指向科學思維的概念教學

張命康 呂國裕

摘要以基因突變一節為例，從概念的內涵和外延闡釋了指向科學思維的概念教學，通過設置問題串、動手模擬操作、資料分析、小組辯論、概念模型建構、論證式教學等方式，滲透歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等科學思維。

關鍵詞科學思維 概念教學 基因突變

科學思維是基于事實和證據，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。基于科學思維的概念教學，著重培養學生的歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等能力，探討、闡釋生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題。下面以廈門海滄中學鄭蘭萍教師所上的一節課——“基因突變”為例，說明指向科學思維的概念教學策略。

1概念的內涵——概念教學的核心

概念是在感覺、知覺和表象的基礎上，運用比較、分析、綜合、抽象、概括等方法形成的，而概念的內涵是概念所反映對象的本質屬性的總和，是概念教學的核心。概念教學應還原概念的形成過程。本教學案例選用鐮刀型細胞貧血癥，從現象開始，追根溯源，逐一剖析基因突變的內涵。

1.1設置問題串，培養演繹與推理能力

教師展示人教版必修2教科書中P80鐮刀型細胞貧血癥的圖片及補充資料，請學生完成一份不完整的病理報告。1910年，赫里克醫生的診所來了一位黑人病人，四肢無力，發燒，肌肉酸痛。醫生使用所有能治療貧血病的藥物，但都無效，于是對病人做血液檢查。醫生病理報告如下：主要癥狀：臉色蒼白，四肢無力，發燒，肌肉酸痛。鏡檢對比：正常紅細胞呈兩面凹圓餅狀，患者的紅細胞呈鐮刀狀。病名：鐮刀型細胞貧血癥。教師提出問題：（1）利用已有知識，下一步該檢查什么？（因蛋白質是生命活動的體現者，核酸是遺傳物質，故應先檢查蛋白質，后分析核酸。）（2）蛋白質為什么會改變？（通過正常血紅蛋白和異常血紅蛋白對比，發現一條多肽鏈上一個谷氨酸變成了纈氨酸。）（3）氨基酸為什么改變？（根本原因是DNA堿基對替換）教師引導學生作出結論鐮刀型細胞貧血癥是由基因發生改變引起的疾病。

1.2動手模擬操作，培養歸納與概括、類比推理能力

通過小組動手合作，學生完成模擬活動。教師給學生出示己發生改變的不同的DNA序列，請學生寫出mRNA及氨基酸序列，然后再與教師展示的正常情況進行對比，發現多肽鏈（蛋白質）的不同之處，嘗試得出基因突變的概念。

在學生動手模擬分析的基礎上，教師提出問題：（1）哪種基因突變對氨基酸序列的影響最?。繉W生通過演繹，改變一對堿基對、二對、三對……，由簡單到復雜，歸納出基因突變的數量、方式及位置，哪個對氨基酸序列的影響最小。（2）基因突變一定影響蛋白質嗎？不一定因為密碼子的簡并性，基因突變不一定影響蛋白質。（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；其次即使蛋白質發生改變，生物性狀也不一定改變。

2概念的外延——概念教學的拓展

概念的外延就是適合概念的一切對象的范圍，是概念內涵的延伸，是全面理解概念的保障，是構成完整概念的重要因素。概念外延的教學是概念教學不可或缺的重要組成部分。本節概念的外延包括基因突變的時間、原因、特點及意義。

2.1資料分析，培養對比分析能力

教師引導學生對比分析資料，判斷資料中的事例是否屬于基因突變。

資料1：帶有“?！薄笆フQ快樂”“祝你平安”等字跡或者帶有美麗圖案的“藝術蘋果”，由于創意新穎，寓意吉祥，這種蘋果身價比普通蘋果高出不少。記者采訪種植戶了解到，蘋果上的字是通過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下一只沒有毛的小貓。從此，歐洲和北美愛貓人士開始將加拿大無毛貓同正常家貓交配進行繁殖，但繁殖成功率較低。

學生通過討論，得出“帶字蘋果”是環境改變引起的變異，遺傳物質并沒有改變，屬于不可遺傳的變異。而加拿大無毛貓的遺傳物質發生了改變，屬于可遺傳變異中的基因突變。

2.2小組辯論，培養批判性思維

教師以幾個與本節課緊密相關的論題，組織學生進行課堂辯論。

（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胞（個體）占所有細胞（個體）的比例，而普遍性是指生物界中各種生物發生基因突變的可能性，存在多種生物發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？會發生轉化嗎？

正方認為“利”大于“弊”，舉例說出太空育種使得果實變大、青霉素產量提高等例子，為人類提供更豐富更高產的食物、更便宜的藥物。反方認為“弊”大于“利”，舉例說出教材內外更多的基因突變實例，如白化病、短果枝、紅綠色盲、并指、多指、糖尿病、殘翅與無翅等，影響植物的品質、威脅動物的生存、引起人類的疾病等不利的方面。雙方都一致認為，多數的基因突變是中性，即無利也無害，且利與弊是相對的，取決于是否適應環境，如島嶼上的有翅昆蟲，突變為無翅和殘翅，但不利的無翅和殘翅在大風大浪的情境下，反而得到生存的機會。

（3）基因突變的低頻性和多害少利性，可能不可能為生物進化提供原材料？

正方認為基因突變率低且多數是有害的，突變的個體少且不利于個體生存，故不利于生物進化，不可能為生物進化提供原材料。反方認為對于生物個體而言，發生自然突變的頻率是低的，但對于一個由許多個體組成的物種來說，在進化過程中產生的突變還是很多的，其中不乏有利突變，對生物的進化有重要意義。

2.3論證式教學，培養質疑能力

主張：基因突變可發生在分裂的細胞中，DNA復制時易發生基因突變。只有問期才能發生基因突變。

質疑：基因突變只發生在細胞分裂的間期？

解釋：基因只要發生解旋，基因（DNA）分子就會處于不穩定階段，極易發生突變，而DNA解旋發生在DNA復制階段（即問期）和轉錄階段，而后者細胞幾乎每時每刻都在進行而不停止。只不過問期解旋的DNA分子量比其他時期大，基因突變的可能性更大?；蛲蛔兺ǔ０l生在DNA復制時期，即細胞分裂間期。

支持：研究發現，在37℃條件下培養一個哺乳動物細胞20 h，會有數以千計的嘌呤通過脫嘌呤作用自發地脫落；現己知道，在玉米、果蠅等生物中發生的一些典型突變就是由于可移動DNA序列轉座因子的插入所引起的。

結論：基因突變發生在細胞的各個時期。

3概念模型的建構——概念教學的新策略

通過視頻、資料分析，學生自主構建微概念模型。

3.1教師播放視頻，學生構建基因突變原因的微概念模型

教師播放以下幾則視頻：

（1）福島輻射致18%的蝴蝶發生基因突變，翅膀變小眼睛受損。

（2）廣州日報報道，長期吃剩菜剩飯，一家三口患癌癥。

（3）科學工作者在有些動物的癌細胞中發現了病毒顆粒。近幾年來研究也己證明某些病毒的遺傳物質能影響宿主細胞的DNA。

在學生觀看視頻后，教師引導學生構建如圖1所示的微概念模型。

3.2教師引導學生分析資料，促進學生構建基因突變特點的微概念模型

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：基因突變可發生在個體發育的任何時期、在細胞內不同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”。

教師引導學生總結基因突變的特點：普遍性、隨機性、不定向性、低頻性、多害少利性。學生構建出基因突變特點的微概念模型。

教師引導學生從現象到概念，從宏觀到微觀來歸納總結出基因突變的概念。教師摒棄講解加例子的傳統概念教學模式，基于科學思維下的概念教學，大大提高了學生的思維品質，學生不僅收獲知識，更重要的是提高了生物學核心素養。