核心素養視角下的生物學概念教學

摘 要：文章中的課堂案例以問題情境為導向，運用探究性學習開展概念教學，在真實情境中解決具體問題，促進學生形成“結構與功能觀”等生命觀念，提升“歸納與概括”“批判性思維”等能力，建立健康生活的態度等社會責任，落實生物學學科核心素養的達成。

關鍵詞：核心素養；表觀遺傳；概念教學；問題情境；假說演繹法

中圖分類號：G633.91?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1673-8918（2022）44-0130-05

核心素養是高中生物學教育近些年來關注的熱點，生物學科核心素養是學生在高中生物學習過程中慢慢發展起來的，在解決真實情境中的具體問題時所表現出來的價值觀念、必備品格和關鍵能力，是學生知識、能力、情感態度與價值觀的綜合體現；包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。新課程的基本理念之一是模塊內容聚焦大概念。在教材中，精簡容量，突出重點，確保學生有相對充足的時間來進行主動學習，讓學生能夠深度理解和應用一些重要的生物學概念，同時發展了生物學學科核心素養。

表觀遺傳是近幾年發展起來的一項熱點研究內容，有別于經典遺傳學，對生物的發育、遺傳等有了新的解釋，因此2019年人教版高中生物學教材必修2《遺傳與進化》將其納入了教學課堂中。本篇論文就以這本教材中的第4章第2節“基因表達與性狀的關系”為例，討論核心素養視角下的生物學概念教學。

一、 教材和學情分析

基于《普通高中生物學課程標準》（2017年版，2020年修訂）的內容要求，在必修2中，要求學生能夠“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表現”，增加了次位概念“概述某些基因中堿基序列不變但表型改變的表觀遺傳現象”，這兩個次位概念都隸屬于重要概念“親代傳遞給子代的遺傳信息主要編碼在DNA分子上”，大概念“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”。本節圍繞大概念和重要概念組織開展教學，讓學生從一些零散的生物學事實層面上，歸納概括并建立相關生物學概念，建構概念模型，去解決新情境下的具體相關問題，從而發展生物學學科的核心素養。本節中的概念教學模型如圖1所示。

作為課標和教材新加入的教學內容，有關表觀遺傳的學習，是本節課的重難點。表觀遺傳是遺傳學的最新分支，也是近幾年的熱點研究方向，和經典遺傳學有一定的區分度，是對經典遺傳學的補充和延續。本節的教學起點應落在學生固有的經典遺傳學知識土壤上，引導學生去理解表觀遺傳學發展起來的必然性，增強學生知識與應用的鏈接。為突破重難點，本節課以問題情境為導向，運用探究性學習開展概念教學，在真實情境中去解決具體問題，落實生物學學科核心素養的達成。

學生在前面的章節學習中，已經明確了“基因通過其表達產物——蛋白質來控制性狀”，基因不同會導致可遺傳的性狀不同。但是并不知道，即使基因相同的個體之間也會存在可遺傳的性狀差異，例如同卵雙胎、蜂王和工蜂等。教材給出了多個生物學事實，例如“柳穿魚花的形態結構的遺傳”“小鼠毛色的遺傳”等實例，以若干問題串創設情境，要求學生自主分析推理柳穿魚花的原因，學生可以建立表觀遺傳學的初步生物學概念。然后在此基礎上，引導利用假說演繹法來探究小鼠毛色性狀改變的案例。在探究體驗過程中，學生思維得到了碰撞，分析內在原因，利用不完全歸納法歸納出表觀遺傳的概念，并且利用概念模型再去分析生活中的表觀遺傳學現象。學生在思考基因表達與性狀之間的關系后，能夠建構“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”的這個大概念，形成“結構與功能觀”“生物多樣性與統一性”等生命觀念，發展了“歸納與概括”“批判性思維”“模型與建模”等科學思維，認識到科學是不斷發展的和建立健康生活的態度等社會責任。具體教學內容與核心素養發展的落實見圖2。

二、 教學目標

根據課程標準的內容要求，制定了如下教學目標：

1. 舉例說明基因通過控制酶的合成或蛋白質的結構控制生物體的性狀，認同生命是物質、能量和信息的統一體，提升對生命本質的理解。

2. 概述表觀遺傳通過DNA甲基化抑制基因表達來改變生物性狀，基因選擇性表達導致細胞分化等生物學事實，認同“結構與功能觀”“生物多樣性與統一性”等生命觀念。

3. 開展以探究為特點的主動學習，分析材料，構建出表觀遺傳的概念模型；提升“歸納與概括”“批判性思維”“模型與建模”等科學思維。

4. 通過對生活中一些具體案例的分析，認識到良好生活習慣對后代具有重要意義，建立健康生活的態度、關愛生命等社會責任。

三、 教學過程

（一）復習導入，設疑

活動1：老師播放轉錄和翻譯的視頻，引導學生回顧“基因可以通過其表達產物——蛋白質來控制性狀”。利用教材問題探討的同一株水毛茛兩種不同形態的葉片設疑，激發學生思考：“兩種不同形態的葉片細胞中，基因組成一樣嗎？”“你覺得葉片形態的差異可能是由什么因素導致的？”

設計意圖：新課引入，從學生已經掌握的知識入手，有利于學生快速高效地抓住新舊知識的“鏈接點”，初步理解表觀遺傳現象與經典遺傳的區別。新舊知識引起的認知沖突，可以快速地抓住學生的好奇心，激發其探究事實真相的興趣。

（二）基因表達產物與性狀的關系

活動2：結合教材“豌豆的圓粒和皺粒”和“囊性纖維化的發病機理”的實例，分析生物學事實，明確基因是通過控制酶的合成或蛋白質的結構，進而控制生物體的性狀。然后在歸納總結的基礎上構建出概念圖（圖3）。

設計意圖：培養學生自主閱讀和獨立思考的能力，學生自己動腦構建概念模型，充分理解基因、基因表達產物、生物性狀之間的關系，認同生命是物質、能量和信息的統一體，提升對生命本質的理解，真正建立起生命的物質觀。

（三）基因的選擇性表達與細胞分化

活動3：分析教材圖表（表1），讓學生先在圖表上方寫出轉錄翻譯過程，DNA→mRNA→蛋白質，以問題情境的方式引導學生從DNA，mRNA，蛋白質3個水平去分析3種不同細胞：“分析表格信息，推測這3種細胞在DNA水平上有沒有差異？為什么？你用的是什么歸納法？”“這3種細胞在mRNA水平上是否有差異？為什么？”表格信息只能說明這3種細胞都具有上面3個基因，但根據它們都是來自同一個個體的體細胞，學生利用已有的生物學知識可以不完全歸納出這3種細胞在DNA水平上是沒有差異的。據表分析3個基因在3種細胞中的活動和關閉狀態不一致，導致了mRNA水平上出現了差異。因此這時候學生很容易得出概念：細胞分化的本質就是基因的選擇性表達。“雖然表格中沒有蛋白質的數據，你能不能推測出這3種細胞在蛋白質水平上是否有差異？你的依據是什么？”翻譯蛋白質的直接模板就是mRNA，這3種細胞在蛋白質的表達上也存在著差異。最后老師在教材表格上增加兩列“ATP合成酶的mRNA”“核糖體蛋白的mRNA”，由學生利用已有知識進行預測并將表格補充完整，在此基礎上，教師引出“管家基因”和“奢侈基因”的概念。管家基因是每個細胞中必須表達的，而奢侈基因是選擇性表達的，進一步幫助學生理解細胞分化的實質。

設計意圖：回顧已有概念，激活固有知識，以問題為導向，讓學生分析科學研究數據，一步一步走向新的發現，引導用不完全歸納法歸納總結出細胞分化的本質，達成教學目標，認同“結構與功能觀”“生物多樣性與統一性”等生命觀念，并提高學生“歸納與概括”的科學思維能力。

（四）表觀遺傳

活動4：組織以探究為特點的主動學習，分析教材第73頁有關柳穿魚花的形態遺傳的資料，以若干問題串創設情境：“兩種形態的柳穿魚花，Lcyc基因堿基序列是否相同？Lcyc基因高度甲基化影響了什么？DNA甲基化現象是否能夠遺傳給后代？是否遵循孟德爾遺傳規律？”不管是左右對稱還是輻射對稱，在A、B植株中，Lcyc基因都存在并且堿基序列相同，有差異的是A植株中Lcyc基因無甲基化，正常表達，而B植株中Lcyc基因高度甲基化，表達被抑制。F2代又出現了植株B的輻射對稱花的性狀，因此DNA甲基化是可以遺傳的。但是性狀分離比為34∶5，不遵循孟德爾遺傳規律，證明甲基化的遺傳并不是很穩定。

在柳穿魚花形態遺傳分析后，學生對DNA甲基化具備一定的認知。這時引導學生用假說演繹法來分析小鼠毛色遺傳，進行探究性學習。

1. 提出問題：純種黃色體毛小鼠AvyAvy和純種黑色體毛小鼠aa的F1代為什么不是黃色的？

2. 提出假說：Avy基因的甲基化無法穩定遺傳。

3. 演繹推理：在F1代不同毛色的小鼠中Avy基因的甲基化程度不同。教師可以提供更為詳細的Avy基因不同程度甲基化而被影響表達的有關圖（圖4），讓學生自主分析推理小鼠毛色性狀改變的原因，發現Avy基因的甲基化程度越高，表達受到的抑制就越明顯，小鼠體毛的顏色就越深。當Avy基因無甲基化時，Avy基因正常表達，Avya小鼠的體色為黃色。當Avy基因高度甲基化時，表達被抑制，Avya小鼠就表現出黑色性狀。當Avy基因部分甲基化時，Avy基因的表達也就部分被抑制，因此Avya小鼠就出現介于黃色與黑色的中間色。

4. 設計實驗：讓F1代Avya不同毛色的小鼠與純種黑色體毛小鼠aa測交，同時做正反交實驗。結果如圖（圖5）所示。分析：a組和b組的差異在于Avya是做父本還是做母本。在a、b組中，又分三組，分別用了三種不同顏色的Avya小鼠來測交。實驗結果表明，a組在父本Avya甲基化程度有差異的情況下，測交子代的表現型基本沒有差異。b組在母本Avya甲基化有差異的情況下，子代也表現出了差異。

5. 得出結論：Avy的甲基化遺傳可能通過母本傳遞，不能通過父本傳遞，因此出現了不穩定遺傳的現象。

設計意圖：學生聚焦課本教材資料，開展以探究為特點的主動學習，對真實存在的生物學現象分析推理，用不完全歸納法歸納總結出表觀遺傳這個次位概念，達成教學目標，并提高學生“獲取信息”“演繹推理”“歸納與概括”的科學思維能力，建構“結構與功能相統一”“生物多樣性與統一性”的生命觀。通過活動，學生進一步認識到科學是需要證據的，認同“科學是不斷發展的”的科學本質觀。表觀遺傳與經典遺傳引發的認知沖突，有助于學生形成批判性思維，認同科學概念也是在不斷更新或修正的，人們對自然界的探究永無止境。

（五）表觀遺傳與健康生活

活動5：嘗試利用表觀遺傳的概念模型來解釋：“同卵雙生的雙胞胎雖然具有相同的DNA序列，卻存在表型的差異和疾病易感性的差異。為什么？”“蜂王和工蜂都是由同一批受精卵發育來的，為什么會有不同的命運？”研究發現，男性吸煙者的精子活力下降，精子中DNA的甲基化水平明顯升高。聯系生活，思考：“我們生活上的一些習慣，會不會影響到我們的后代呢？”布置學生課后查閱相關資料，了解過度飲酒、抽煙、熬夜、高糖飲食等不良生活習慣對后代的影響。

設計意圖：學生能夠利用表觀遺傳知識解釋生活中的具體現象，并且理解健康生活的重要意義，倡導良好生活方式，關愛生命，提高社會責任。

（六）基因、表達產物、性狀、環境之間復雜的關系

活動6：利用教材中案例，例如豌豆的圓粒和皺粒這對性狀就是由R和r一對等位基因控制的，即一因一效。而人類的身高是由多個基因決定的，即多因一效。水稻的Ghd7基因不僅參與了開花的調控，而且對水稻的生長、發育、產量都有影響，即一因多效。從這些生物學事實，歸納出基因與性狀并不是簡單的一一對應的關系。基因之間有相互作用，基因是有選擇性地表達，環境可以影響基因的表達來影響性狀，例如表觀遺傳，基因通過控制酶的合成或蛋白質結構來控制性狀等，因此基因、基因產物、性狀、環境之間存在著錯綜復雜的相互作用。最后，師生一起建構基因、表達產物、性狀、環境的知識網絡，把本節的知識點串聯起來形成思維導圖（圖6）。

設計意圖：用具體事例幫助學生建立基因與性狀之間復雜的關系，學會尊重事實和證據，認同生物學中因果關系的復雜性，學會擯棄簡單果斷的線性決定論的一般思維模式，形成批判性思維，嘗試多角度、多因素、多方面地分析復雜生物學現象，加強知識之間的聯系，構建系統的知識框架。

四、 教學反思

表觀遺傳是對經典遺傳學的補充和延續，教師在本節課的教學起點要落在固有經典遺傳學的知識土壤上，在教學前還必須儲備更多的遺傳學相關知識和常見的幾種表達遺傳機制，有選擇性地利用素材來豐富表觀遺傳的教學。

本節課以問題情境為導向，運用探究性學習開展概念教學，主要體現了以下兩個特點：第一，注重概念教學，學生在探究體驗過程中，深化基因與性狀之間關系的理解，構建多個概念模型，并且學會運用概念模型來解釋生活中的具體現象。通過探究—構建—運用，確保了落實生物學科核心素養教學的達成。第二，充分挖掘了教材中體現生物科學素養的內容，通過探究活動，促進學生形成“結構與功能觀”“生物多樣性與統一性”等生命觀念，提升“歸納與概括”“批判性思維”“模型與建模”等科學思維，認識到科學是不斷發展的和建立健康生活的態度等社會責任。

學生課堂上明顯對“父母的生活習慣可能因為表觀遺傳而影響后代的性狀”充滿了興趣，課后可以成立興趣小組，查閱更多相關資料，了解更多有關表觀遺傳的現象及其原理，例如X染色體失活、組蛋白修飾、RNA干擾等案例，分析更多的生物學事實。此舉有助于培養學生積極關注科學技術發展、關注社會熱點問題的好習慣，把生物學科核心素養的培養落實到課后。

參考文獻：

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作者簡介：林燕妮（1983～），女，漢族，福建泉州人，廈門市松柏中學，研究方向：高中生物學教學、生物學科核心素養培養。