并建构基因突变的概念。通过书写密码子、检索氨基酸，让学生用基因表达的知识来分析基因突变的结果，强化“基因控制性状”概念的理解。

教师提问：还有什么方式会引起基因突变，会对氨基酸序列带来什么影响？布置小组任务：每个小组分析一段序列（图4），描述该段序列与R基因序列的差异；利用基因表达的知识，分析氨基酸序列（要求同上）。

学生小组合作完成序列分析；听取不同小组的结果汇报，并作出合理评价。

设计意图学生通过小组合作讨论解决问题，各小组的讨论结果作为共同的学习材料，能有效提升学习效果。通过分析不同突变方式的结果，学生对突变带来的影响有了直观的感受，能初步理解本节的标题“基因突变可能引起性状改变”。

利用氨基酸序列结果，学生归纳“替换带来的影响相对最小”这一结论。教师引导学生利用资料3 （图5）深入理解基因突变及其对性状的影响：DNA分子上碱基对缺失、插入或替换引起的核苷酸序列变化，都可以称为基因突变吗？基因突变可能引起性状改变，换个角度看，基因突变可能不会引起性状改变，可能的原因有哪些呢？

学生讨论并得出结论： （1）只有发生在基因内部的碱基对变化，才能引起基因突变。 （2）突变后性状不发生改变的原因包括：① 成熟mRNA序列改变，氨基酸序列未变；② 成熟mRNA序列未变，氨基酸序列未变；③ 氨基酸序列改变，蛋白质功能未变。

设计意图：利用基因和DNA的模式图作为支架，对基因突变的概念进行剖析，落实课时概念的理解。提供图片资料，引导学生获取信息、分析推理。学生利用信息从不同方面解释“基因突变可能引起性状改变”，提升概念的深度理解。

活动1小结：教师完善部分板书并总结：碱基对序列改变，可能导致mRNA序列改变，可能导致氨基酸序列改变，可能产生异常蛋白质，可能体现新性状。因此基因突变可能产生新性状。如果这个新性状是人们感兴趣的，有一定经济价值的，如红果肉番茄突变成黄果肉番茄，那么可以加以栽培利用，也就是可以应用于育种领域。

5.2.2 活动2：归纳基因突变的特点、列举基因突变的诱因

基因突变可能会引起性状改变，这种可能性有多大呢？教师呈现资料4见表1。

学生利用资料归纳基因突变的5个特点并完成记录表（表1）。教师过渡：基因自发突变的概率非常低，希望通过自发突变产生新性状可能性非常小。人们想到了可以利用一些技术方法诱导以提高突变率。

教师呈现资料5： （1）经过太空“旅行”的番茄。太空番茄是將普通番茄种子搭载于航天卫星，经过太空的特殊环境处理后，内部结构发生激变。太空番茄的维生素含量高于普通番茄2倍以上，对人体有益的微量元素含量铁提高7.3%、锌提高21.9%、铜提高26.5%、磷提高21.9%、锰提高13.1%、胡萝卜素提高5.88%。

（2）本研究以番茄品种“JW9”为诱变原材料，利用不同浓度的化学诱变剂EMS（甲基磺酸乙酯）诱变处理加工番茄种子，根据种子的萌发情况，筛选EMS诱变番茄种子的半致死剂量，通过表型鉴定、定向筛选等方法对子代群体进行耐盐突变体的筛选与鉴定，以期建立番茄耐盐突变体的筛选与鉴定技术体系，获得丰富的番茄耐盐种质材料。

学生总结诱发基因突变的因素包括物理因素、化学因素。教师补充生物因素在诱导基因突变中的应用。

设计意图：引导学生分析资料并归纳提取基因突变的特点，提升学生的科学思维能力。利用基因突变的特点引出番茄育种中有关诱变的资料，进一步凸显情境的贯穿作用，培养学生获取信息、归纳整合的能力。

活动2小结：教师总结并完成板书（图6），以概念图形式呈现课堂板书，引导学生利用概念模型将关键知识进行梳理和构建。学生在比较、抽象、推理等思维过程中逐步形成课时概念结构。

5.3 课堂评价

学生以“太空育种”为主题汇报小组观点。汇报员从观点、证据（材料）、推理三个方面阐述，评分员利用评分规则（表2）进行评价。

设计意图 ：联系实际，以所学知识分析评论当下社会热点话题。学生通过收集资料、分析讨论，形成对太空育种的小组观点，并应用论证的模式阐述观点，有效提升理性思维能力和社会责任感。

6 教学反思

本节课聚焦重要概念“由基因突变、染色体变异和基因重组引起的变异是可以遗传的”下的子概念“基因突变可能引起性状改变”。在单元情境“番茄育种”的统领下，以“情境-问题-任务-活动-评价”为主线开展教学设计，整体思路清晰、重点突出，活动目标明确，学生参与度高，取得了较好的效果。教学的亮点主要体现在两方面。一方面是基于真实情境提出问题，将问题解决与概念建构较好地融合。课堂从学生熟悉的红果肉、黄果肉番茄这一对相对性状为起点，依次进行基因突变的方式、结果、特点、诱变因素等内容的学习，最后用概念图进行整理。这样的处理使概念建构为明线、问题解决为暗线，学生通过活动积累感性认识、进而建构概念的同时，单元问题也能得到逐步解决。另一方面是设计不同活动，多角度培养核心素养。如运用基因模型，较好地落实生命观念：通过给学生提供不同突变方式的基因序列，推断基因结构改变可能导致其编码的蛋白质功能发生改变，进而可能导致性状改变，让学生体会结构与功能相适应的观点。又如：学生通过收集太空育种的资料并提炼自己的观点，关注热点和其背后的科学、社会因素，提升科学思维习惯、增强自身的社会责任意识。

参考文献：

［1］ 周初霞等.聚焦重要概念的生物学单元教学课例研究［M］.浙江：浙江科学技术出版社，2021：95.

［2］ 汪斌.甲基磺酸乙酯（EMS）诱变加工番茄耐盐突变体的筛选与鉴定［D］.新疆：石河子大学，2016.