基于科研文獻(xiàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐——以“人類遺傳病”為例

唐建烽

（中央民族大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100000）

1 教材分析與設(shè)計(jì)思路

“人類遺傳病”是人教版《必修2·遺傳與進(jìn)化》中的第五章第三節(jié)內(nèi)容，是“基因突變”和“染色體變異”兩節(jié)內(nèi)容的延伸，包括人類遺傳病的產(chǎn)生、類型、特點(diǎn)以及檢測(cè)和預(yù)防的方法。

本節(jié)課從遺傳病“腎上腺-腦白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)不良”這一實(shí)例入手，首先組織學(xué)生設(shè)計(jì)調(diào)查方案，利用已掌握的伴性遺傳的相關(guān)知識(shí)推斷遺傳方式。然后，教師引導(dǎo)學(xué)生從分子水平和細(xì)胞水平分析資料，獲取證據(jù)進(jìn)行推理和論證，從而深刻理解人類遺傳病是由遺傳物質(zhì)改變而引起的人類疾病這一重要概念。最后，學(xué)生通過角色扮演的形式，介紹遺傳病的檢測(cè)和預(yù)防手段，建立正確的生育觀，落實(shí)社會(huì)責(zé)任。

2 教學(xué)目標(biāo)

①通過設(shè)計(jì)遺傳病的調(diào)查方案，掌握人類遺傳病的調(diào)查和統(tǒng)計(jì)方法。

②通過對(duì)真實(shí)遺傳家系案例的分析，推斷遺傳病的遺傳方式和特點(diǎn)，并從細(xì)胞和分子水平認(rèn)識(shí)導(dǎo)致人類遺傳病發(fā)生的根本原因。

③通過學(xué)習(xí)人類遺傳病的檢測(cè)和預(yù)防方法，建立正確的生育觀念。

3 教學(xué)過程

3.1 設(shè)計(jì)調(diào)查方案，繪制遺傳圖譜

教師提供資料，提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考：腎上腺-腦白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)不良（ALD）是一種最常見的遺傳性過氧化物酶體病，由于極長(zhǎng)鏈飽和脂肪酸在體內(nèi)的積累，從而引起腎上腺皮質(zhì)等功能的衰減。為更好地了解該遺傳病的遺傳方式和發(fā)病率，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)調(diào)查研究思路，并簡(jiǎn)要概述調(diào)查時(shí)需要注意事項(xiàng)。

學(xué)生分組討論，提出方案：首先要確定調(diào)查小組，根據(jù)選擇的遺傳性狀，確定調(diào)查對(duì)象，編寫和收發(fā)調(diào)查問卷，整理調(diào)查數(shù)據(jù)、討論分析做出解釋。調(diào)查遺傳方式需要以家系為單位，并保證一定的家系數(shù)量，進(jìn)行合并分析。調(diào)查發(fā)病率需要在人群中隨機(jī)調(diào)查，樣本的數(shù)量要足夠大，以保證結(jié)果的正確性。在調(diào)查過程中需要注意保護(hù)調(diào)查者的隱私。

教師展示某ALD患病家系的調(diào)查結(jié)果：某男性患病，其妻子不患病，父母不患病，三位姐妹中有兩位患病。請(qǐng)繪制該家族的遺傳系譜圖。學(xué)生分別繪制遺傳系譜圖并展示結(jié)果（圖1）。

圖1 學(xué)生繪制的遺傳系譜圖

設(shè)計(jì)意圖：教師創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情景，還原現(xiàn)實(shí)生活問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與熱情，從而使學(xué)生掌握調(diào)查遺傳病的基本思路和方法，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。并針對(duì)學(xué)生繪制的遺傳病系譜圖進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，使學(xué)生掌握遺傳病系譜圖繪制的相關(guān)要求，并為后續(xù)的教學(xué)任務(wù)做好鋪墊。

3.2 推斷遺傳方式，制造認(rèn)知沖突

教師要求學(xué)生根據(jù)繪制的系譜圖，推斷ALD的遺傳方式并說明理由，簡(jiǎn)要概括其遺傳特點(diǎn)。學(xué)生思考并回答問題：該病的遺傳方式為常染色隱性遺傳，因?yàn)棰?1和Ⅰ-2個(gè)體均不患病，而Ⅱ-1、Ⅱ-3和Ⅱ-4患病說明該遺傳性狀為隱性。又因?yàn)棰?3和Ⅱ-4患病，而Ⅰ-2不患病，說明致病基因位于常染色體上。該遺傳病的特點(diǎn)是男女發(fā)病率相等，隱性純合子發(fā)病。學(xué)生利用已學(xué)過的伴性遺傳相關(guān)知識(shí)并結(jié)合遺傳系譜圖，通過尋找事實(shí)和證據(jù)對(duì)該疾病的遺傳方式進(jìn)行分析和推理，提升了科學(xué)語言表達(dá)能力，將邏輯思維能力外顯化。

教師展示材料，引導(dǎo)學(xué)生思考：為弄清ALD的發(fā)病機(jī)制，提取了該家系4名女性與ALD有關(guān)的基因做進(jìn)一步研究。在PCR操作后，對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行酶切和電泳，結(jié)果如圖2所示。為什么Ⅰ-1、Ⅱ-2和Ⅱ-4有4條電泳條帶，Ⅱ-5只有兩個(gè)電泳條帶？

圖2 PCR產(chǎn)物電泳圖

學(xué)生思考并回答問題：Ⅱ-5表現(xiàn)正常，只有310 bp和118 bp兩個(gè)電泳條帶，說明正常基因有一個(gè)酶切位點(diǎn)。而Ⅰ-1、Ⅱ-3和Ⅱ-4多了217 bp和93 bp兩個(gè)電泳條帶，且217 bp與93 bp之和等于310 bp，說明突變基因有兩個(gè)酶切位點(diǎn)，增加的酶切位點(diǎn)位于310 bp的DNA片段中。

教師追問：圖2所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否支持已推斷出的遺傳方式，理由是什么？學(xué)生思考并回答問題：不支持，若為常染色隱性遺傳病，Ⅱ-3和Ⅱ-4應(yīng)為隱性純合子，應(yīng)該只含有217 bp、118 bp和93 bp三個(gè)條帶。教師提供分子水平實(shí)驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生基于事實(shí)和科學(xué)證據(jù)對(duì)ALD的遺傳方式作出進(jìn)一步推理，使學(xué)生產(chǎn)生知沖突。這樣既激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)生的邏輯推理能力和批判性思維，也為后續(xù)闡述致病機(jī)理做下鋪墊。

3.3 闡述致病機(jī)理，落實(shí)生命觀念

教師提出問題：由圖2是否可推斷出導(dǎo)致基因突變的原因，理由是什么？學(xué)生思考并回答問題：突變基因是由于堿基對(duì)的替換造成的。因?yàn)椋蛔兓蛎盖泻笤黾恿?17 bp和93 bp兩個(gè)電泳條帶，二者之和等于310 bp，突變基因的大小并未改變。

教師追問：ALD是由ABCD1基因突變導(dǎo)致，研究者對(duì)相關(guān)基因進(jìn)行了基因測(cè)序（圖3），實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否支持以上推測(cè)？

圖3 基因測(cè)序結(jié)果示意圖

學(xué)生思考并回答：支持，由圖3可知，正常基因發(fā)生堿基對(duì)A/T→G/C的替換。學(xué)生基于科學(xué)證據(jù)，通過分析、比較和論證，對(duì)導(dǎo)致ALD發(fā)生的根本原因進(jìn)行推理，從分子水平上深刻理解人類遺傳病是由遺傳物質(zhì)改變而引起的人類疾病這一重要概念。

教師提供資料，引導(dǎo)學(xué)生思考：研究發(fā)現(xiàn)，雌性個(gè)體進(jìn)化出在胚胎發(fā)育時(shí)期，每個(gè)細(xì)胞所含有的2條X染色體總有一條保持固縮狀態(tài)。雌性個(gè)體細(xì)胞中一條X染色保持固縮狀態(tài)對(duì)個(gè)體基因的表達(dá)有何影響？從進(jìn)化的角度分析，這有何意義？學(xué)生思考并回答問題：X染色體保持固縮，不利于基因的轉(zhuǎn)錄。其意義是保證X染色體上基因的劑量在雌雄個(gè)體間是一樣的，避免基因的過量表達(dá)對(duì)雌性個(gè)體產(chǎn)生傷害。

教師提問：突變基因編碼的ALDP蛋白質(zhì)與極長(zhǎng)鏈飽和脂肪酸進(jìn)入過氧化物酶體進(jìn)行β氧化有關(guān)。結(jié)合本節(jié)課所有的信息，解釋Ⅱ-3和Ⅱ-4患病的原因。學(xué)生思考并回答問題：該遺傳病的遺傳方式為伴X隱性遺傳，Ⅱ-3和Ⅱ-4均含有致病隱性基因。其含有正常基因的X染色體隨機(jī)失活，突變的ABCD1基因發(fā)生堿基對(duì)A/T→G/C的替換，導(dǎo)致ALDP蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使得極長(zhǎng)鏈飽和脂肪酸無法進(jìn)入過氧化物酶體進(jìn)行β氧化，導(dǎo)致在細(xì)胞和血液中積累，從而引發(fā)疾病。

設(shè)計(jì)意圖：教師創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生在復(fù)雜的情景中綜合應(yīng)用已有信息，從分子和細(xì)胞水平分析、解釋和推理ALD遺傳病的致病機(jī)制，從而達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生的信息獲取、歸納與概括的能力，有序、有條理地科學(xué)表述，將邏輯思維過程外顯出來。

3.4 遺傳病的檢測(cè)和預(yù)防，落實(shí)社會(huì)責(zé)任

教師提出問題：ALD目前暫無有效的治療方法，為了能夠有效地預(yù)防該病的產(chǎn)生，有何檢測(cè)和預(yù)防手段？學(xué)生思考并回答：可通過遺傳咨詢和產(chǎn)前診斷等手段進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)防。教師追問：假設(shè)你是一位遺傳咨詢醫(yī)生，針對(duì)咨詢者，你將如何開展工作？若Ⅱ-1和Ⅱ-2（不含致病基因）號(hào)準(zhǔn)備生一個(gè)健康的寶寶，你能提出什么防治對(duì)策與建議?理由是什么？

學(xué)生思考并回答：首先要對(duì)咨詢對(duì)象進(jìn)行準(zhǔn)確診斷，確定遺傳方式，計(jì)算再發(fā)風(fēng)險(xiǎn)率，針對(duì)性提出對(duì)策和建議。建議Ⅱ-1和Ⅱ-2做產(chǎn)前診斷，如B超檢查、基因檢測(cè)等，根據(jù)胎兒的性別選擇性終止妊娠。由于Ⅱ-2不含致病基因，其后代兒子必不患病。Ⅱ-1個(gè)體含致病基因且必遺傳給其女兒，由于X染色在體細(xì)胞中隨機(jī)失活，因此生女兒可能患病。

教師總結(jié)：遺傳病的檢測(cè)和咨詢貫穿于婚姻和生育的整個(gè)過程，在降低出生缺陷、提高國(guó)民人口素質(zhì)、保證家庭幸福上具有重要的意義。優(yōu)生優(yōu)育既是我國(guó)的一項(xiàng)基本生育政策，也是每對(duì)父母的責(zé)任和義務(wù)。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過角色扮演的形式，了解遺傳咨詢的流程和產(chǎn)前診斷的方法，在解決現(xiàn)實(shí)的生活問題中，利用已學(xué)的相關(guān)知識(shí)提出個(gè)人對(duì)策和建議，從而加深對(duì)生物學(xué)知識(shí)的理解。這既是從學(xué)科走向生活教育理念的落實(shí)，也是對(duì)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)以致用能力的培養(yǎng)。讓學(xué)生在體驗(yàn)中建立正確的生育觀念，認(rèn)識(shí)到預(yù)防遺傳疾病是每個(gè)公民的責(zé)任和義務(wù)，也是對(duì)社會(huì)責(zé)任這一核心素養(yǎng)的落實(shí)。

4 教學(xué)反思

4.1 創(chuàng)設(shè)真實(shí)情景，培養(yǎng)應(yīng)用能力

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）中明確指出：要注重使學(xué)生在現(xiàn)實(shí)生活的背景中學(xué)習(xí)生物學(xué)，倡導(dǎo)學(xué)生在解實(shí)際問題的過程中深入理解生物學(xué)的核心概念。本節(jié)課利用簡(jiǎn)化后的科研成果為素材，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情景，以角色扮演的形式還原現(xiàn)實(shí)社會(huì)問題，不僅有利于激發(fā)學(xué)生的探究和解決問題的熱情，還有利于達(dá)成對(duì)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)的落成和綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)。因此，在高中生物教學(xué)中，教師應(yīng)盡量創(chuàng)設(shè)貼近學(xué)生真實(shí)生活、貼近社會(huì)生活的真實(shí)情景，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用，理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

4.2 注重科學(xué)思維的培養(yǎng)

《課程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出：學(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)過程中逐步發(fā)展科學(xué)思維，如能夠基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用歸納與概括，演繹與推理等方法闡釋生命現(xiàn)象。本節(jié)課上，學(xué)生基于科研證據(jù)，采用推理和論證、歸納與概括的方法，從不同水平解釋了ALD遺傳病的致病機(jī)理。學(xué)生在基于實(shí)證的邏輯論證中，將思辨過程外顯化。科學(xué)思維是各種思維能力的綜合體現(xiàn)，解決現(xiàn)實(shí)中的復(fù)雜問題，往往需要科學(xué)思維的綜合運(yùn)用。因此，科學(xué)思維還是需要到可還原現(xiàn)實(shí)生活的生物學(xué)情景中培養(yǎng)。

4.3 注重科學(xué)語言的表達(dá)

使用正確合適的生物學(xué)語言描述和解釋生物學(xué)現(xiàn)象，不僅可以反應(yīng)學(xué)生的生物學(xué)素養(yǎng)的高低，還可以評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)生物學(xué)課程理解程度。近幾年的高考試題對(duì)學(xué)生能否清晰簡(jiǎn)潔的文字表達(dá)自身觀點(diǎn)、有序有條理的記錄推理、論證過程從而將思維過程外顯提出了較高的要求。因此，本節(jié)課中依據(jù)真實(shí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，層層設(shè)計(jì)多個(gè)推理和理由類問題，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)信息進(jìn)行甄選，獲取證據(jù)，對(duì)科學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行描述和歸納總結(jié)、形成解釋、擴(kuò)展遷移，以期達(dá)到提高學(xué)生科學(xué)語言表述的能力。科學(xué)語言表述能力的培養(yǎng)不是一朝一夕就可完成的，需要在對(duì)學(xué)生日積月累的糾正和調(diào)整中逐漸培養(yǎng)。