圍繞概念的本質與變式展開深度學習

吳開其 張晉

深度學習之深在于本質與變式，本質與變式回答的是如何處理學習內容（學習對象）的問題，它要求學生能夠抓住教學內容的本質屬性去全面把握知識的內在聯系，而不是簡單地掌握孤立的知識點或記憶更多的事實性知識。面對各種情景下知識點應用，需要把握事物本質的過程，在變式中懂得去除非本質屬性的干擾，分辨出概念的本質屬性，同時對學習內容（學習對象）進行深度加工的過程。下面以“表現型=基因型+環境”概念學習為例，抓概念的本質與變式自然實現涉及思維、概念整合和應用的深度學習。

1 采用假說一演繹法，將本質理解融入科學論證的變式學習中

以“表現型=基因型+環境”相關的材料為教學內容，以假說一演繹法為教學形式，結合情境進行邏輯演繹和科學推理。這樣，學生在論證過程中自然將深入理解“表現型=基因型+環境”這一核心觀念的本質。

1.1 呈現生物學現象

教師展示幾則關于生物學現象的資料。

資料1：蒲公英的花是兩性花，異花傳粉，既可用種子繁殖，也可用直根扦插繁殖。葉形有全緣型，也有缺刻型，生長于背風向陽處的植株葉形為全緣型，而生長于向風蔭蔽處的植株葉形為缺刻型。

資料2：果蠅的黑體（v）與灰體（V）是一對相對性狀，某實驗小組對果蠅的這對相對性狀進行遺傳研究。如果用含有某種添加劑的食物喂養果蠅，所有的果蠅都是黑體。

實際教學中，教師在呈現上述材料的同時呈現相應的圖片，也可采用“板畫”的方式向學生展示教師筆下的蒲公英和果蠅，更能喚起學生的學習注意，并留給學生無限的想象。

1.2 提出解釋現象的假設

教師引導學生根據資料1和資料2提出解釋相應的生物學現象的假設，如針對資料1的假設，即由于環境對表現型的影響，環境只是影響了基因的表達，而沒有影響基因的本質。在引導學生提出假設時，教師也可給出相應的提示。例如，果蠅的體色究竟和什么有關？

1.3設計實驗驗證假設

針對資料1提出的假設，教師引導學生設計實驗證明“蒲公英全緣型和缺刻型產生原因由于環境對表現型的影響，遺傳物質沒有改變”。當然更重要的是引導學生正確設置對照實驗。例如，另取向風蔭蔽處的蒲公英的直根若干隨機平分為甲、乙兩組，并分別置于背風向陽處和向風蔭蔽處進行培養，觀察葉片形狀。更換蒲公英再培養，可選擇原本背風向陽處的蒲公英的直根分別置于背風向陽處和向風蔭蔽處進行培養。

教師針對資料2及其現象解釋的假設進一步設置情景，并提出問題：“現有一只用含有該種添加劑的食物喂養的黑體雄果蠅，請設計一個實驗探究其遺傳因子組成？”同時，引導學生提出假設：一種假設是該黑體果蠅含有"V”基因;另一種假設是該黑體果蠅不含"V”基因。繼續，引導學生根據自己的假設去設計實驗驗證。

2 思維發散，以類比分析進行概念變式深入理解本質

經過上述假設演繹過程，初步體會到相關生物學現象背后涉及的“表現型=基因型+環境”這一概念的本質，此時繼續呈現新的材料從不同的角度圍繞核心概念進行類比分析，體會大概念對相關生物學現象解釋的統攝性，聚焦概念的真正本質。

2.1 以“從性遺傳”進行類比分析

【例1】綿羊的有角和無角受常染色體上一對等位基因控制，有角基因H為顯性，無角基因h為隱性，在雜合子（Hh）中，公羊則表現有角，母羊則無角。針對材料，教師引導學生大膽提出對“奇怪”現象的假設，再逐漸帶領學生思考以下問題：

①可否根據提出的“表現型=基因型+環境”解釋上述現象？

②現有一只無角母羊，其基因型可能是什么？

③怎樣通過交配實驗鑒定一只無角母羊的基因型？

2.2 以“牝雞司晨”進行類比分析

教師呈現教材材料：原來下過蛋的母雞，以后卻變成公雞，長出公雞的羽毛，發出公雞的啼聲。接著，提出問題：①從遺傳的物質基礎和性別控制的角度，解釋這種現象出現的可能原因。②如果有一只公雞，則其可能本身是公雞，也有可能是一只母雞性反轉而成的公雞。請設計一交配實驗判斷該只公雞性染色體組成？

實際教學中有趣的是，因為雞性別決定為“ZW”型，學生在設計雜交實驗并進行演繹推理時自然提出性別為“WW”的個體會致死。以上兩則材料將知識與生活現象結合，學生在假設的問題情景中根據生物學原理解決問題，實現深度學習。

2.3 以“果蠅變翅”進行類比分析

教師先呈現背景材料：遺傳學家曾經做過這樣的實驗，長翅果蠅幼蟲正常的培養溫度為25℃，將孵化后4-7 d的長翅果蠅幼蟲放在35-37℃的環境中處理6-24 h后，得到了一些殘翅果蠅。接著，給出相應問題：①根據現象，提出解釋現象的假說。②請設計相應雜交實驗證明你的假說。

針對問題①，結合“表現型=基因型+環境”，學生自然給出因為環境因素影響了果蠅相應的性狀的解釋;針對問題②，學生可能提出方案，如“讓性狀改變的殘翅果蠅又放在正常的溫度下培養，看是否恢復長翅，或讓殘翅果蠅在正常溫度下產生后代，看是否仍然是殘翅”。

課堂中，教師還可進行提示并追問：基因可控制性狀，溫度影響酶的活性進而影響原本長翅性狀的表達，可以說明基因、蛋白質與性狀之間的關系。學生討論，回答：基因通過控制酶的合成來控制代謝過程，進而控制生物體的性狀。

3 遷移應用，綜合概念的本質和變式進行延伸拓展

在理解基因、蛋白質、性狀和環境之間的關系時，教師也可對“基因指導蛋白質合成”的相應內容進行拓展，同時可選擇課堂內外甚至當前生物學研究前沿先關的話題作為教學內容并討論。

3.1 延伸植物激素調節的理解

教師引導學生回憶植物向光彎曲生長的機制以及各種植物激素共同調節對植物生長的影響實例，引導學生提出光照、溫度等環境因子的變化，會引起植物體內產生包括植物激素在內的多種變化，進而對基因組的表達進行調節。這樣可以讓學生再次體會“生物與環境”模塊中植物生長發育過程，根本上是基因組在一定時間和空間上程序性表達的結果，體會植物生命活動調節也是由外界環境、基因表達共同作用的結果。

3.2 拓展到袁觀遺傳的學習

首先，教師提出表觀遺傳的特征，即某些基因中堿基序列不變但表現型改變。接著，舉例：有研究發現女性懷孕期間遭受營養不良對孫代的體重會有影響;也有研究發現父親高脂飲食導致子代認知功能受損。學生結合表觀遺產的概念進行解釋。接著，再次結合實例深入探討表觀遺傳的可能機理：基因相同的兩株柳穿魚，其中一植株開花時因Lxyc基因正常表達花呈現A形態，另一植株Lcyc基因由于高度甲基化不能表達其花呈現B形態。將兩植株雜交F.代表現A形態的花，F2代有大部分開A形態的花，有少部分開B形態的花。這樣讓學生體會這種遺傳物質沒有發生實質改變的遺傳。

3.3 結合科學、技術與社會的進行應用

教師可介紹2019年諾貝爾生理學或醫學獎關于“揭示細胞感知和適應氧氣供應的機制”的研究成果：研究者揭示細胞如何感知并適應氧氣供應的變化，鑒別出了一種特殊的分子機制，其能調節基因的活性來響應不同水平的氧氣，并結合“表現型=基因型+環境說”概念，使學生體會基因與環境之間存在著復雜關系，與該概念相關的機理還有很大的空間值得研究。

教師再呈現雜交水稻的材料，以說明“表現型=基因型+環境”生物學觀念在實際生產中的應用：水稻一般是自花傳粉且去雄困難，很難實施人工雜交，袁隆平等成功找到了雄性不育植株（“野敗”），免去人工去雄的操作，選取的雄性不育與育性正常植株雜交后代全為雄性不育，不育植株自交后代卻有雄性不育與育性正常的性狀。學生不禁要問：“雄性不育植株如何實現自交的？”教師給出提示：“雄性不育在高溫下表現為雄性不育，而在常溫下表現為育性正常。”這樣使學生體會“表現型=基因型+環境”生物學觀念在實際生產中隨處可以體現，所以科學家研究時在基因道路上行不通，往往會嘗試改變環境因素。

4 結語

核心概念的學習不是單純的知識梳理，也不是簡單地將各類知識進行整合，最終還得為生命觀念的形成服務，“表現型=基因型+環境”概念的變式學習是以系統論的科學思想引領完成核心概念的延伸。當然，對概念進行變式是為了對本質更加清晰的認識，理解概念本質和內涵后，更能靈活充分地對概念進行綜合、遷移和應用。課堂中，教師可圍繞某些觀念對概念進行縱向深入理解和橫向拓展，在此過程中可以結合新的情景，呈現新的事實材料、新的研究發現、社會熱點甚至科學發現中遇到的難題等重新審視核心概念。

參考文獻：

[1]郭華.深度學習及其意義[J].課程·教材·教法，2016，36（11）：25-32.

[2]呂愛民.淺析環境因素和遺傳因素對生物性狀影響的實驗設計[J].生物學教學，2009，34（04）：46-47.

[3]吳開其，張晉.“泡開”生物學核心的概念、原理和問題——再論“兩次倒轉”教學機制的應用關鍵[J].生物學教學，2019， 44（2）：24-27.