文可佳

(北京市十一學(xué)校 100039)

1 教材分析

“基因?qū)π誀畹目刂啤笔侨私贪娓咧猩飳W(xué)教材必修2第4章第2節(jié)的內(nèi)容，是基于“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”，進一步闡明基因、蛋白質(zhì)與性狀之間的關(guān)系，并歸納出生物學(xué)中的基本規(guī)律——中心法則，同時本節(jié)課材料中出現(xiàn)的異常性狀，將為“基因突變及其他變異”的學(xué)習(xí)打下伏筆，在前后知識關(guān)聯(lián)上具有紐帶作用。

由于基因、性狀與蛋白質(zhì)之間關(guān)系的知識性內(nèi)容簡單，學(xué)生較易理解，因此，傳統(tǒng)授課多以講授式的教學(xué)方法為主。在生物學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向下，為讓學(xué)生在獲得基礎(chǔ)知識的同時，領(lǐng)悟到生物學(xué)家在科學(xué)探究過程中解決問題的思路和方法，筆者精選最新發(fā)表的學(xué)術(shù)論文，在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生通過層層遞進的原始數(shù)據(jù)分析，自主生成基因、蛋白質(zhì)與性狀之間的關(guān)系。同時，增強學(xué)生的邏輯推理能力和分析能力。

2 教學(xué)目標

2.1 知識目標 說出基因、蛋白質(zhì)與性狀之間的關(guān)系，概括中心法則及其發(fā)展。

2.2 能力目標 通過小組合作，學(xué)生具有在全新情境中分析實驗數(shù)據(jù)，歸納出基因、蛋白質(zhì)與性狀之間關(guān)系的能力。

2.3 情感態(tài)度與價值觀目標 通過基于原始文獻的材料分析，體會科學(xué)家探索未知的科學(xué)思路與方法。

3 教學(xué)過程

3.1 通過簡明問題導(dǎo)入 學(xué)生已知基因是具有遺傳效應(yīng)的DNA片段，基因可以指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，蛋白質(zhì)是生命活動的承擔者。教師提出問題：基因、蛋白質(zhì)和性狀之間是怎樣的關(guān)系？通過簡明的問題引入新課，讓學(xué)生迅速進入學(xué)習(xí)狀態(tài)。

3.2 基于文獻資源的材料分析 通過基于文獻材料的分析，可令學(xué)生對于簡單知識背后大量的科學(xué)探索過程具有清晰認識，借此提高學(xué)生的歸納、概括以及邏輯推理能力。

3.2.1 通過文獻材料分析基因與性狀之間關(guān)系 以科學(xué)史上科學(xué)家探索基因與性狀之間關(guān)系的經(jīng)典實驗為例，帶領(lǐng)學(xué)生像科學(xué)家一樣思考問題，逐步探索基因和性狀之間究竟是怎樣的關(guān)系。

首先，教師提供全新情境，已知在人、小鼠和果蠅中，控制眼睛發(fā)育的基因均為Pax6及其同源物[1，2]，請學(xué)生猜測，科學(xué)家如何證明Pax6基因和眼睛發(fā)育性狀之間的對應(yīng)關(guān)系？

學(xué)生小組討論后，提出實驗方案：將基因破壞掉，觀察生物體對應(yīng)的性狀是否被破壞。教師隨后展示科學(xué)家的實驗結(jié)果，人類Pax6同源基因出現(xiàn)異常，會導(dǎo)致無虹膜性狀的遺傳病。將小鼠或者果蠅中的Pax6同源基因敲除后，小鼠及果蠅的眼睛受到破壞(圖1)。學(xué)生總結(jié)實驗結(jié)果：基因可以控制性狀。

圖1 Pax6基因及其同源物突變影響果蠅、小鼠與人的眼睛發(fā)育[2]

教師介紹科學(xué)史：當時有一個科學(xué)家進行了進一步推測，他認為基因?qū)π誀畹目刂剖菦Q定性的，當把控制眼睛的基因引入生物體身體的其他部位表達，仍然可以在那個位置重新誘導(dǎo)眼睛的產(chǎn)生。他的假設(shè)遭到了同時代生物學(xué)家的質(zhì)疑，其他人認為該基因脫離原來的微環(huán)境，不可能具有功能。從而引導(dǎo)學(xué)生討論，你認為該科學(xué)家的假設(shè)合理嗎？

進一步向?qū)W生介紹，該科學(xué)家頂著巨大壓力，做了這個大家認為不可行的實驗，將控制眼睛發(fā)育的基因轉(zhuǎn)到果蠅身體的其他部位，可以在果蠅頭部、翅膀、觸角和腿部誘導(dǎo)眼睛產(chǎn)生，最多可以在同一只果蠅身上誘導(dǎo)產(chǎn)生14只復(fù)眼。帶領(lǐng)學(xué)生總結(jié)：該實驗結(jié)果說明，基因?qū)π誀畹目刂撇皇墉h(huán)境的影響，改變了場所，脫離了原來基因表達的微環(huán)境，基因依舊可以控制性狀。由此，科學(xué)家通過一正一反的雙重證據(jù)，充分證明了基因可以控制性狀。借助此文獻材料，可加深學(xué)生對“基因可以控制性狀”的理解。

3.2.2 通過文獻材料分析基因、蛋白質(zhì)與性狀之間的關(guān)系 在分析得到基因與性狀之間的關(guān)系之后，接下來的問題是：作為生命活動承擔者的蛋白質(zhì)，和基因、性狀之間有著怎樣的關(guān)系？

向?qū)W生介紹文獻材料：水熊是目前已知地球上生命力最頑強的生物，水熊抗輻射的能力是人類的千倍之多[3]?？茖W(xué)家希望將水熊的抗輻射基因轉(zhuǎn)移到人體，是否會讓人也具有抗輻射的能力？由此引入2016年發(fā)表于自然子刊的數(shù)據(jù)，Hashimoto等在水熊中發(fā)現(xiàn)抗輻射基因Dsup，他們將Dsup基因轉(zhuǎn)入人類細胞[4]，如圖2所示。以問題串的形式引導(dǎo)學(xué)生思考，該實驗的自變量與因變量分別是什么？為什么要做左圖無輻射處理的實驗？三條曲線分別代表什么含義？右圖轉(zhuǎn)入Dsup基因且抑制蛋白組和對照組對比說明什么？

圖2 將水熊抗輻射基因轉(zhuǎn)入到人體細胞實驗[4]

學(xué)生小組討論后，帶領(lǐng)學(xué)生分析，轉(zhuǎn)入Dsup基因組實驗說明：在人類細胞中轉(zhuǎn)入水熊體內(nèi)的抗輻射基因后，人細胞死亡率迅速降低(圖2)，說明轉(zhuǎn)入Dsup DNA可以令人細胞抗輻射。轉(zhuǎn)入Dsup基因且抑制蛋白組實驗說明，在轉(zhuǎn)入Dsup DNA但同時抑制蛋白質(zhì)合成的情況下，人細胞仍然會迅速死亡，表明即使有基因存在，沒有蛋白質(zhì)，人細胞仍沒有抗輻射的能力。最后進行總結(jié)：基因是通過控制蛋白質(zhì)從而控制性狀，由此得出基因、蛋白質(zhì)與性狀之間的關(guān)系。

3.2.3 通過文獻材料分析環(huán)境在基因與性狀關(guān)系中的作用 繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生思考：基因、蛋白質(zhì)與性狀之間是簡單的線性關(guān)系嗎？環(huán)境在其中會不會有影響？從而引入關(guān)于腸道菌群與肥胖性狀之間關(guān)系的研究材料。向?qū)W生介紹，在一個成年人的體內(nèi)，具有超過一百種微生物，構(gòu)成人的腸道微生物菌群。帶領(lǐng)學(xué)生分析圖3，經(jīng)常吃低脂肪和高脂肪食物的小鼠，其腸道中微生物的種類和數(shù)量具有巨大差異，最終會直接導(dǎo)致小鼠是否肥胖。另外，腸道微生物較健康的小鼠糞便中具有大量可令身體保持苗條的微生物，將這些微生物提取出來令肥胖小鼠吸收，可以讓肥胖小鼠保持苗條。最后學(xué)生總結(jié)該文獻結(jié)論：食物(環(huán)境)可以在很大程度上影響性狀，表現(xiàn)型是基因與環(huán)境共同作用的結(jié)果。

圖3 食物(環(huán)境)通過影響腸道微生物菌群而影響小鼠胖瘦(表型)[5]

3.3 學(xué)生對于中心法則的自主構(gòu)建 學(xué)生分為小組，回顧舊知，通過閱讀教材和小組討論的方式自主構(gòu)建出細胞生物和噬菌體等DNA病毒、煙草花葉病毒等大部分RNA病毒以及HIV等逆轉(zhuǎn)錄病毒的中心法則。

3.4 前沿拓展與個性化評價 新課標(征求意見稿)要求學(xué)生舉例說明某些基因序列不變、但表型改變的表觀遺傳現(xiàn)象，因此在本課結(jié)束時做適當拓展，結(jié)合個性化評價，充分調(diào)動學(xué)生對于生物學(xué)學(xué)習(xí)的積極性，增強學(xué)生關(guān)注前沿問題的意識。

提出問題：在同一個家庭成長的同卵雙胞胎的基因序列完全相同，為什么還存在雙胞胎性格迥異的情況？從而引導(dǎo)學(xué)生思考，有沒有基因序列不變，但可產(chǎn)生可遺傳變異的表觀遺傳現(xiàn)象？由此留出個性化作業(yè)，學(xué)生分組觀看朱冰與饒毅兩位科學(xué)家針對表觀遺傳作用的辯論，學(xué)生根據(jù)辯論提出自己的觀點，通過搜集資料，運用本堂課學(xué)習(xí)到的材料分析方法、加以說明，最終小組提交海報進行展示。

4 教學(xué)反思

生物學(xué)科教學(xué)，除讓學(xué)生獲得基礎(chǔ)的生物學(xué)知識外，也需讓學(xué)生領(lǐng)悟到生物學(xué)家在科學(xué)探究過程中解決問題的思路和方法。然而，教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生分析生物學(xué)材料以及理解生物學(xué)科本質(zhì)的能力較弱，是生物學(xué)教學(xué)的痛點之一。

為嘗試解決以上問題，本節(jié)“基因?qū)π誀畹目刂啤苯虒W(xué)中，并未采取傳統(tǒng)知識講授的方式，將基因、蛋白質(zhì)、性狀與環(huán)境之間的關(guān)系直接告知學(xué)生，而是將發(fā)表于國際期刊的原始文獻引入高中日常教學(xué)，通過層層遞進的材料剖析，學(xué)生根據(jù)實驗結(jié)果，自主生成基因與性狀、蛋白質(zhì)與性狀以及環(huán)境與性狀之間關(guān)系的知識框架。在教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生經(jīng)過一段時間的類似訓(xùn)練，可逐漸理解生物學(xué)知識的得出并非依據(jù)直覺，而是有著龐大的實驗體系和科學(xué)探索作為依托，學(xué)生的理性思維和科學(xué)探究能力得以提高。