基于融會貫通學科理論的案例研究

袁茂坤

摘 要 沿著生命過程融會貫通學科理論，可以增強學生的生命觀念，強化學生的理性思維，提高學生實驗探究的設計水平，促進學生核心素養的完善。

關鍵詞 生命過程 融會貫通學科理論 核心素養

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

在培養學生核心素養的高中生物教學過程中，既有概念原理生成的實驗探究教學，又有依據生命過程融會貫通學科理論的教學；后者既是教師專業發展的重要環節，也是學生內化生命觀念和訓練思維能力的重要途徑。下面以高中生物的遺傳變異理論為例，依據遺傳物質在物種世代交替中傳遞或改變的過程，先建構基因的遺傳規律、基因突變、基因重組、染色體變異、遺傳變異育種和DNA結構復制轉錄翻譯等遺傳變異過程的模型；然后對模型蘊含的遺傳變異理論進行縱向梳理和橫向比較，使學生在理解掌握知識關系的過程中，建構遺傳變異理論體系。

1 建構物種世代交替過程模型

為了揭示物種世代交替過程蘊含的遺傳變異機理，可以把物種個體形成精細胞或卵細胞的減數分裂過程、受精卵形成過程、細胞有絲分裂過程和形成物種性成熟個體示意圖，通過三組實線和一組虛線連接成物種世代交替過程模型（圖1）。圍繞物種世代交替過程模型，教師可以引導學生分別討論減數分裂、受精作用、細胞有絲分裂、細胞的生長分化和生物個體成熟過程蘊含的生物學理論，生成世代交替過程的遺傳變異理論；其中減數分裂和有絲分裂過程中染色體行為數目變化和前中后期示意圖的比較辨析是重點內容。

在形成精細胞或卵細胞的減數分裂過程中，圍繞染色體的行為數目、染色單體和DNA的數目變化可以討論以下問題：① 間期染色體復制的過程和結果；② 減數第一次分裂過程結果；③ 次級精母細胞或次級卵母細胞無同源染色體的原因；④ DNA數目和染色單體數目在細胞分裂過程的變化；⑤ 染色體復制一次和細胞分裂兩次導致精細胞或卵細胞染色體數目減半的原理；⑥ 細胞質是否均等縊裂；⑦ 同源染色體的變化。

在形成動物體細胞或植物體細胞的有絲分裂過程中，可以討論以下問題：① 間期染色體復制；② 分裂期染色體的行為和結果；③ 染色體復制一次細胞分裂一次、親子代細胞染色體組成的穩定等問題；④ 染色單體和DNA的數量變化；⑤ DNA復制、轉錄和翻譯的遺傳過程。

在減數分裂和動物細胞有絲分裂過程中，前期、中期和后期各涉及五幅圖像的比較辨析，比較辨析指標主要包括細胞中有無同源染色體、兩極有無同源染色體、有無聯會（四分體）行為、同源染色體或姐妹染色體分離等。如用有無同源染色體分離和細胞質是否均等分裂兩項指標，可以確定初級精母細胞和初級卵母細胞后期圖像；用細胞兩極是否有同源染色體和細胞是否均等分裂兩項指標，可以確定動物細胞有絲分裂后期圖像、次級精母細胞后期圖像和次級卵母細胞后期圖像。

2 建構物種性狀遺傳過程模型

在物種世代交替的減數分裂過程中，出現了同源染色體的分離和非同源染色體自由組合的遺傳現象。當一對同源染色體只涉及一對等位基因時，伴隨發生了等位基因的分離和非等位基因的自由組合；蘊含著與一對同源染色體相關的基因分離遺傳規律，與兩對同源染色體相關的基因自由組合遺傳規律，與性染色體相關的性別決定和伴性遺傳規律，與一對性染色體和一對常染色體相關的基因自由組合遺傳規律；基因或性染色體控制生物性狀的遺傳規律，可用基因分離規律遺傳圖解式、基因自由組合規律遺傳圖解式、性別決定和伴性遺傳圖解式、常染色體和性染色體上的基因進行自由組合的遺傳圖解式所構成的模型予以表達。在基因或性染色體控制生物性狀遺傳過程的模型中，蘊含著探究遺傳規律的科學研究思想方法，如驗證或者獲得某種基因型的探究實驗；蘊含著由親代性狀或基因型求子代性狀或基因型的順向推理過程，由子代性狀或基因型求親代性狀或基因型的逆向推理過程，如對各類雜交實驗過程或人類家族遺傳過程的分析，這是遺傳規律教學與評價的重點。

3 建構物種性狀變異過程模型

在物種世代交替的有性生殖過程中，有基因突變、基因重組和染色體變異等使物種遺傳物質改變或重組的生命過程。在減數分裂間期DNA的復制過程中，可能出現堿基對的增添、缺失或替換，使DNA分子堿基對的排列順序發生改變的變異現象，可以建立相應的基因突變過程模型；該模型蘊含著親代發生基因突變并傳給子代，引起子代轉錄過程密碼子的改變，引發翻譯過程氨基酸種類、數目和排列順序的改變，最終導致生物親子代之間發生可遺傳的性狀變異。在減數第一次分裂過程中，伴隨著基因的分離、自由組合和連鎖互換遺傳，可以建立基因重組過程模型，該模型蘊含著親代發生基因重組并傳給子代，導致子代出現新的基因型組合和相應的遺傳性狀。在減數第一次分裂過程中，可能出現染色體結構的缺失、重復、倒位、易位和染色體數目變化等變異現象，可以建立染色體變異過程模型，該模型蘊含著因染色體結構的改變而引起基因的改變，進而導致子代生物性狀的變化。蘊含著個別染色體的增減或染色體組的成倍增減，引起子代生物性狀的重大改變。

4 建構物種性狀控制過程模型

在物種世代交替的細胞周期中，發生了DNA的復制、轉錄、翻譯等生命過程，可以建構DNA的平面結構、空間結構及通過復制轉錄翻譯控制生物性狀的模型。DNA的平面結構模型和空間結構模型呈現了DNA分子的化學組成和空間結構，蘊含著構成DNA分子堿基對的種類、數量和排列順序的千變萬化，為基因多樣性奠定了物質基礎。DNA通過復制、轉錄和翻譯控制生物性狀的模型，呈現了DNA控制生物性狀的過程，蘊含著DNA分子半保留復制的過程和生物學原理；蘊含著DNA分子復制后在親子代或自體細胞之間傳遞的過程；蘊含著mRNA的轉錄過程；蘊含著蛋白質的翻譯過程。在縱向梳理復制、轉錄和翻譯的基礎上，還要橫向比較復制、轉錄和翻譯的時間、場所、模板、原料、堿基互補配對原則、產物和遺傳信息傳遞方向，幫助學生內化遺傳的物質基礎理論。

5 建構遺傳變異育種過程模型

科學家在基因突變、基因重組、染色體變異等生物科學理論的基礎上，發明了誘變育種、雜交育種、單倍體育種、多倍體育種和基因工程育種等培育新品種的方法，為農作物的高產穩產奠定了堅實的基礎。為了說明育種原理，教師可以建立誘變育種、雜交育種、單倍體育種、多倍體育種和基因工程育種過程的模型。誘變育種模型呈現了太空或地面誘變育種的過程，蘊含著太空人工誘變育種或地面人工育種的原理；蘊含著選育新品種的技術和原理。雜交育種模型呈現了雜交育種的過程，蘊含著選擇具有一定表現型或基因型的親本，通過雜交實驗過程的基因重組，獲得所需性狀或基因型的子代個體。單倍體育種模型呈現了單倍體育種的過程，蘊含著通過雜交試驗獲得子一代花粉粒，子一代花粉粒經過離體培養和秋水仙素的處理，形成配子染色體組數加倍的純合基因型個體，經人工選擇獲得所需純合基因型個體。多倍體育種模型呈現了多倍體的育種過程，蘊含著秋水仙素使親本體細胞染色體數目加倍的原理，蘊含著選育所需多倍體的方法。基因工程育種模型呈現了基因工程育種的過程，蘊含著獲取目的基因的過程、原理和PCR技術；蘊含著由目的基因和運載體結合制備重組DNA的過程和原理；蘊含著將重組DNA導入受體細胞的過程和原理；蘊含著培育和篩選轉基因生物的過程和原理。

教師在縱向梳理五類育種技術實踐的基礎上，還要橫向比較育種目的、育種原理、育種方法、育種實踐、育種年限、育種的優缺點，幫助學生內化育種技術，提升學生設計或解釋育種方案的能力。

在融會貫通遺傳變異理論的過程，教師把細胞增殖、基因的遺傳規律、性別決定與伴性遺傳、基因突變、基因重組、染色體變異和基因控制蛋白質的合成等內容，貫穿在物種世代交替的生命過程中，用遺傳物質的遺傳或變異過程模型予以呈現。沿著遺傳物質伴隨世代交替的傳遞線索，教師指導學生主動分析、比較、歸納概括、拓展聯系和匯聚整合遺傳變異模型蘊含的遺傳學原理，既可以訓練學生分析、比較和歸納概括問題的基本思維能力，又可以訓練學生發散思維和匯聚思維能力；通過指導學生設計論證育種方案，通過物種性狀遺傳的順向推理或逆向推理可以訓練學生的邏輯思維能力。總之，沿著生命過程融會貫通學科理論，可以增強學生的生命觀念，強化學生的理性思維，提高學生實驗探究的設計水平，促進學生核心素養的完善。endprint