構建主動學習情境 培養學生認知能力*——以“三種可遺傳變異”專題復習教學為例

蔣選榮

“學習金字塔”理論將學習方式分為被動學習和主動學習。討論、實踐、教授他人三種學習方式是學習效率比較高的方式，學習目標達成率在50%以上，屬于主動學習。高中生物課堂教學中對學生認知能力的培養主要體現在三方面：第一是思維能力培養，包括獨立思考、信息處理、邏輯推理；第二是操作實踐，包括實驗、模型制作、概念圖繪制等；第三是對思維結果的提煉和加工，包括文字概括、語言描述等。在課堂教學中引導學生運用主動學習方式有助于培養學生的認知水平。高中生物學專題復習課是在新授課學習了特定的教學內容基礎上，對生物學知識體系（包括特有的思維方式和探究過程）、科學方法、科學史等進行梳理及提煉過程，也是構建知識網絡、進行知識遷移和運用的深度學習的過程。“持久地改進教學方法和學習方法的唯一直接途徑，在于把注意集中在嚴格要求思維、促進思維和檢驗思維的種種條件上。”［1］現以“三種可遺傳變異”專題復習課為例，說明如何通過構建主動學習的教學情境來培養學生的認知能力的課堂教學過程。

一、主動建構知識體系，形成概念

“三種可遺傳變異”復習課的一般教學設計是對三種類型的變異進行比較，從定義、類型、發生時期、發生變異的生物種類、意義、對進化的影響等多個維度進行辨析，通常是教師設計表格，學生只需要完成表格內容，教師進行歸納總結。這種教學設計指向性明確，目標易達成，課堂教學操作性強。但也存在思維深度和廣度不夠，邏輯推理過程不明顯，沒有主動對知識進行遷移運用的深度學習過程。本節課突破常規教學設計，直接以問題的形式導入，提出的問題是：結合所學知識，嘗試對“遺傳”“變異”作出解釋。要求學生各自獨立思考，可以查詢教材或其他資料，在筆記本上用文字表述出對“遺傳”“變異”的認識，在同組內交流，對“遺傳”“變異”的概念進行修正，最終形成統一認識，建構概念，準備在班級交流。圍繞問題，學生經歷的學習過程如圖1 所示。

圖1 學生經歷的學習過程

圍繞問題，過程①是學生自主學習過程，包含了獨立思考、信息加工、邏輯推理等過程，有助于培養學生思維能力。過程②是對思維結果進行提煉加工過程，有利于培養學生文字概括能力。過程③是組內交流過程，學生之間相互討論，概括提煉過程，有利于培養學生邏輯推理及語言表述能力。過程④是組內達成共識后，對“遺傳”“變異”概念修正和建構的過程，有助于培養學生思維及文字概括能力。過程⑤是組外交流過程，是知識運用過程，包括用概念圖、模型、圖表等形式解釋概念的過程，是運用生物學知識的實踐過程，有利于培養學生思維、語言表述、動手實踐能力等。課堂教學過程的實錄如下：

生1：我通過回顧細胞有絲分裂過程、減數分裂過程及相關圖形，對比了基因突變、基因重組、染色體變異三種變異類型，對“遺傳”的解釋是“生物的性狀從親代傳遞到子代”；對“變異”的解釋是“生物親代和子代之間性狀上的差異”。相應“遺傳”的例證有“細胞有絲分裂產生的子代細胞形態結構與親代細胞一致”“孟德爾一對相對性狀的遺傳實驗中，F1代、F2代中部分個體性狀與親代一致的現象”；有關“變異”的例證有“同一細胞的后代經歷細胞分化，出現了形態結構、生理功能上的差異”“孟德爾豌豆雜交實驗中出現了與親本不一樣的表現型”等。

生2：“遺傳”就是親代將基因傳遞給子代；“變異”是遺傳物質的改變。“遺傳”例證是“有絲分裂間期或減數第一次分裂前的間期DNA 都復制1 次，細胞分裂完成時，親代細胞DNA 平均分配到子代細胞”；“變異”的例證是“DNA 復制過程中基因發生突變，配子形成過程中發生基因重組或染色體結構、數目的變化”。

師：同學們能否從分子水平、細胞水平、個體水平對遺傳和變異進行闡述？建議大家組內討論，說出自己的認識，形成共識后組外交流。

生3：我們討論的結果可以用下面的圖解表示（見下頁圖2）。我們對“遺傳”的認識是從分子水平、細胞水平、個體水平三個層面上探討的，分子水平的遺傳是指遺傳物質（DNA）從親代細胞傳遞到子代細胞；細胞水平的遺傳是指細胞通過增殖產生形態結構、功能一致的細胞；個體水平的遺傳是指子代個體性狀與親代一致的現象。對“變異”也存在上述三個層面的認識，即分子水平上發生的遺傳物質的改變、細胞分化后在形態結構及功能等方面的差異、個體表現型差異。遺傳物質的改變是可以遺傳的，基于遺傳物質改變基礎上的細胞水平的差異及個體表現型的差異也是可以遺傳的，基于環境影響產生的變異是不能遺傳的。

圖2 “遺傳”及“變異”思維導圖

師：從“遺傳”和“變異”的本質分析，“遺傳”的實質是遺傳物質的傳遞；“變異”的實質是遺傳物質的改變，“變異”類型分為“可遺傳變異”和“不可遺傳變異”兩種類型。基于遺傳物質變化基礎上的“變異”是“可遺傳變異”，是遺傳物質表達后表現出細胞水平和個體水平相似或差異的現象。例如，基因的選擇性表達會導致細胞的差異；原癌基因和抑癌基因突變后，正常細胞癌變成癌細胞；夫婦正常，生出了白化病患者，個體水平性狀發生了改變。能否用概念圖表示遺傳物質和性狀之間的關系呢？

學生展示概念圖（整理后見圖3）。

圖3 基因對性狀控制的概念圖

師：還有哪位同學對該概念圖進行修改并說明理由？

學生展示概念圖（整理后見圖4）。

圖4 反映生物多樣性的概念圖

二、改“歸納總結”為“自主整理”

針對教學環節一中生成的問題“遺傳物質變化的類型有哪些”，教師要求學生寫出可遺傳變異的類型并作出解釋，并建議用思維導圖或概念圖形式展示給大家。教材內容中包含基團突變、基因重組、染色體變異內容，具體知識點內容詳細而清晰，由教師“歸納總結”可以使其簡潔明了，節省教學時間。但教師的“歸納總結”對學生而言是“被動學習”，缺乏思維和實踐經歷，學習效率不高。根據佐藤學的見解，一般意義（科學概念）的溝通的語言→“外部語言”“內化”為思維語言→表現學習者的感知含義（自發概念）→結構化的過程，謂之“學習”。［2］“可遺傳變異”教學內容并不復雜和深奧，學生可以通過整理教材內容、相互交流等學習方式進行主動學習，有效提高教學效果。教師對學生“自主整理”過程進行引導和幫助，在學生主動學習過程中起著“搭支架”的作用。具體教學實錄如下。

生4：我們學習小組繪制了思維導圖。（見圖5）

圖5 可遺傳變異類型思維導圖

師：請其他同學對展示的思維導圖進行補充說明。

生5：三種類型的可遺傳變異發生的機制有差異，基因突變是基因內部結構的改變，實質是堿基對的增添、缺少、替換；基因重組主要發生在有性生殖過程，是控制不同性狀的基因重新組合，體現在減數分裂過程中非同源染色體上的非等位基因的重新組合；染色體變異涉及基因數量和排列順序的改變，對生物性狀的影響大，通常會導致個體發育不良或在幼齡階段致死。

師：可遺傳變異主要是指分子水平層次遺傳物質的變化可能會導致生物性狀的變化。通常有絲分裂過程中會發生基因突變、染色體變異；減數分裂過程中會發生基因突變、基因重組、染色體變異。可遺傳變異是生物性狀改變的內因，遺傳物質的改變不一定改變生物性狀。例如，隱性突變、突變發生在非蛋白質編碼序列、環境對性狀的影響等。

三、辯證分析“遺傳與變異的聯系”

師：結合對前面2 個問題的討論，說明遺傳與變異的聯系。建議結合遺傳與變異的現象、DNA（基因）、染色體結構及功能、減數分裂形成配子的過程等進行分析。

生6：遺傳與變異是生物的基本特征，是對立和統一的關系。遺傳是變異的基礎，變異是在遺傳的基礎上發生的。遺傳使生物性狀保持穩定，變異使生物性狀發生改變，改變的性狀可以遺傳，遺傳可以使變異得以積累。遺傳與變異的作用是使物種既保持穩定，又是物種發生進化的基礎。

四、“遺傳與變異”的延伸拓展

學生經歷了上述三個教學環節后，梳理了基礎知識，重新建構了“遺傳”“變異”的概念。在此基礎上，教師可以“放手”讓學生展開思維，列舉高中生物學中“遺傳與變異”的相關知識。通過對“遺傳與變異”相關知識的梳理，學生能主動將碎片化的知識通過“遺傳”“變異”聯結形成體系，對“遺傳”“變異”知識進行遷移運用，從而進行深度學習。具體教學實錄如下。

師：回顧高中生物學有哪些與“遺傳變異”相關知識。并把他們列舉出來。

生7：細胞分裂、基因對性狀的控制、基因的表達、細胞的生命歷程、生物的進化、人工育種等都與“遺傳變異”相關。如：細胞有絲分裂過程中DNA 復制后從親代細胞傳遞給子代細胞對于生物的遺傳有重要意義，DNA 復制過程中會發生基因突變，可能導致子代細胞發生變異；減數分裂過程中初級精母（卵母）細胞中單倍性DNA 會傳遞給子代配子，這是遺傳。發生非同源染色體上非等位基因的自由組合、同源染色體中非姐妹染色單體的交叉互換是基因重組；在細胞分裂過程中發生染色體結構和數目的變化是染色體變異；個體水平的變異現象有21-三體綜合征等遺傳病、培育無籽西瓜等育種工作；基因的正確表達體現了遺傳現象，基因的轉錄和翻譯過程出現的差錯會導致變異現象發生。可遺傳變異導致的個體性狀改變為生物進化提供了可選擇的對象，是進化的原材料。

師：生命現象和規律都與遺傳變異有關，細胞代謝、細胞分裂、個體發育等過程都與遺傳有關，基因決定了生物性狀。遺傳物質發生改變，就會導致細胞、個體等性狀的改變。人類在研究遺傳變異的過程中，逐步將遺傳變異的原理用于生產、生活實踐中了。請同學們用遺傳變異的原理來解決育種中的實際問題。

例題：某種糧食作物矮稈基因為m，抗蟲基因為R。現有MMRR、mmrr 兩個品種，控制兩對相對性狀的基因位于兩對同源染色體上。請運用遺傳學原理設計育種方案，獲得矮稈抗蟲新品種，闡明育種原理。

學生分組討論后展示方案（整理加工成圖6 所示）：

圖6 育種方案

生8：方案1 屬于誘變育種，基本原理是基因突變；方案2 屬于雜交育種，基本原理是基因重組；方案3 是單倍體育種，基本原理是染色體變異。

師：上述3 個方案優缺點是什么？

生9：方案1 由于基因突變具有不定向性，只有大量處理供實驗用材料，才能獲得需要的變異類型；方案2 需要不斷自交和篩選，淘汰基因型為mmRr 植株，過程煩瑣，技術簡單；過程3 利用花藥進行組織組織培養技術，并誘導單倍體幼苗染色體數加倍，在較短時間內獲得純種，育種通常2 年左右時間。單倍體育種的技術比較復雜，通常需要與雜交育種配合才能實現。

師：不同的育種方式都有各自優缺點，每一種育種方式都體現了可遺傳變異，通常蘊含了二種以上的可遺傳變異類型。例如三種方案中都蘊含了基因重組。

上述教學片段的設計是基于學生在經歷了新授課的學習后，對相關生物學知識初步形成概念基礎上通過創設問題情境的形式引導學生主動學習的。4 個教學環節中問題的設置由淺入深，解決問題的過程包含了科學思維的過程，如對“遺傳”“變異”作出解釋的過程蘊含了邏輯思維，分析“遺傳與變異的聯系”過程包含了辯證思維。在教學過程中讓學生既“動腦”又“動手”，“動腦”是學生的思維活動，是對知識進行加工、概括、提煉的過程，是語言修飾表述的過程，具體體現在對“遺傳”“變異”概念修正和建構，自主整理“可遺傳變異”類型，分析“遺傳與變異的聯系”過程等。“動手”是指實踐過程，如設計基因表達的概念圖、繪制“可遺傳變異”思維導圖、提出育種方案等。

上述教學片段的展示僅以說明教學過程是教師通過“教”，引導學生主動“學”，以“教”代“學”是不利于培養學生的認知能力。生物學課程期待學生主動參與學習過程，在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據、檢驗假設、發現規律等過程中習得生物學知識，養成理性思維的習慣，形成積極的科學態度，發展終身學習的能力。［3］