基于情境教學的學科思維培養
——以“基因與性狀的關系”為例

四川 黃 霞

(作者單位：四川省成都市龍泉中學校)

教師讓學生們分析考試為什么失利時，學生們常說：“老師講的都聽得懂，但每次考試就是會出現這里沒想到、那里沒看到的現象，不知道為什么”，出現這種“一講都懂，一做就錯”的現象是由于學科思維訓練不夠，主要體現在：①學生對大多數生物學基礎知識(生物學概念、原理、重要的生理過程等)的了解停留在表面而缺乏更深入的思考、分析和理解，對知識的追問不夠；②學生掌握的知識零散而未形成體系，對知識的歸納、總結不夠。

在高三的復習教學中筆者發現，細胞生命歷程中基因的選擇性表達、基因與性狀的關系、個體發育與基因程序性表達的關系等知識比較抽象，學生理解起來存在困難。教師在復習課中進行“基因與性狀的關系”專題復習，能將高中生物學必修教材中的大量知識串聯起來，對于幫助學生認識個體發育、理解遺傳變異和進化具有極其重要的意義。如果簡單地讓學生在書中勾畫、記背相關內容，學生復習后做題就會出現“一講都懂，一做就錯”的現象。通過對《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》)的研究，筆者認為運用圖示教學(模型)的方法引導學生構建“基因與性狀的關系”知識體系，運用情境和問題教學的方法引導學生深入分析、理解“基因與性狀的關系”能讓學生對知識的理解不停留在淺表。

一、確定具體教學內容和教學目標

筆者先將教材相關內容(主要在人教版高中生物學必修2第4章第2節“基因對性狀的控制”)進行梳理、匯總和分析，結果如下：“基因與性狀的關系”核心內容是“基因通過控制蛋白質的合成來控制性狀”，即基因表達(其中轉錄和翻譯的具體過程不是本節課復習的要點)，此處可以引導學生構建模型進而理解基因、蛋白質與性狀的關系。要進一步幫助學生理解基因與性狀的關系，還需要圍繞這個核心內容進一步鋪展開來，教材中提出基因控制性狀有直接和間接兩種方式；基因與基因、基因與基因產物、基因與環境之間存在著復雜的相互作用，這種相互作用形成錯綜復雜的網絡精細地調控著生物體的性狀；個體的發育；基因與性狀的關系并不都是簡單的線性關系等知識內容，以上內容都可以看作是圍繞核心內容展開的。教師可以運用植物個體發育過程中的激素含量變化等情境，結合一系列問題引導學生將這些知識點逐一突破。在把以上內容梳理清楚之后，教師再要求學生以概念圖或思維導圖的形式總結“基因與性狀的關系”，構建知識體系，從而進一步培養學生的模型思維能力。本節課的教學目標如下：

①通過梳理并構建基因控制性狀的概念模型，理解基因、蛋白質和性狀的關系，進一步認同結構與功能相統一的觀念(科學思維、生命觀念)；

②通過對背景材料的分析和問題的討論交流，梳理基因表達的特點、影響基因表達的因素及基因與性狀之間的數量關系，提升分析問題、解決問題的能力(科學思維)；

③通過構建“基因與性狀的關系”的概念模型，形成知識體系，提升歸納與概括能力(科學思維)。

二、教學過程

導入：教師直接提出課題，然后請學生觀看視頻(熒光蛋白的產生和應用)，明確基因通過控制蛋白質的合成來控制性狀的具體過程。請學生按要求完成活動1。

活動1：請用下列概念構建“基因控制性狀”的概念模型。

概念：DNA(或基因)、mRNA、蛋白質、脫氧核苷酸序列、核糖核苷酸序列、氨基酸序列、遺傳信息、遺傳密碼、遺傳性狀

參考模型：

圖1

說明：學生完成概念模型的構建之后，緊接著讓學生們進行展示交流，對模型進行說明。然后教師提出問題串：基因控制性狀的方式具體有哪些？基因的表達具有什么特點？影響基因表達的因素有哪些？基因與性狀之間有怎樣的數量關系？請學生帶著這些問題按要求完成活動2。

活動2：分小組進行材料分析、討論和交流。

材料1：生長素的主要合成部位是芽、幼嫩的葉和發育中的種子。在這些部位，色氨酸經過一系列反應可轉變成生長素。圖2是蘋果不同發育時期各種激素的含量變化。已知生長素能促進果實發育，乙烯能促進果實成熟，脫落酸能促進果實脫落。

圖2

材料2：同一株水毛茛裸露在空氣中的葉和浸在水中的葉表現出兩種不同的形態。

材料3：藏報春花的花色表現為白色(只含白色素)和黃色(含黃色錦葵色素)，由兩對等位基因(A/a和B/b)共同控制。圖3是黃色錦葵色素的合成示意圖。

圖3

1.根據材料1中生長素的合成過程，推測基因如何控制性狀，請說明理由。結合教材，歸納基因控制性狀的方式有哪幾種，請舉例。

參考答案：生長素的合成過程屬于基因通過控制酶的合成來控制代謝過程，進而間接控制生物性狀。理由為生長素是色氨酸經過一系列反應轉變而成，而這些反應由酶催化，酶是由基因控制合成的。基因還能通過控制蛋白質的結構來直接控制生物性狀。例如基因控制血紅蛋白的合成直接影響紅細胞的形態。

2.根據材料1中生長素的合成部位，推測基因的表達與生物體不同的組織器官有什么關系，請說出理由。

參考答案：不同的組織器官中基因選擇性表達(遺傳信息的執行情況不同)。理由為由材料信息可知，激素只在部分細胞(組織器官)中產生，相應的酶也只存在于這些細胞中，因此相應的基因也就只在這些細胞中才能表達。

3.根據圖2中不同激素的含量變化，推測各種基因的表達與個體發育的時期有什么關系，請說出理由。

參考答案：個體發育過程，實質上就是基因組在一定的時間和空間上程序性表達的過程。理由為各種激素是由相應的基因控制合成相關的酶催化一定的化學反應而產生的，據圖2可知發育的不同階段產生的激素種類有差異，因此不同階段需要的酶有差異，表達的基因也有差異。

4.根據材料2分析，兩種形態葉的細胞基因組成是否相同？為什么？同一植株兩種形態葉出現的原因是什么？這能說明什么？

參考答案：兩種葉細胞基因組成相同，因為同一個體的所有體細胞都由同一個受精卵細胞分裂分化而成，該過程中遺傳物質不發生改變。同一植株兩種形態葉出現的原因是環境不同，說明環境能通過影響基因的表達從而影響生物性狀。

5.基因產物是否會影響基因的表達？請舉例說明。結合問題3、問題4進一步思考：環境、植物激素、基因表達與生物性狀之間有怎樣的關系？

參考答案：基因產物會影響基因的表達。例如基因表達產生的酶調控生長素的合成，而生長素作用于相應的靶細胞引起相關的生理活動變化，如靶細胞內某些基因的表達，最終促進該細胞的伸長生長。進一步可以概括環境、植物激素、基因表達與生物性狀的關系為圖4所示。

圖4

于是，可以這樣描述一些自然現象：環境因子引起相關植物激素的合成變化，從而調控基因組的表達，使得桃花在每年三月左右盛開。或環境因子引起基因組的程序性表達從而調控相關植物激素的合成，使得蘋果逐漸發育、成熟直到脫落。

6.根據材料1中生長素的合成過程，推測基因與性狀之間有怎樣的數量關系？請說明理由。搜集資料歸納除此之外基因與性狀之間還有哪些數量關系。

參考答案：多種基因共同決定一種生物性狀。理由為生長素是色氨酸經過一系列反應轉變而成，這些反應由多種酶催化，而每種酶是由不同的基因控制合成的。除此之外基因與性狀之間還有一種基因決定一種性狀、一種基因影響多種性狀等數量關系。

7.根據圖3分析判斷基因互作(基因與基因之間相互作用)是否會影響生物性狀，請說明理由。

參考答案：基因互作會影響生物性狀。理由為從圖3中可以看出，A基因控制合成的酶可以催化產生黃色錦葵色素，但B基因能抑制A基因表達，最終導致黃色錦葵色素不能產生，即基因互作影響了基因的表達。

說明：活動2由學生分小組討論完成然后進行交流，師生點評糾錯，既訓練了學生的語言組織和表達能力，又訓練了學生的原因類問題的解答技能，達成學科思維能力培養的目的。在問題3之后，還可以根據植物的個體發育過程類比推理人的生長發育過程也是基因組在一定的時間和空間程序性表達的過程，進而明確后天的經歷對人一生的性狀表現有極大的影響，其在學生學習方面表現為后天的努力是能改變學習狀況的。在問題5之后教師還可以繼續追問以強化學生的問題意識，拓展思維，如：基因產物有哪些？是否都會對基因表達有影響？請舉例。在問題7之后教師還可以追問除了非等位基因之間的基因互作，等位基因之間是否也存在基因互作？請舉例。在完成以上材料分析和問題討論交流的過程中，教師可以板書本節課的一些關鍵詞：基因與性狀的關系、基因表達、基因與性狀的數量關系、基因互作、基因產物、環境、基因選擇性表達、基因組程序性表達等，以便學生完成活動3。

活動3：根據活動2梳理的關鍵詞，歸納并構建“基因與性狀的關系”知識體系(圖5)。

圖5

參考模型：

說明：此環節應給足學生時間思考與討論，力求每一個學生都構建出自己理解的模型，進行展示、交流、說明小組建模原因，并在學生的展示、交流結束后將該模型挖空讓學生填寫，進一步鞏固加深印象。為了讓學生的思維得到進一步拓展，并與之前所學的遺傳知識關聯起來，教師還可留給學生以下課后拓展題。

課后拓展：豌豆種子子葉顏色有黃色和綠色，種子形狀有圓粒和皺粒，分別由等位基因Y/y和R/r控制，豌豆莖的高矮由等位基因D/d控制。假設某豌豆植株基因型為YyRrDd，表現型為黃色圓粒高莖，請問該豌豆植株的根尖細胞中是否具有這三對等位基因？這三種性狀是否在豌豆植物發育的同一時期表現出來？預計這三對等位基因應在豌豆植株發育的什么時期、什么細胞中表達？

說明：在復習單倍體育種時，筆者遇到一個現象，學生認為在花藥離體培養形成單倍體后先篩選出要培育的品種再進行秋水仙素處理，理由是對所有的單倍體做秋水仙素處理增加了工作量，而且也造成浪費。但卻忽略了一個事實，植株的各種性狀并不會在幼苗時期全部出現，例如莖的高矮、種皮顏色、花色等在幼苗時期是無法篩選的。設計此課后思維拓展題，目的在于引導學生進一步思考基因的選擇性表達和基因組的程序性表達問題。

三、反思總結

通過大量材料的分析和問題串的解答，學生對知識的理解不會再停留于表面；通過各種模型的建構，學生能將零散的知識歸納整理形成體系。情境材料的選擇可以源自教材、可以源自練過的題、可以源自生活實踐，學生通過分析情境材料可以訓練自己解決問題的能力，“設置情境、問題引領、任務推進、針對訓練”是復習階段的主要教學流程。