融入生物科学史的5E教学设计

袁超祎　刘钰玲　胡婷

［摘 要］文章以“基因在染色体上”的教学设计为例，具体阐述如何将5E教学模式作为教学路径，将生物科学史中科学家的发现和经典实验过程作为教学情境，设计探究性问题，使学生积极参与教学活动，从思维层面重走科学家的探究历程，主动建构概念，培养学生的科学思维能力和科学探究能力，提升学生的生物学学科核心素养。

［关键词］5E教学模式；生物科学史；基因在染色体上；生物学学科核心素养

［中图分类号］    G633.91        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）29-0085-03

5E教学模式是一种基于建构主义的探究式教学模式，包括吸引（Engagement）、探究（Exploration）、解释（Explanation）、迁移（Elaboration）、评价（Evaluation）五个环节。该教学模式能促进学生积极参与教學活动，建构科学概念，契合高中生物学新课标的基本理念［1］。生物科学史记载了科学家探究生物学现象和规律的过程，蕴含解决问题的方法和思维方式，对发展学生的生物学学科核心素养有重要价值。但在教学生物科学史时，教师往往采用讲授法，而学生的认知停留在了解科学家故事与探究步骤的层面上，不能领悟科学家得出结论所用的方法，这不利于学生科学思维的发展［2］。

本文以“基因在染色体上”的教学设计为例，将5E教学模式与生物科学史相结合，并以生物科学史作为教学情境，开展探究式教学活动，旨在激发学生的学习兴趣，引导学生经历科学探究的过程，自主建构概念，掌握科学思维方法，培养科学探究能力，从而落实生物学学科核心素养。

一、教材分析与设计思路

“基因在染色体上”是人教版高中生物学教材必修2第2章第2节的内容，在学习了孟德尔的遗传规律和减数分裂中染色体行为变化的基础上，进一步以“假说—演绎”的逻辑思路介绍基因与染色体的关系，为后面学习伴性遗传、基因的本质等内容做好铺垫。教学设计思路见表1。

二、教学目标

（1）通过分析萨顿假说提出的原因、解释孟德尔遗传规律的实质，提升分析、归纳与概括的思维能力。

（2）运用“假说—演绎”法分析摩尔根果蝇杂交实验的现象，掌握科学探究的基本思路与方法，培养科学探究能力。

（3）通过体验摩尔根证明基因在染色体上的探究过程，认同科学研究需要敢于质疑、勇于探索求证的科学精神及尊重科学事实与证据的科学态度。

三、教学过程

（一）吸引——角色扮演，引出概念

课前查阅资料，课上师生角色扮演、编排对话，具体对话内容如下：

孟德尔：我发现了遗传规律，虽然现在没人理解，但我相信属于我的时代终将到来！

旁白：三十多年后，有3位科学家同时独立地完成与孟德尔相似的实验，并发现孟德尔的论文《植物的杂交实验》［3］。自此，孟德尔遗传定律逐渐被人关注。

萨顿：我发现蝗虫减数分裂过程中染色体的行为与孟德尔提出的遗传因子的行为有联系，我推测基因位于染色体上。

摩尔根：我想知道孟德尔遗传规律是否适用于动物，所以就用鼠、鸽等材料做实验，但实验结果都不理想，我开始怀疑孟德尔的观点［4］。你的观点没有实验证据，只是推理，我不相信。

摩尔根的妻子：摩尔根，快来看，实验室里出现了一只白眼雄果蝇。

摩尔根：等着吧，我喜欢用事实说话，我要用这只果蝇做实验，再看看基因是怎么回事及基因与染色体究竟有什么关系。

教师提问：萨顿为何提出“基因位于染色体上”这一观点？摩尔根认同这一观点吗？

设计意图：通过生动形象的角色扮演，以及编排对话，让学生了解科学家间的背景关系，体会科学家重视事实与证据的严谨态度。同时，活跃气氛，使学生的注意力转移到课堂上，然后引出概念，制造认知冲突，激发学生的探究欲望。

（二）探究——层层探索，建构概念

1.分析萨顿假说提出的原因

资料1：1866年，孟德尔提出生物的性状是由遗传因子控制的观点。

资料2：1903年，科学家用光学显微镜观察到染色体的形态与结构，而遗传因子（基因）在光学显微镜下却看不见［5］。

资料3：1903年，美国遗传学家萨顿在研究蝗虫减数分裂过程中染色体行为变化时，发现配子形成过程中染色体的行为与孟德尔提出的遗传因子的行为有很多相似的地方［6］（如图1、图2），还发现蝗虫的染色体只有24条，但性状却远远大于24种。

学生观察模型图，填写导学案上有关基因与染色体的比较的表格；结合资料，小组合作探讨萨顿提出“基因在染色体上”这一观点的原因。

2.体验“基因在染色体上”实验证据的探索过程

（1）观察现象，发现问题

资料4：1908年，摩尔根饲养野生型红眼果蝇，观察发现果蝇后代眼色全为红色。他用X光照射、激光照射等多种手段诱发果蝇突变。1910年5月，摩尔根培养的红眼果蝇中诞生了一只白眼雄果蝇。摩尔根细心照料这只白眼果蝇，并用它做了杂交实验（如图3）。

教师提问：为何选果蝇作为实验材料？学生通过观看短视频《果蝇的一生》，进行概括。教师追问：实验结果是否遵循孟德尔的遗传定律？学生观察实验现象，分析果蝇眼色性状的显隐关系。教师引导学生发现问题：F2中白眼性状只出现在雄性果蝇中。学生再次产生疑问，探究热情高涨。

（2）分析问题，作出假设

为什么果蝇杂交实验F2中雄性果蝇全是白眼呢？引导学生猜想果蝇眼色性状的遗传与性别有关，并提示孟德尔提出生物的性状由遗传因子控制的观点。学生推测果蝇控制眼色的基因与性别有关。

资料5：1908年，美国生物学家史蒂文斯发现雄性果蝇的精母细胞中有一条X染色体，还有一条与它同源的Y染色体，雌性果蝇有两条X染色体，这些染色体决定了个体的性别，故称性染色体。

教师首先展示果蝇体细胞示意图，解释果蝇染色体组成、性染色体概念，然后提问：性染色体决定性别，而控制眼色的基因与性别有关，这说明了什么？学生基于科学证据猜测：控制眼色的基因在性染色体上。教师继续追问：果蝇有X、Y染色体，若控制眼色的基因在性染色体上，有几种可能？ 学生发散思维，纷纷作出假设。假设1：控制眼色的基因在Y染色体上，X染色体上不含它的等位基因。假设2：控制眼色的基因在X染色体上，Y染色体上不含它的等位基因。假设3：控制眼色的基因位于X染色体与Y染色体的同源区。

（3）演绎推理，设计实验

教师解释用W表示控制红眼的基因、w表示控制白眼的基因、基因在性染色体上如何表示。尊重学生，让学生根据自己提出的假设，画出果蝇杂交过程的遗传图解，分析假设是否能解释杂交实验现象。排除假设1，发现假设2和假设3都能解释实验现象。

教师提问：为什么假设2与假设3结果一样呢？分析遺传图解，发现原因：Y与Yw在子代中表达效果一样。追问：应选什么样基因型的雄果蝇区分两种假设的Y？引导学生发现假设2雄果蝇含Y，假设3雄果蝇含YW或Yw，选择Y和YW区分两种假设的Y，即选基因型XWY、XWYW 的红眼雄果蝇。继续提问：选哪种雌果蝇与之测交？学生思考分析后，排除基因型为XWXW 、 XWXw的雌果蝇，选基因型为XwXw的白眼雌果蝇，写出遗传图解，演绎推理、预测实验结果。

（4）验证假说，得出结论

资料6：摩尔根测交实验结果，即野生型红眼雄果蝇与白眼雌果蝇交配后，子代雌性果蝇全是红眼，雄性果蝇全是白眼［7］。

学生比较假设2预期结果与科学经典实验结果，排除假设3，得出“控制果蝇眼色的基因在X染色体上”的结论。教师补充：摩尔根用“假说—演绎”法证明了萨顿的观点是正确的，随后进行大量实验研究，逐渐认同了孟德尔的遗传规律。

设计意图：分析萨顿假说提出的原因后，学生对基因与染色体的关系有了初步的认识，此过程训练了学生比较分析、归纳概括的思维能力。再以科学探究的关键环节做支架，设置一系列问题，引导学生逐层深入探究、推理，自主经历科学家的逻辑思维过程，逐渐建构概念，领会科学知识要经过质疑、创新与实证等方式才能不断完善。

（三）解释——归纳总结，深化概念

教师展示减数分裂过程中基因在染色体上的模型图，提问：减数分裂中等位基因是怎样分离的？非等位基因是如何组合的？学生在小组讨论后，踊跃发言，描述等位基因与非等位基因的变化情况。各小组对比其他小组的解释，重新思考自己的结论是否正确。学生未能讲出的教师做必要的补充，最后师生一起总结孟德尔遗传规律的实质。

设计意图：学生经过探究后获得感性经验，组内、组间进行交流，在感性认识的基础上进行抽象概括，科学解释孟德尔遗传规律的实质。此过程中，学生思维外化，暴露问题；教师讲解问题之处，能帮助学生实现新旧知识间的联系与整合，使其深入理解基因在染色体上的表现。

（四）迁移——迁移运用，巩固新知

此环节是让学生将所学新知识与方法运用到新境中解决问题。具体如下：实验小组发现一只毛色金黄的雄犬，其毛色性状是由显性基因（G）控制，那么该基因是在常染色体上还是性染色体上？如果你是科学家，应该如何设计实验进行判断呢？

设计意图：引导学生学会迁移，解决具体的实际问题，运用“假说—演绎”法判断基因在染色体上的位置，检测学生对知识的掌握情况，加深其对概念的理解，进而提升学生的思维品质。

（五）评价——评价驱动，贯穿全程

评价环节既要评价学生的学习结果，也要评价学生的学习过程。课上，教师注意观察学生自主学习、合作学习的状态，倾听学生讨论的情况，及时进行点拨，以激发学生的学习动机、促进学生进行反思，对其探究、解释与迁移环节中结果的展示、思维的展现适时给予恰当评价。鼓励学生组内、组间对他人的思考结果进行评价，交流各自的观点，以便发现自身不足，不断提升和完善自我。

四、教学反思

“基因在染色体上”的结论学生容易记住，但关键是理解科学家探究出该结论的过程中所用的思路与方法。将5E教学模式与生物科学史相融合，发挥两者优势，用科学史创设情境激发学生的探究兴趣，将摩尔根的实验设计为探究性实验，引领学生像科学家一样发现问题、分析问题与解决问题，既动手又动脑，发展思维的灵活性，领悟科学家所用的方法，对培养学生的科学思维能力和科学探究能力大有裨益。但是假说—演绎的过程具有连贯性，而一节课时间略显紧张，如何更好地设计各个环节，给学生留下充足的思考时间，还需要进一步探究，以期达到更好的教学效果。

［   参   考   文   献   ］

［1］  王建，李秀菊.5E教学模式的内涵及其对我国理科教育的启示［J］.生物学通报，2012（3）：39-42.

［2］  林细富.基于生物科学史培育生物学学科核心素养［J］.中学生物教学，2022（27）：4-6.

［3］  赵开勇.孟德尔发现“遗传定律”过程中体现的科学思维、科学探究能力［J］.中学生物学，2021（7）：7-9，40.

［4］  王永胜.生物学核心概念的发展：高中生物新课程的科学史资源［M］.2版.北京：人民教育出版社，2022.

［5］  唐晓明.萨顿假说“基因在染色体上”的推理方法［J］.中学生物教学，2016（7）：51-52.

［6］  吴成军.生物学学科核心素养的教学与评价［M］.上海：华东师范大学出版社，2020：114.

［7］  谢仁荣.摩尔根果蝇杂交实验基因定位假设的科学史［J］.中学生物教学，2019（合刊1）：109-111.