指向科學(xué)思維的概念教學(xué)

張命康 呂國(guó)裕

摘要以基因突變一節(jié)為例，從概念的內(nèi)涵和外延闡釋了指向科學(xué)思維的概念教學(xué)，通過(guò)設(shè)置問(wèn)題串、動(dòng)手模擬操作、資料分析、小組辯論、概念模型建構(gòu)、論證式教學(xué)等方式，滲透歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等科學(xué)思維。

關(guān)鍵詞科學(xué)思維 概念教學(xué) 基因突變

科學(xué)思維是基于事實(shí)和證據(jù)，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問(wèn)題的思維習(xí)慣和能力。基于科學(xué)思維的概念教學(xué)，著重培養(yǎng)學(xué)生的歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等能力，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會(huì)議題。下面以廈門(mén)海滄中學(xué)鄭蘭萍教師所上的一節(jié)課——“基因突變”為例，說(shuō)明指向科學(xué)思維的概念教學(xué)策略。

1概念的內(nèi)涵——概念教學(xué)的核心

概念是在感覺(jué)、知覺(jué)和表象的基礎(chǔ)上，運(yùn)用比較、分析、綜合、抽象、概括等方法形成的，而概念的內(nèi)涵是概念所反映對(duì)象的本質(zhì)屬性的總和，是概念教學(xué)的核心。概念教學(xué)應(yīng)還原概念的形成過(guò)程。本教學(xué)案例選用鐮刀型細(xì)胞貧血癥，從現(xiàn)象開(kāi)始，追根溯源，逐一剖析基因突變的內(nèi)涵。

1.1設(shè)置問(wèn)題串，培養(yǎng)演繹與推理能力

教師展示人教版必修2教科書(shū)中P80鐮刀型細(xì)胞貧血癥的圖片及補(bǔ)充資料，請(qǐng)學(xué)生完成一份不完整的病理報(bào)告。1910年，赫里克醫(yī)生的診所來(lái)了一位黑人病人，四肢無(wú)力，發(fā)燒，肌肉酸痛。醫(yī)生使用所有能治療貧血病的藥物，但都無(wú)效，于是對(duì)病人做血液檢查。醫(yī)生病理報(bào)告如下：主要癥狀：臉色蒼白，四肢無(wú)力，發(fā)燒，肌肉酸痛。鏡檢對(duì)比：正常紅細(xì)胞呈兩面凹圓餅狀，患者的紅細(xì)胞呈鐮刀狀。病名：鐮刀型細(xì)胞貧血癥。教師提出問(wèn)題：（1）利用已有知識(shí)，下一步該檢查什么？（因蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的體現(xiàn)者，核酸是遺傳物質(zhì)，故應(yīng)先檢查蛋白質(zhì)，后分析核酸。）（2）蛋白質(zhì)為什么會(huì)改變？（通過(guò)正常血紅蛋白和異常血紅蛋白對(duì)比，發(fā)現(xiàn)一條多肽鏈上一個(gè)谷氨酸變成了纈氨酸。）（3）氨基酸為什么改變？（根本原因是DNA堿基對(duì)替換）教師引導(dǎo)學(xué)生作出結(jié)論鐮刀型細(xì)胞貧血癥是由基因發(fā)生改變引起的疾病。

1.2動(dòng)手模擬操作，培養(yǎng)歸納與概括、類(lèi)比推理能力

通過(guò)小組動(dòng)手合作，學(xué)生完成模擬活動(dòng)。教師給學(xué)生出示己發(fā)生改變的不同的DNA序列，請(qǐng)學(xué)生寫(xiě)出mRNA及氨基酸序列，然后再與教師展示的正常情況進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)多肽鏈（蛋白質(zhì)）的不同之處，嘗試得出基因突變的概念。

在學(xué)生動(dòng)手模擬分析的基礎(chǔ)上，教師提出問(wèn)題：（1）哪種基因突變對(duì)氨基酸序列的影響最小？學(xué)生通過(guò)演繹，改變一對(duì)堿基對(duì)、二對(duì)、三對(duì)……，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，歸納出基因突變的數(shù)量、方式及位置，哪個(gè)對(duì)氨基酸序列的影響最小。（2）基因突變一定影響蛋白質(zhì)嗎？不一定因?yàn)槊艽a子的簡(jiǎn)并性，基因突變不一定影響蛋白質(zhì)。（3）基因突變一定改變性狀嗎？不一定。首先，基因突變不一定影響蛋白質(zhì)；其次即使蛋白質(zhì)發(fā)生改變，生物性狀也不一定改變。

2概念的外延——概念教學(xué)的拓展

概念的外延就是適合概念的一切對(duì)象的范圍，是概念內(nèi)涵的延伸，是全面理解概念的保障，是構(gòu)成完整概念的重要因素。概念外延的教學(xué)是概念教學(xué)不可或缺的重要組成部分。本節(jié)概念的外延包括基因突變的時(shí)間、原因、特點(diǎn)及意義。

2.1資料分析，培養(yǎng)對(duì)比分析能力

教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比分析資料，判斷資料中的事例是否屬于基因突變。

資料1：帶有“福”“圣誕快樂(lè)”“祝你平安”等字跡或者帶有美麗圖案的“藝術(shù)蘋(píng)果”，由于創(chuàng)意新穎，寓意吉祥，這種蘋(píng)果身價(jià)比普通蘋(píng)果高出不少。記者采訪種植戶(hù)了解到，蘋(píng)果上的字是通過(guò)貼膠帶遮擋光照形成的。

資料2：1966年，加拿大多倫多的一只家貓產(chǎn)下一只沒(méi)有毛的小貓。從此，歐洲和北美愛(ài)貓人士開(kāi)始將加拿大無(wú)毛貓同正常家貓交配進(jìn)行繁殖，但繁殖成功率較低。

學(xué)生通過(guò)討論，得出“帶字蘋(píng)果”是環(huán)境改變引起的變異，遺傳物質(zhì)并沒(méi)有改變，屬于不可遺傳的變異。而加拿大無(wú)毛貓的遺傳物質(zhì)發(fā)生了改變，屬于可遺傳變異中的基因突變。

2.2小組辯論，培養(yǎng)批判性思維

教師以幾個(gè)與本節(jié)課緊密相關(guān)的論題，組織學(xué)生進(jìn)行課堂辯論。

（1）基因突變的低頻性和普遍性矛盾嗎？為什么？

正方認(rèn)為既然是低頻，一定是不普遍，如果是普遍的，一定是高頻。反方認(rèn)為正方混淆突變率和普遍性概念，突變率是突變的基因占物種總基因的比例或突變的細(xì)胞（個(gè)體）占所有細(xì)胞（個(gè)體）的比例，而普遍性是指生物界中各種生物發(fā)生基因突變的可能性，存在多種生物發(fā)生基因突變而突變率都很低的情況。

（2）基因突變是“利”大于“弊”嗎？會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化嗎？

正方認(rèn)為“利”大于“弊”，舉例說(shuō)出太空育種使得果實(shí)變大、青霉素產(chǎn)量提高等例子，為人類(lèi)提供更豐富更高產(chǎn)的食物、更便宜的藥物。反方認(rèn)為“弊”大于“利”，舉例說(shuō)出教材內(nèi)外更多的基因突變實(shí)例，如白化病、短果枝、紅綠色盲、并指、多指、糖尿病、殘翅與無(wú)翅等，影響植物的品質(zhì)、威脅動(dòng)物的生存、引起人類(lèi)的疾病等不利的方面。雙方都一致認(rèn)為，多數(shù)的基因突變是中性，即無(wú)利也無(wú)害，且利與弊是相對(duì)的，取決于是否適應(yīng)環(huán)境，如島嶼上的有翅昆蟲(chóng)，突變?yōu)闊o(wú)翅和殘翅，但不利的無(wú)翅和殘翅在大風(fēng)大浪的情境下，反而得到生存的機(jī)會(huì)。

（3）基因突變的低頻性和多害少利性，可能不可能為生物進(jìn)化提供原材料？

正方認(rèn)為基因突變率低且多數(shù)是有害的，突變的個(gè)體少且不利于個(gè)體生存，故不利于生物進(jìn)化，不可能為生物進(jìn)化提供原材料。反方認(rèn)為對(duì)于生物個(gè)體而言，發(fā)生自然突變的頻率是低的，但對(duì)于一個(gè)由許多個(gè)體組成的物種來(lái)說(shuō)，在進(jìn)化過(guò)程中產(chǎn)生的突變還是很多的，其中不乏有利突變，對(duì)生物的進(jìn)化有重要意義。

2.3論證式教學(xué)，培養(yǎng)質(zhì)疑能力

主張：基因突變可發(fā)生在分裂的細(xì)胞中，DNA復(fù)制時(shí)易發(fā)生基因突變。只有問(wèn)期才能發(fā)生基因突變。

質(zhì)疑：基因突變只發(fā)生在細(xì)胞分裂的間期？

解釋?zhuān)夯蛑灰l(fā)生解旋，基因（DNA）分子就會(huì)處于不穩(wěn)定階段，極易發(fā)生突變，而DNA解旋發(fā)生在DNA復(fù)制階段（即問(wèn)期）和轉(zhuǎn)錄階段，而后者細(xì)胞幾乎每時(shí)每刻都在進(jìn)行而不停止。只不過(guò)問(wèn)期解旋的DNA分子量比其他時(shí)期大，基因突變的可能性更大。基因突變通常發(fā)生在DNA復(fù)制時(shí)期，即細(xì)胞分裂間期。

支持：研究發(fā)現(xiàn)，在37℃條件下培養(yǎng)一個(gè)哺乳動(dòng)物細(xì)胞20 h，會(huì)有數(shù)以千計(jì)的嘌呤通過(guò)脫嘌呤作用自發(fā)地脫落；現(xiàn)己知道，在玉米、果蠅等生物中發(fā)生的一些典型突變就是由于可移動(dòng)DNA序列轉(zhuǎn)座因子的插入所引起的。

結(jié)論：基因突變發(fā)生在細(xì)胞的各個(gè)時(shí)期。

3概念模型的建構(gòu)——概念教學(xué)的新策略

通過(guò)視頻、資料分析，學(xué)生自主構(gòu)建微概念模型。

3.1教師播放視頻，學(xué)生構(gòu)建基因突變?cè)虻奈⒏拍钅Ｐ?/p>

教師播放以下幾則視頻：

（1）福島輻射致18%的蝴蝶發(fā)生基因突變，翅膀變小眼睛受損。

（2）廣州日?qǐng)?bào)報(bào)道，長(zhǎng)期吃剩菜剩飯，一家三口患癌癥。

（3）科學(xué)工作者在有些動(dòng)物的癌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了病毒顆粒。近幾年來(lái)研究也己證明某些病毒的遺傳物質(zhì)能影響宿主細(xì)胞的DNA。

在學(xué)生觀看視頻后，教師引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建如圖1所示的微概念模型。

3.2教師引導(dǎo)學(xué)生分析資料，促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建基因突變特點(diǎn)的微概念模型

教師提供以下資料：

資料1：圖片展示白化苗、白化孔雀、多指、并指等。

資料2：基因突變可發(fā)生在個(gè)體發(fā)育的任何時(shí)期、在細(xì)胞內(nèi)不同DNA、在同一DNA分子的不同部位。

資料3：A與a1、a2、a3之間的相互突變，構(gòu)建基因之間相互突變的模型圖。

資料4：在人教版必修2 P116第四段提到“我們知道，生物自發(fā)突變的頻率很低，而且突變（包括基因突變和染色體變異）大多是有害的”。

教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)基因突變的特點(diǎn)：普遍性、隨機(jī)性、不定向性、低頻性、多害少利性。學(xué)生構(gòu)建出基因突變特點(diǎn)的微概念模型。

教師引導(dǎo)學(xué)生從現(xiàn)象到概念，從宏觀到微觀來(lái)歸納總結(jié)出基因突變的概念。教師摒棄講解加例子的傳統(tǒng)概念教學(xué)模式，基于科學(xué)思維下的概念教學(xué)，大大提高了學(xué)生的思維品質(zhì)，學(xué)生不僅收獲知識(shí)，更重要的是提高了生物學(xué)核心素養(yǎng)。