基于论证式教学策略的高中生物学教学设计——以“基因表达与性状的关系”第2 课时为例

刘学林 倪 娟

(云南师范大学生命科学学院 云南昆明 650500)

《普通高中生物学课程标准(2017 年版2020 年修订)》(以下简称“新课标”)中明确指出“能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,探讨生命现象及规律,审视或论证生物学社会议题。”而论证式教学策略是当前国内外教育研究者关注的热点之一,对科学思维素养的提升有重要的促进作用。 基于此,将论证式教学策略运用到高中生物学教学中是落实学生核心素养尤其是科学思维素养的途径之一,且符合新课程改革的发展要求。

1 论证式教学策略

论证式教学从属于科学探究,是指将科学论证活动引入课堂教学,让学生在课堂学习中经历类似科学家进行科学探究的论证过程,更注重学生思维能力的培养而不过分强调动手实践,要求学生尊重事实和有较强的证据意识以及逻辑思维能力。 本文笔者根据教学内容特点,以“事实—问题”为主线展开论证式教学,主要思路是导入新课引出学生原有主张,提供事实资料反驳原有主张,再提供支持新主张的事实资料分析理由,在事实资料的剖析中完善形成新主张。

2 前端分析

2.1 教材和课标分析

本节内容选自人教版生物学教材《必修2·遗传与进化》(以下简称“新教材”)第四章第二节,考虑到本节涉及内容较多,为保证教学质量,笔者将本节内容分为两个课时,其中第二课时主要介绍表观遗传和基因与性状的关系等,属于新教材中新增的内容。 新课标模块2“遗传与进化”中核心概念3 是“遗传信息控制生物性状并代代相传”,它的次位概念之一即为“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”。 表观遗传研究发展迅速,相关类型和机制在不断地更新和完善,教材中主要介绍基因甲基化的表观遗传现象和相关作用。 但表观遗传现象较为抽象且学生对基因甲基化不存在前概念或前概念有误,因此“表观遗传”这一概念属于本节教学的重难点。综上,本课时教学中引入论证教学,意在引导学生对事实资料的分析和论证,深入理解概念,突破难点,从而培养学生的科学思维能力。

2.2 学情分析

本节课为高一年级的新授课,高一学生好奇心和求知欲强,逻辑思维能力得到一定提升但论证能力较弱。 在此之前,学生已经掌握了组成细胞的分子、细胞分化和增殖、基因的本质和基因表达等内容,并在初中和本书第一章已经学习了性状的概念,具有一定的知识基础;但学生对性状和环境的关系还处于简单理解阶段,对表观遗传信息对基因表达的调控是不清楚的;此外,他们可能会对基因型相同的生物有不同的表型这一现象较感兴趣。 教学将采用问题引导和论证的策略,培养学生证据意识。

2.3 教学目标

基于课标和教材要求,围绕学生核心素养的发展,将本课时教学目标设计如下:

(1) 基于事实资料和论证分析,能运用结构与功能观概述表观遗传现象并分析和解释基因与性状的关系。 (生命观念)

(2) 能基于柳穿鱼和Avy鼠的资料,结合归纳与概括、批判等方法进行论证,得到“基因的碱基序列不变,但表型和基因表达会发生可遗传的变化”这一主张,通过对基因与环境资料的分析,发展复杂性思维能力。 (生命观念、科学思维)

(3) 能利用夹子和拉链等材料小组合作完成“基因甲基化”模型的构建,以口头表达的形式描述基因甲基化的过程。 (科学探究)

(4) 认同表观遗传有研究价值,通过对吸烟和运动中基因甲基化变化等资料的分析,认同并养成健康的生活方式。 (社会责任)

3 教学过程

3.1 温故知新,引出原有主张

首先,教师提出复习性导入问题:基因是如何控制生物的性状呢? 结合学生的回答,教师再提出问题:生物基因的碱基序列不变,其性状就一定不会发生改变吗?

教师利用学生已有知识引入新课,引导学生建构原有主张“基因通过控制酶的合成和蛋白质的结构控制生物性状”,并再次提问引发学生思考。

3.2 寻找证据,反驳原主张

教师以图文的形式展示同卵双胞胎的图片和资料,引导学生论证生物碱基序列和性状的关系。 学生可以同卵双胞胎碱基序列相同但易感性、体貌特征等表现不同提出反驳:生物基因的碱基序列相同的同卵双胞胎性状上也会存在差异。

教师以同卵双胞胎的事实资料引发学生产生质疑,进而反驳原有主张,得出新的主张“生物基因的碱基序列不变,但表型也许会发生变化”,即引发认知冲突。

3.3 结合案例事实,科学论证

教师展示柳穿鱼花的图片,提出问题:柳穿鱼花为什么会有不同的性状(两侧对称花和辐射对称花)?教师补充课本73页的事实资料:柳穿鱼花的形态结构与Lcyc 基因直接相关,并请学生分析资料,小组合作完成论证主张表(表1)。

表1 论证主张表

教师针对学生论证主张表的完成情况进行引导和补充。 学生得出理由1:受基因甲基化的影响,基因序列相同的柳穿鱼花会有不同的基因表达。 此时,学生可以得出观点1:基因的碱基序列不变,但基因表达可以发生改变。 学生产生疑问:什么是基因的甲基化? 为什么基因的甲基化会影响基因的表达呢?

教师播放基因甲基化的视频,组织学生以小组为单位进行教学活动,用夹子、拉链建构基因甲基化的过程。 教师提出问题:夹子和拉链分别代表的是什么?如何模拟DNA 的甲基化呢? 学生拉动拉链模拟甲基化前的DNA,和被夹子(甲基基团)夹住的DNA(图2)的转录过程,对比可知:DNA 的甲基化通过阻碍DNA 聚合酶(拉链头)与DNA 的识别及结合抑制DNA 表达。

图1 DNA 甲基化前

图2 DNA 甲基化

在此环节教学中,教师以问题串的形式层层引导,让学生通过对事实资料的分析和论证得出支持主张的理由1:基因的碱基序列相同的生物会有不同的基因表达,培养学生尊重事实和证据的科学精神;运用结构与功能观,通过视频播放和小组合作建构物理模型,将抽象问题具象化,学生在建构物理模型模拟DNA 甲基化的过程中尝试解释DNA 甲基化和基因表达之间的联系,既可以培养的团队合作能力又可以突破难点,进一步理解DNA 甲基化的过程。

接着,教师引导学生思考:为什么柳穿鱼花F1自交后,后代大部分与亲本两侧对称花型相似,只有少部分与亲本辐射对称花型相似? 学生通过分析柳穿鱼花(辐射对称和两侧对称花)杂交和F1自交后表型的不同(不符合孟德尔遗传规律),可以得出F2中辐射对称花型基因是由F1植株从亲本的辐射对称花基因中获得的,即基因的甲基化是可以遗传的(图3)。由此学生可以得出观点2:基因的碱基序列不变但表型可以发生可遗传的变化。

图3 柳穿鱼花甲基化基因的遗传

教师引导学生通过对事实资料的分析,得出理由2:DNA 的甲基化是可遗传的,以此支撑主张。

3.4 丰富论证证据

教师展示课本23页Avy鼠的资料,请学生尝试书写纯种黄色体毛小鼠和纯种黑色体毛小鼠杂交得到的子一代的基因型并预测其表型。 教师提出问题:为什么科学家的实验结果出现了不同毛色的小鼠? 教师继续展示资料2 内容引导学生思考Avy鼠和柳穿鱼花的遗传现象有什么共同点?

教师引发学生思考,培养学生发现问题和作出假设的能力;引导学生得到支持主张的理由:Avy鼠F1不同毛色小鼠基因表达的模式是不一样的且是可以遗传的。

3.5 得出主张

通过上述的论证活动,学生认识到了柳穿鱼花和Avy鼠基因与性状的关系。 教师引导学生归纳概括形成新主张:生物体的DNA 碱基序列不变但基因表达和表型可能发生可遗传的变化,即得出表观遗传的概念。 这个论证过程如图4 所示。

图4 本课“事实—论证”模式图

3.6 完善知识体系,树立社会责任

教师展示课本75页“与社会的联系”模块的资料,学生可以了解到除了DNA 甲基化,组蛋白上的修饰也会影响基因的表达,也是表观遗传的一种调节模式。

教师补充资料:研究发现,男性吸烟者的精子活力会下降,精子中DNA 的甲基化水平明显升高。 也有研究表明,处于健康状态的个体在运动后几分钟,细胞内的DNA 会出现瞬间变化,主要体现在运动后骨骼肌中相关基因的甲基化程度显著下降,促进相关基因的表达。 据此,教师提出问题:结合表观遗传知识和上述资料,你认为在日常生活中我们应该怎么做?

教师通过资料展示引发学生思考,既完善知识体系,又渗透社会责任,培养学生健康的生活方式,并运用生物学知识关注社会议题。

3.7 培养复杂思维

教师继续补充资料:① 人的身高是由多个基因决定的,其中每个基因对身高都有一定作用。 ② 我国科学家发现水稻中的Ghd7 基因编码的蛋白质不仅参与了开花的调控,而且对水稻的生长、发育和产量都有重要作用。 ③ 同一株水毛茛,浸在水中的叶与裸露在空气中的叶形态不同。 据此,教师提出问题:基因和性状/环境和性状之间有什么关系呢?

教师帮助学生建立基因表达调控复杂性的概念,培养学生的复杂思维能力。

3.8 完善概念图,建立知识联系

教师引导学生完成如图所示概念(图5),辅助学生建立本节知识间的联系,建构较完整的知识体系。

图5 基因表达与性状的关系概念图

4 小结与反思

本节课涉及问题引导、小组合作、构建模型、事实资料论证和与生活联系、资料分析等设计,引导学生在论证的过程建构“表观遗传”概念,达成新课标中的内容要求,进而建构基因、环境、性状之间的复杂网络关系,在知识学习中发展科学思维素养并渗透社会责任。但本次设计也有不足之处:学生对论证式教学较为陌生,课前应先简要介绍论证式教学的模型和论证表单的使用;评价和资料呈现方式单一,应调动学生多种感官参与,并请学生在论证过程中查找事实资料,做到真正的摆证据等。