核心素養在中學生物課堂的培育
——以“基因突變”一節的教學為例

劉 剛 （江蘇省句容高級中學 江蘇鎮江 212400）

《普通高中生物學課程標準（2017版）》（以下簡稱“課程標準”）將生物學學科核心素養凝練為：生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。高中生物課程改革的深入進行將以促進學生核心素養發展為目標，內容聚焦大概念是課程標準基本理念之一。“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”是“遺傳與進化”模塊中的一個大概念，基因突變是該大概念中的一個重要概念，其內涵與外延的知識較為復雜。承前，與DNA的分子結構、基因的概念、基因的復制與表達密切相關；啟后，則與加深認識可遺傳變異的實質與類型，理解遺傳育種的操作原理和人類遺傳病的預防，有緊密的聯系。教師抓住“鐮刀型細胞貧血癥”的實例，從紅細胞的變異到血紅蛋白的改變，再到DNA結構的改變的根源探索，可使學生進一步學會從現象到本質的認識的事物方法。學生在案例分析、模型構建等認知過程中，逐步完成對“基因突變”概念的認知。因此，本節課的教學可充分體現生物學學科核心素養的價值。

1 案例分析，發展科學思維

課程標準對“科學思維”的界定是：尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，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。

教師呈現案例1：1910年，一個黑人青年到醫院看病，檢查發現他患的是當時人們尚未認識的一種特殊的貧血癥，他的紅細胞不是正常的中央微凹圓餅狀，而是彎曲的鐮刀狀。1949年，美國化學家鮑林，將正常人、鐮刀型細胞貧血癥患者和鐮刀型細胞貧血癥基因攜帶者的血紅蛋白分別電泳，發現二者電泳圖譜明顯不同，說明鐮刀型細胞貧血癥是由于血紅蛋白分子的缺陷造成的。教師投影展示正常紅細胞和鐮刀型紅細胞圖片和這兩種蛋白質的部分氨基酸序列圖（圖1）。

纈氨酸—組氨酸—亮氨酸—蘇氨酸—脯氨酸—谷氨酸—谷氨酸—賴氨酸……… 正常

纈氨酸—組氨酸—亮氨酸—蘇氨酸—脯氨酸—纈氨酸—谷氨酸—賴氨酸……… 異常

圖1 鐮刀型細胞貧血癥患者細胞中DNA的突變示意圖

教師根據氨基酸分析結果，設置問題鏈：圖中哪一個氨基酸發生了改變？肽鏈中的氨基酸序列是由什么決定的呢？密碼子的堿基排列順序又是由什么決定的？DNA如何控制蛋白質合成的？

學生回憶轉錄、翻譯的相關內容及查閱密碼子表，完成圖解，分析鐮刀形細胞貧血癥的病因。

教師創設情境，激發學生的思維興趣；學生基于生物學事實和證據運用歸納與概括、演繹與推理等方法來探討、闡釋生命現象及規律，很好地發展了自身的科學思維。

教師呈現案例2：資料一：1935年，美國科學家聯合英國科學家在非洲大陸對11 270種植物進行了檢查，結果發現在過去的7年間，98.7%的植物都曾發生過突變；但就其中任何一種植物而言，在自然狀態下，發生一次變異的機率為1/1 988。

資料二：果蠅的眼色類型及控制基因示意圖（圖2）。

圖2 果蠅的眼色類型示意圖

資料三：植物在幼苗期可能發生基因突變，引起整個植株變異；幼芽時期也可能發生基因突變，引起枝條變異；花芽時期也可能發生基因突變，引起一朵花表現出變異。

資料四：絕大多數的人類遺傳病都是由基因突變造成的，這些病對人類健康構成了嚴重威脅。鐮刀型細胞貧血癥就是一種這樣的遺傳病，患者（aa）不到成年就會死亡。可見，這種突變基因在自然選擇的壓力下容易被淘汰。可是在非洲瘧疾流行的地區，發現鐮刀型細胞雜合基因型（Aa）對瘧疾的感染率，比正常人（AA）低得多。因此，在瘧疾流行的地區，不利的鐮刀型細胞基因突變可有利于防止瘧疾的流行。

教師通過展示科學資料，引導學生探討基因突變的特點（普遍性、隨機性、不定向性等），理解生命現象及規律，鍛煉了學生歸納和概括、批判性思維等能力，使學生形成良好的科學思維習慣。

2 模型構建，引導科學探究

課程標準對“科學探究”的界定是：能夠發現現實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及對結果的交流與討論的能力。為了深度理解“基因突變”這一重要概念，教師設置了模型構建活動，實現了學生的“做中學”。

教師用磁性紙做基因模型，將已知編碼蛋白質的DNA堿基序列貼在白板上：

…G C G A G C C T G G A T…

…C G C T C G G A C C T A…

學生在白板上演示堿基對缺失、增添過程，得出結論：DNA分子中發生堿基對的替換、增添和缺失，都可引起基因結構的改變。

學生探究堿基對的替換、增添和缺失，對氨基酸序列的影響是否一樣。

教師給每個小組準備一張白板，白板上貼好基因、mRNA及氨基酸序列模型（圖3），要求學生比較改變后的基因所翻譯的氨基酸序列有何變化，并提示：①第六個堿基對G-C被堿基對C-G（或A-T）所替換；②第六個堿基對G-C缺失；③第六、七個堿基對之間插入1個（或2個或3個）堿基對C-G；學生也可以創造性改變其他的位點的堿基對序列。

圖3 教師準備的模式示意圖

學生活動后，得出相關結論：DNA分子的堿基對改變不一定引起生物性狀改變；一般情況下，DNA分子中缺失（增加）1個或2個堿基對比缺失（增加）3個堿基對的影響大；以上情況的改變有可能會導致肽鏈的延長或縮短。

師生共同建構出基因突變的概念：由于DNA分子中發生堿基對的替換、增添和缺失，而引起的基因結構的改變，就叫做基因突變。

學生親自體驗了基因結構改變的一系列模擬探究活動，相互合作探討構建出“基因突變”這一重要概念，并領會了基因突變概念的內涵與外延。學生在模型構建過程中，思維相互碰撞，逐步增強了對自然現象的好奇心和求知欲，從而培養了學生的觀察能力和比較能力，增強了學生間的合作交流能力。

3 聯系實際，肩負社會責任

課程標準對“社會責任”的界定是：基于生物學的認識，參與個人與社會事務的討論，作出理性解釋和判斷，解決生產生活問題的擔當和能力。

教師在課前簡要說明部分惡性腫瘤的發生和基因突變有關，然后讓學生搜集惡性腫瘤實例及防治方面的資料，分析討論生活中會導致細胞癌變因素的。

學生展示實例并討論：

①青少年不宜長時間使用手機，防止手機輻射對大腦等器官發育的影響。

②臭氧層破壞導致皮膚癌患者增多。

③切爾諾貝利核電站核物質外泄，誘發產生了眾多白血病患者。

④臨床醫學證明，80%的肝癌患者患病的誘因，是乙肝病毒的傳播。

⑤揚州一家三口，從2017年下半年起，相繼被查出癌癥，收治他們的醫院專家分析認為，病因與全家人長期吃剩菜剩飯和霉變的食物有關。

⑥近幾年肺癌的發生率日趨增加，可能與吸入煙草燃燒的煙霧、工廠的煤煙、汽車尾氣等有關。

學生歸納：誘發基因突變因素有物理因素（如紫外線、X射線及其他輻射等）；化學因素（如亞硝酸、堿基類似物等能改變核酸的堿基）；生物因素（如某些病毒的遺傳物質能影響宿主細胞的DNA）。當沒有這些外來因素影響時，基因還可自發突變：DNA分子復制時偶爾出錯，DNA的堿基組成發生改變。

學生聯系日常的生活實際去揭示生物科學本質，將會更好地解決生產生活中的生物學問題。這樣可以激發學生對細胞癌變（基因突變）的關注，使學生確立積極的生活態度和健康的生活方式，學會珍愛生命并保護好環境。學生能運用科學的知識和原理，解決日常生活中的實際問題，從而實現生物學的學科育人價值。

4 逐漸滲透，形成生命觀念

課程標準對“生命觀念”的界定是：對觀察到的生命現象及相互關系或特性進行解釋后的抽象，是人們經過實證后的觀點，是能夠理解或解釋生物學相關事件和現象的意識、觀念和思想方法。教師以鐮刀型細胞貧血癥為例，啟發學生討論相關問題，如本節知識中的哪些內容體現了結構與功能相適應的觀點，從而引導學生從蛋白質、mRNA、DNA角度層層深入分析該病的發病機制，初步明確基因序列的改變有可能導致所編碼的蛋白質及相應的細胞功能發生變化，從而樹立結構和功能相適應的生命觀念。

教師呈現資料：英國曼徹斯特地區的樺尺蠖在19世紀中葉以前，體色幾乎都是淺色（SS、Ss）的，黑色的個體（ss）很少。因為黑色的樺尺蠖在長滿地衣的樹干上很容易被天敵發現而被捕食，很難存活。在20世紀中葉，由于英國工業發展較快，工廠排出的煤煙殺死了地衣，并將樹干熏成黑褐色。在這種情況下，黑色的變異反而成為有利性狀而被保留下來，黑色樺尺蠖就成了常見類型。

師生共同分析資料，發現：基因突變是不定向的，有的是有利變異、有的是不利變異，也有的是無義變異，但可以為進化提供原材料，變異是否有利取決于什么因素?（學生回答：環境條件）這說明與環境相適應的變異容易保留下來，在多變的環境中，變異類型多的生物容易保留下來，體現了進化與適應的觀點。教師引導學生分析資料，將基因突變與進化相掛鉤，從而歸納出基因突變的意義，有利于學生運用已有的知識和邏輯對生物學議題進行思考、感悟，從而樹立進化與適應觀這一生命觀念。

總之，生物學學科核心素養在課堂教學中的實施要結合具體教學內容來進行，核心素養的四個方面在每節課中可能有所側重，也可能某節課的內容沒有包含這四個方面。對于一節課中的某個知識點而言，可能涉及一個或多個方面，但教師要關注其中主要體現的是哪一方面的核心素養，并不需要面面俱到。因此，在課堂教學中培養學生核心素養的過程中，教師應該結合具體內容有重點、有選擇地進行，才能將核心素養在課堂教學中落到實處。