基于最新文獻資源的“基因對性狀的控制”教學設計

文可佳

(北京市十一學校 100039)

1 教材分析

“基因對性狀的控制”是人教版高中生物學教材必修2第4章第2節的內容，是基于“基因指導蛋白質的合成”，進一步闡明基因、蛋白質與性狀之間的關系，并歸納出生物學中的基本規律——中心法則，同時本節課材料中出現的異常性狀，將為“基因突變及其他變異”的學習打下伏筆，在前后知識關聯上具有紐帶作用。

由于基因、性狀與蛋白質之間關系的知識性內容簡單，學生較易理解，因此，傳統授課多以講授式的教學方法為主。在生物學科核心素養導向下，為讓學生在獲得基礎知識的同時，領悟到生物學家在科學探究過程中解決問題的思路和方法，筆者精選最新發表的學術論文，在教學過程中引導學生通過層層遞進的原始數據分析，自主生成基因、蛋白質與性狀之間的關系。同時，增強學生的邏輯推理能力和分析能力。

2 教學目標

2.1 知識目標 說出基因、蛋白質與性狀之間的關系，概括中心法則及其發展。

2.2 能力目標 通過小組合作，學生具有在全新情境中分析實驗數據，歸納出基因、蛋白質與性狀之間關系的能力。

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

3 教學過程

3.1 通過簡明問題導入 學生已知基因是具有遺傳效應的DNA片段，基因可以指導蛋白質的合成，蛋白質是生命活動的承擔者。教師提出問題：基因、蛋白質和性狀之間是怎樣的關系？通過簡明的問題引入新課，讓學生迅速進入學習狀態。

3.2 基于文獻資源的材料分析 通過基于文獻材料的分析，可令學生對于簡單知識背后大量的科學探索過程具有清晰認識，借此提高學生的歸納、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系 以科學史上科學家探索基因與性狀之間關系的經典實驗為例，帶領學生像科學家一樣思考問題，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，控制眼睛發育的基因均為Pax6及其同源物[1，2]，請學生猜測，科學家如何證明Pax6基因和眼睛發育性狀之間的對應關系？

學生小組討論后，提出實驗方案：將基因破壞掉，觀察生物體對應的性狀是否被破壞。教師隨后展示科學家的實驗結果，人類Pax6同源基因出現異常，會導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)。學生總結實驗結果：基因可以控制性狀。

圖1 Pax6基因及其同源物突變影響果蠅、小鼠與人的眼睛發育[2]

教師介紹科學史：當時有一個科學家進行了進一步推測，他認為基因對性狀的控制是決定性的，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眼睛的產生。他的假設遭到了同時代生物學家的質疑，其他人認為該基因脫離原來的微環境，不可能具有功能。從而引導學生討論，你認為該科學家的假設合理嗎？

進一步向學生介紹，該科學家頂著巨大壓力，做了這個大家認為不可行的實驗，將控制眼睛發育的基因轉到果蠅身體的其他部位，可以在果蠅頭部、翅膀、觸角和腿部誘導眼睛產生，最多可以在同一只果蠅身上誘導產生14只復眼。帶領學生總結：該實驗結果說明，基因對性狀的控制不受環境的影響，改變了場所，脫離了原來基因表達的微環境，基因依舊可以控制性狀。由此，科學家通過一正一反的雙重證據，充分證明了基因可以控制性狀。借助此文獻材料，可加深學生對“基因可以控制性狀”的理解。

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

向學生介紹文獻材料：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]。科學家希望將水熊的抗輻射基因轉移到人體，是否會讓人也具有抗輻射的能力？由此引入2016年發表于自然子刊的數據，Hashimoto等在水熊中發現抗輻射基因Dsup，他們將Dsup基因轉入人類細胞[4]，如圖2所示。以問題串的形式引導學生思考，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入到人體細胞實驗[4]

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

3.2.3 通過文獻材料分析環境在基因與性狀關系中的作用 繼續引導學生思考：基因、蛋白質與性狀之間是簡單的線性關系嗎？環境在其中會不會有影響？從而引入關于腸道菌群與肥胖性狀之間關系的研究材料。向學生介紹，在一個成年人的體內，具有超過一百種微生物，構成人的腸道微生物菌群。帶領學生分析圖3，經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量具有巨大差異，最終會直接導致小鼠是否肥胖。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。最后學生總結該文獻結論：食物(環境)可以在很大程度上影響性狀，表現型是基因與環境共同作用的結果。

圖3 食物(環境)通過影響腸道微生物菌群而影響小鼠胖瘦(表型)[5]

3.3 學生對于中心法則的自主構建 學生分為小組，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)要求學生舉例說明某些基因序列不變、但表型改變的表觀遺傳現象，因此在本課結束時做適當拓展，結合個性化評價，充分調動學生對于生物學學習的積極性，增強學生關注前沿問題的意識。

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？從而引導學生思考，有沒有基因序列不變，但可產生可遺傳變異的表觀遺傳現象？由此留出個性化作業，學生分組觀看朱冰與饒毅兩位科學家針對表觀遺傳作用的辯論，學生根據辯論提出自己的觀點，通過搜集資料，運用本堂課學習到的材料分析方法、加以說明，最終小組提交海報進行展示。

4 教學反思

生物學科教學，除讓學生獲得基礎的生物學知識外，也需讓學生領悟到生物學家在科學探究過程中解決問題的思路和方法。然而，教學中發現學生分析生物學材料以及理解生物學科本質的能力較弱，是生物學教學的痛點之一。

為嘗試解決以上問題，本節“基因對性狀的控制”教學中，并未采取傳統知識講授的方式，將基因、蛋白質、性狀與環境之間的關系直接告知學生，而是將發表于國際期刊的原始文獻引入高中日常教學，通過層層遞進的材料剖析，學生根據實驗結果，自主生成基因與性狀、蛋白質與性狀以及環境與性狀之間關系的知識框架。在教學過程中，發現學生經過一段時間的類似訓練，可逐漸理解生物學知識的得出并非依據直覺，而是有著龐大的實驗體系和科學探索作為依托，學生的理性思維和科學探究能力得以提高。