在體驗建構中讓學科素養進階升級

薛建芳

摘 要 基于《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》，立足學生視角，站在學科單元整體 思維的高度，整合學習資源、厘清學情，準確設定教學目標與教學重難點，以“乳糖操縱子模型”為主線，設置多元活動體驗，努力讓目標的明晰性、學習的自主性、合作的融通性、展示的時機性、反饋的即時性 融為一體，活動體驗與思維拓展相互鏈接，個體獨思與智慧聚焦合二為一，教師主導、學生主體相得益 彰，將學生必備的價值取向、核心能力與關鍵品質嵌入師生協作性學習之中，促進學科教學的育心、育德、育智、育人共生共進。

關鍵詞 單元建構 ?活動體驗?學科核心素養 ?生物學教學

中圖分類號 G633.91 ??文獻標志碼 B

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）明確提出：生物學是研究生命現象和生命活動規律的科學，它不僅是一個結論豐富的知識體系，也包括了人類認識自然現象和規律的一些特有的思維方式和探究過程。生物學課程要求學生主動參與學習，在經歷了一系列的學習過程后，獲得生物學知識，養成科學思維習慣，形成積極的科學態度，發展終身學習和創新實踐能力。

1 ?教材分析

“基因的表達”是人教版《必修2·遺傳與進化》第四章的內容，在《課程標準》中屬于模塊2“遺傳與進化”中大概念3下的次位概念，概述DNA 分子上的遺傳信息通過RNA指導蛋白質的合成，細胞分化的本質是基因選擇性表達的結果，生物的性狀主要通過蛋白質體現。本節內容是從本質上闡述遺傳物質與性狀之間關系的重要理論，是分子遺傳學的核心內容，是該模塊的重點內容。本節內容有承上啟下的作用，是遺傳因子本質內容的拓展和延伸，同時也是基因變異和基因工程等內容的生長基礎。

2 ?學情分析

本節內容抽象復雜，通過新授課的學習，學生已經基本掌握了“基因的表達”的相關過程和原理，但對基因表達的調控過程和意義不夠了解。因此在一輪復習時，教師需要進一步拓展，使學生在掌握基礎知識的基礎之上，了解“生物在不斷變化的外界環境中對基因的表達的途徑及方式進行調控，以快速適應環境”。

3 ?教學目標

①觀察實驗現象，提出真實問題，分析生物與環境的適應關系，形成認識生命的基本觀念，知道生物始終處于發展變化中，生物對環境具有適應性等，學會運用生命觀念，探索生命活動規律，解決實際問題。

②通過小組合作建立模型、結合單元知識理解模型，用模型解釋實驗現象，在探究體驗中逐步養成科學思維習慣，具備闡述生命現象及規律的能力。

③在探究實際體驗的同時，適度地整合建構知識生長模型，在關聯與遷移處著力培養學科探究的能力，形成對探究結果的分析、交流等能力。

4 ?教學重難點

教學重點：基因的表達過程。

教學難點：從基因表達的原理上，了解基因的表達調控的途徑、方式及其意義。

5 ?設計思路

學習是課程改革的核心主題。在真實情境中考查學生獨立思考和運用所學知識分析和解決問題的能力也是目前高考命題的一個趨勢。筆者根據本單元的教學實際創設真實情境下的體驗活動，引導學生基于情境主動探究并擇機發現問題，在獨立思考的前提下生成問題分析與問題解決的能力與素養。

6 ?教學過程

6.1 教師創設情境，導入教學

教師提出問題：生物在不斷的適應環境、改變著環境。外界環境一直在不斷變化，而細菌又是無處不在的。細菌是如何逐步適應變化的環境而生存的呢？各小組針對問題，展開積極的討論。教師對小組討論的結果進行點評，結合新冠病毒的進化歷程，幫助學生理解生物進化與適應觀，解釋現存生物適應的普遍性，激發學生學習的欲望，引導學生思考不同營養條件下大腸桿菌代謝的調節機制。

6.2 學生了解大腸桿菌的“二次生長曲線”

教師提供資料：1940年，科學家莫洛發現，大腸桿菌生長于含有葡萄糖和乳糖的培養基時，大腸桿菌首先利用葡萄糖，葡萄糖結束后，利用乳糖糖源轉變期細菌的生長停滯，即產生“二次生長曲線”。圖 1所示的曲線A為“二次生長曲線”，曲線B為大腸桿菌細胞中催化乳糖水解時，β-半乳糖苷酶（Z）表達量的變化情況。

結合資料，教師提出指向核心素養的問題串：①?與固體培養基培養相比較，研究中使用液體培養基培養大腸桿菌的優點是什么？圖 1曲線A 中bc 段大腸桿菌數量緩慢增加的主要原因是什么？②?科學家為何要研究大腸桿菌中β-半乳糖苷酶表達量？其 目的是什么？結果表明了什么？③?本研究中科學家用抗β-半乳糖苷酶抗體檢測β-半乳糖苷酶含量。這種檢測方法稱為抗原—抗體雜交技術，其優點是什么？

學生結合提供的問題串進行獨立思考和小組討論。教師利用資料和圖片，幫助學生了解了大腸桿菌“二次生長”現象：在糖源轉變期，也就是曲線中的bc 段，葡萄糖耗盡，乳糖吸收慢，細胞內能量供應不足，大腸桿菌會出現緩慢生長現象。同時大腸桿菌細胞中會開始合成β-半乳糖苷酶，以催化乳糖的分解。

在此活動中，教師用真實情境激發學生參與探究的動機，并針對提供的材料由表及里地提出結構化的具有啟發性的問題串，引導學生從適應與進化的角度一步步地深入思考、積極交流，促進學生進一步養成“生命觀念”與“科學思維”的生物學科核心素養。

此時，教師可以追問：β-半乳糖苷酶催化乳糖水解，那乳糖的吸收又會受到哪些條件的影響呢？β-半乳糖苷酶產生的同時，還能產生其他酶嗎？“二次生長曲線”形成的原因究竟是什么呢？教師引導學生理解大腸桿菌適應不同環境的機制。

6.3 教師引導學生探究大腸桿菌的“二次生長曲線”形成的原因

教師提供資料：莫洛等科學家的繼續研究發現，大腸桿菌細胞中產生β-半乳糖苷酶的同時，還會產生半乳糖苷透過酶（Y，將乳糖運輸進入細胞）和半乳糖苷轉乙酰基酶（A）。為了解釋大腸桿菌“二次生長曲線”形成的原因，1961年，科學家雅各布和莫洛根據系列研究提出了大腸桿菌基因表達調控的“乳糖操縱子學說”（圖2）。

結合“乳糖操縱子學說”，教師提出指向核心素養的問題串：（1）過程①稱為轉錄，需要何種酶？該酶具有什么功能？（2）研究人員將各種原核基因與RNA 聚合酶結合后，通過 DNase I 水解 DNA，最后獲得與 RNA 聚合酶結合且未被水解的 DNA 片段，發現這些片段都是由5個核苷酸（TATAA）組成的共同序列，從 DNA結構穩定性的角度分析，RNA聚合酶結合的DNA片段含“TATAA”序列的生理意義是什么？（3）圖2中，物質b在基因表達中的作用是什么？完成過程④除物質b外，還需要其他什么條件？根據圖示，過程④中的一種物質b為什么可以指導合成3種酶呢？（4）實驗發現：在提供葡萄糖的情況下，大腸桿菌細胞中半乳糖苷透過酶（Y）以最低量（細胞中不超過5分子Y）存在， Y分布在大腸桿菌細胞的細胞膜上，低含量的Y可以保證在有乳糖時能運輸乳糖進入細胞，通過什么途徑啟動乳糖操縱子的表達？合成Y還能促進乳糖吸收，這種調節屬于何種調節？

學生通過小組的討論和教師的歸納，能夠準確利用圖2的乳糖操縱子模型解釋大腸桿菌“二次生長曲線”中cd段形成的原因，即在細胞內存在乳糖分子的情況下，解除了阻礙蛋白對結構基因表達的抑制作用，合成多種酶，最終促進乳糖的吸收和利用。

在這個活動中，教師利用問題（1）和（3）設置進階型問題序列，引導學生梳理相關的知識內容，實現一輪復習化零為整的目的，培養了學生的生命觀念;通 過問題（2）培養學生的知識遷移能力，從DNA分子結構的穩定性到DNA分子轉錄時，需要以解旋后的一條鏈作為模板，這也是一種科學思維能力的培養。問題（4）則是第一部分內容的延續，重點闡明曲線A 中cd 段形成的原因，使學生在探究的過程中，形成對實驗現象的好奇心和求知欲，掌握科學探究的基本思路和方法，培養學生的探究能力。

教師引導學生繼續思考：進一步研究發現，在有葡萄糖供應時，細胞中也有少量的酶Y，將乳糖運進細胞。這就意味著當環境中葡萄糖和乳糖同時存在時，細胞中也存在少量乳糖，大腸桿菌為什么不能利用乳糖呢？曲線ab段形成的原因是什么？

6.4 學生分析葡萄糖供應時大腸桿菌不能利用乳糖的原因

教師提供資料：研究發現，大腸桿菌乳糖操縱子的啟動子是一種弱啟動子（與RNA聚合酶親和力低），單純因乳糖的存在發生去阻遏作用，還不能使細菌很好利用乳糖。1965年，科學家發現，大腸桿菌中cAMP （環磷酸腺苷）濃度與葡萄糖濃度存在負相關。細胞中cAMP是腺苷酸環化酶（AC）催化ATP轉化而來，高濃度的葡萄糖會抑制AC 的活性。細胞中的cAMP 與 cAMP 受體蛋白（CAP）形成 CAP-cAMP 復合物，后者結合乳糖操縱子啟動子的上游，并與啟動子上RNA聚合酶結合并相互作用，增強了RNA聚合酶的功能。

針對資料，教師提出問題：①?在提供葡萄糖情況下，大腸桿菌為什么不能利用乳糖？②?利用所提供的材料，嘗試用模式圖表示當葡萄糖消耗完后，在大腸桿菌細胞中發生的代謝調節和基因表達，適應僅有乳糖的環境，利用乳糖實現“二次生長”。

在這個活動中，通過提供的材料，教師指導學生分析曲線A 中ab段的形成原因，使學生理解：大腸桿菌生長在含葡萄糖和乳糖的培養基時，先利用葡萄糖的原因。通過小組合作構建模型，學生真正理解乳糖操縱子模型，并能用模型解決實際問題。模型構建有利于培養學生透過事物現象揭示其本質特性的洞察力以及簡約嚴密的思維品質，使學生體驗由具體到抽象的思維模式轉化。

6.5 以“基因”為關鍵詞構建知識框架

在一輪復習中，基因的表達是大單元遺傳分子基礎中的一個小專題，也是最后一個小專題。教師引導學生構建單元視域的知識框架，培養歸納與推理的能力，培養了學生在解決問題中的自主分析能力和深度思考能力，真正實現了“單元序列化教學”的高效課堂。

7 ?教學反思

本節課以科學的研究發現過程為線索，通過構建乳糖操縱子模型幫助學生全面了解了大腸桿菌的“二次生長曲線”，使學生從本質理解大腸桿菌在不同營養條件下的代謝調節機制。教師設計探究情境、提出系列問題、逐層思考，在強化基礎知識的同時，也培養了學生的科學思維和科學探究能力。模型構建和小組合作培養了學生的團隊合作能力。教師要注意滲透生命觀念，引導學生運用生物進化與適應觀，解釋現存生物適應的普遍性。另外，還可引導學生思考應該如何利用所學的知識來應對現實生活中的問題，培養學生的社會責任意識。

本節課通過基于資料分析的探究教學，教師在教學中針對情境呈現一系列問題，激發了學生學習和探究的欲望，使學生在真實材料分析、模型構建、小組討論合作中培養了生命觀念、科學思維、科學探究等學科核心素養，實現了基礎知識與學科素養的融合。這種模式對教師和學生都提出了更高的要求，課堂操作過程中會有活動不順暢或冷場的現象。如果教師能夠持之以恒，則會有很大的收獲。

在高三復習課中，教師要善于把握現代生物學科研究發展的前沿動態與學科思維本質，扣準《課程標準》，基于學生視域，遵循學科思維發生發展的節律，引導學生在生活中學，學會舉一反三，融會貫通。復習階段的素養進階是一項系統工程，離不開教師的智慧引導，更離不開學生良好思維品質的培塑，師生之間協同性的智慧融通，是達成學科素養不斷進階升級的必然選擇。

參考文獻：

[1] 付 鑫.指向建立生命觀念核心素養的教學設計[J].中學生物學，2020，（5）：20-22.

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[3] 朱玉賢.現代分子生物學[M].北京：高等教育出版社，2019：252-254.