基于信息觀的高中生物學單元教學

于相梅　張健

［摘 要］單元教學是落實生物學學科核心素養的有效途徑。文章以“遺傳信息的傳遞和表達”單元為例，從構建單元概念關系圖、制訂單元學習目標、實施任務驅動、落實單元評價四個方面闡述基于信息觀的高中生物學單元教學的實施策略，旨在為一線教師實施生物學單元教學、培養學生的信息觀、發展學生的生物學學科核心素養提供借鑒。

［關鍵詞］信息觀；高中生物學；單元教學；遺傳信息；傳遞；表達

［中圖分類號］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）14-0079-03

生命的信息觀是重要的生命觀念。生命是物質、能量和信息的統一體，信息傳遞在生物的生長、繁殖和進化過程中有著重要的作用。學生對生命信息本質的認識，有利于他們進一步理解生命多樣性和統一性的辯證關系［1］。在傳統教學中，教學內容的組織形式較為割裂、零散，不利于培養學生的學科核心素養。而單元教學“長時段”整體籌劃學科教學，注重學科整體組織化、結構化知識的建構［2］。單元教學是落實生物學學科核心素養的有效途徑。本文以“遺傳信息的傳遞與表達”單元為例，闡述基于信息觀的高中生物學單元教學的策略。

一、明確單元主題，構建單元概念關系圖

“遺傳信息的傳遞和表達”單元屬于必修模塊2的內容，指向大概念3“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”及重要概念“親代傳遞給子代的遺傳信息主要編碼在DNA分子上”。本單元包含“基因的本質”和“基因的表達”兩部分內容，是在學習遺傳的細胞基礎之后，從分子水平上對基因的本質及作用進行深入研究，凸顯了基因水平上的生命信息觀。本單元的概念關系如圖1所示。

二、立足實際學情，制訂單元學習目標

素養導向下的學習目標能夠明確學生學習預期達到的結果，它是教師課堂教學的“導向標”，能夠引領教師開展教學活動，錨定教學方向。核心素養的表現性要求遞進式地劃分至單元學習目標中，而后將其分解為課時學習目標，使得課時學習之間結構清晰、互為支撐，為單元整體學習搭建支架。

學生通過前期生物學課程的學習，已經能夠從結構與功能相適應的角度解釋蛋白質、核酸等分子的結構組成與功能特性，能夠闡明細胞執行各項生命活動的物質基礎；能夠認識到生命活動中貫穿著物質與能量的變化，但不能從本質上闡釋遺傳物質所具有的結構特征及遺傳信息傳遞和表達的延續過程。因此，本單元的教學要在學生已有物質與能量觀的基礎上，進一步引導學生從分子水平上理解生命的信息觀，體會遺傳信息的傳遞在生命延續過程中的重要意義，逐步認識到生命是物質、能量和信息的統一體。

結合以上分析，依據課程標準及核心素養的培養要求，我們制訂了如下的單元學習目標：

（1）能夠通過對經典科學實驗的分析和DNA雙螺旋結構模型的建構，闡明DNA是主要的遺傳物質；能夠運用結構與功能觀闡述DNA分子作為遺傳物質所具有的結構特征。（2）能夠基于DNA復制方式的多種假說，運用假說—演繹法探究DNA的復制方式，概述DNA分子的半保留復制，進一步理解遺傳信息穩定傳遞的基礎。（3）能夠基于科學實驗證據和圖文資料，概述遺傳信息的表達過程，并從信息傳遞的角度凝練、概括中心法則，認同“生命是物質、能量和信息的統一體”這一觀念。（4）能夠通過實例分析，闡述基因及其表達產物蛋白質與性狀的關系，說明細胞分化是基因選擇性表達的結果；能夠概述某些基因中堿基序列不變但基因表達和表型發生變化的表觀遺傳現象，進一步理解生命的獨特性與復雜性。（5）能夠通過資料查找與實例分析，體會環境和不良生活方式對遺傳信息的傳遞和表達的影響，進一步認識遺傳信息的表達調控對生命體的重要性，形成健康文明生活的意識。

三、實施任務驅動，培養生命的信息觀

單元教學需要真實性情境的引領和貫穿，基于發展性任務的真實性情境是實現情境價值最大化的途徑之一［3］。在單元教學中，教師可設置與真實性情境相關的挑戰性學習任務，以驅動學生解決問題，達成單元學習目標。挑戰性學習任務要以單元學習目標為導向，體現整體性、自主性和進階性。因此，本單元利用教材中“轉基因抗蟲棉”這一真實情境創設挑戰性學習任務，驅動學生開展探究活動及解決問題，進而理解遺傳信息的控制和調節作用，逐步建構概念，培養生命的信息觀。

（一）任務1：棉花、蘇云金桿菌的遺傳物質及其結構（3課時）

需要解決的問題：成功向棉花中導入蘇云金桿菌抗蟲基因的生物學基礎是什么？

活動1：概述DNA是主要的遺傳物質。蘇云金桿菌抗蟲基因為什么能導入普通棉花？兩者的遺傳物質是什么。針對這兩個問題，教師展示遺傳物質的早期推測資料，學生通過資料分析，思考遺傳物質應具有的結構特點，分析如何鑒定兩者的遺傳物質。教師引入科學史，學生沿著科學家的探索歷程分析實驗設計思路和實驗現象，初步建構“DNA是遺傳物質”的概念，理解培育轉基因抗蟲棉的遺傳學基礎。教師進一步提問：“所有生物的遺傳物質都是DNA嗎？”學生結合教材內容完善“DNA是主要的遺傳物質”這一概念，進一步認識生命的物質性。

活動2：構建DNA的雙螺旋結構模型。DNA擁有怎樣的結構才可成為多數生物的遺傳物質，并儲存大量的遺傳信息呢？針對此問題，教師逐步呈現沃森和克里克DNA雙螺旋結構的發現史，學生通過小組討論、合作交流，從“點—線—面—空間”的邏輯層次構建DNA分子結構模型，加深對DNA分子結構的認識，培養嚴謹的邏輯思維。在此基礎上，教師引導學生分析DNA分子的結構特點，領會其蘊含大量遺傳信息的結構基礎，深化結構與功能觀。

（二）任務2：棉花、蘇云金桿菌遺傳信息的傳遞（2課時）

需要解決的問題：為什么外源抗蟲基因必須整合到棉花的DNA上才能發揮作用？

活動1：探究DNA的半保留復制。整合抗蟲基因的棉花基因如何將“抗蟲”信息傳遞給子代？DNA上攜帶的遺傳信息如何傳遞？針對這兩個問題，教師呈現沃森和克里克論文中對DNA復制的推測，學生結合假說演繹、推理等不同方式建構子代DNA的模型。在教師的啟發下，學生利用同位素標記法探究DNA的復制方式，推測可能出現的條帶類型，并結合梅塞爾森和斯塔爾的實驗證據，得出DNA半保留復制的結論。教師播放視頻，引導學生理解DNA復制的動態過程，領悟DNA準確復制是遺傳信息穩定傳遞的基礎。

活動2：探討基因與DNA的關系。導入棉花中的抗蟲基因是蘇云金桿菌的整個DNA分子嗎？針對此問題，教師呈現蘇云金桿菌DNA的資料，引發認知沖突，使學生深層次思考基因與DNA的關系。教師呈現教材資料，學生通過小組討論，歸納概括出基因與DNA的關系，即基因是具有遺傳效應的DNA片段。

（三）任務3：抗蟲蛋白基因的表達（2課時）

需要解決的問題：為什么導入棉花中的抗蟲基因能得到抗蟲蛋白并使棉花產生抗蟲性？

活動1：探析基因指導蛋白質的合成過程。蘇云金桿菌的抗蟲基因為什么會在棉花體內得到抗蟲蛋白？抗蟲基因中的遺傳信息如何指導抗蟲蛋白質的合成？針對這兩個問題，教師引導學生思考基因與蛋白質的位置關系，以位置沖突引入信使物質RNA，將問題細化為：抗蟲基因儲存的遺傳信息如何傳遞給RNA？RNA中的遺傳信息在細胞質中如何解讀成蛋白質？

教師播放DNA轉錄過程的動畫，引導學生類比DNA復制過程，運用概念圖闡述遺傳信息的轉錄過程，從而培養學生分析與綜合、歸納與類比的能力。教師首先利用堿基與氨基酸之間的對應關系、密碼子表、“搬運工”tRNA等相關資料，引導學生分析細胞解讀mRNA遺傳信息的物質基礎，認識生物界的統一性；然后播放DNA翻譯過程的動畫，讓學生完善概念圖并闡明遺傳信息的翻譯過程；最后引導學生提煉概念：DNA分子上的遺傳信息通過RNA指導蛋白質的合成。

活動2：構建中心法則圖解。生物界還存在其他的遺傳信息傳遞方式嗎？針對此問題，教師呈現新冠病毒、艾滋病病毒等的相關資料，引導學生分析這些病毒的遺傳信息傳遞過程，構建中心法則圖解，闡明在遺傳信息的流動過程中物質是信息的載體，能量為信息流動提供能量，進而培養學生的物質觀、能量觀和信息觀。

（四）任務4：抗蟲蛋白基因表達與抗蟲性狀的關系（2課時）

需要解決的問題：遺傳信息的傳遞和表達對抗蟲棉乃至生物體的重要意義是什么？

活動1：剖析基因表達與生物性狀的關系。抗蟲蛋白基因表達與抗蟲性狀有什么關系？針對這一問題，教師提供“抗蟲棉不同生長發育時期和相同生長發育時期不同器官的抗蟲蛋白基因表達量和抗蟲性表現”資料，引導學生結合教材中的“圓皺粒豌豆”“白化病”等資料，闡釋基因通過控制其表達產物直接或間接控制生物性狀，進一步分析闡明細胞分化的本質是基因的選擇性表達，即基因表達受到調控。那抗蟲蛋白基因如何實現選擇性表達呢？針對這一問題，教師提供“抗蟲蛋白基因內部啟動子甲基化”資料，引導學生結合教材資料進一步分析建構表觀遺傳的概念。

活動2：論證基因表達與人類健康。課前，學生進行資料查找，搜集環境和不良生活方式對遺傳信息傳遞和表達的影響的案例；課上，學生通過小組匯報、展示交流等方式，從遺傳信息的傳遞和表達的角度分析遺傳現象，進一步認識遺傳信息的重要性，深化生命的本質觀；課后，學生根據所選案例，從遺傳信息傳遞和表達的角度向家人、親友宣傳不良生活方式的危害，在這個過程中學生應用信息觀參與到社會議題的討論，提高了自身分析和解決問題的能力。

四、落實單元評價，測評生命的信息觀

單元教學重視對學生的學習評價，主要評測學生對學習主題的理解、學習目標的達成和學習活動的參與［4］。依據單元學習目標，可制訂如下單元評價目標：（1）在學習“DNA是主要的遺傳物質及其結構”時，能夠通過科學史資料分析、闡述DNA作為主要的遺傳物質所具有的結構特征；（2）在學習“DNA的半保留復制”時，能夠運用“假說—演繹法”以圖示的形式分析實驗結果，從遺傳信息傳遞的角度概述DNA分子的復制過程；（3）在學完“基因指導蛋白質的合成”后，能夠以概念圖的形式闡明遺傳信息的轉錄和翻譯過程，從信息傳遞的角度概括中心法則；（4）在學完“基因表達與性狀的關系”后，能夠通過資料查閱、小組合作等方式舉例說明環境和不良生活方式對遺傳信息傳遞和表達的影響，進而運用信息觀解釋生活中的遺傳學現象，理解生命的本質。

本單元的教學思路為從“轉基因抗蟲棉體內抗蟲基因的傳遞和表達”情境中總結概括出遺傳信息傳遞和表達的一般規律，培養學生的信息觀。觀念的形成依托概念的建構。因此，教師應以不同層級的概念為錨定點，依據學生在不同層級概念間的具體表現，判斷學生對概念的理解水平，診斷學生觀念的培養情況。例如，在DNA雙螺旋模型建構過程中，通過小組展示、對比交流，學生逐步發現問題，建構出科學美觀的DNA雙螺旋結構，這既是對活動成果的評價，也是對學生合作、表達等綜合能力的評價。在探究抗蟲基因表達和抗蟲性狀的關系任務中，學生搜集影響遺傳信息傳遞和表達的案例，通過匯報展示、社區宣傳，從遺傳信息的角度認識生命現象，既是對單元概念的應用，也是對學生的信息觀發展水平的測評。教師構建“遺傳信息的傳遞和表達”單元思維導圖，以箭頭、文字闡述概念內涵及概念間的聯系，考查學生能否基于概念提煉和應用生命的信息觀，并以此指導生活實踐。

本單元的教學以“轉基因抗蟲棉”真實性情境為載體，創設單元學習任務，引導學生利用所學知識解決情境問題，建構重要概念，培養信息觀。基于信息觀的單元教學以學科核心素養的發展為導向，聚焦學科概念的結構化落實，圍繞真實的生物學情境設計單元學習任務，以任務驅動學生去解決問題，并貫穿多元化的單元學習評價，最終實現學生信息觀的進階性培養。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 張秀紅.核心素養視域下的生物學觀念：內涵、價值、內容體系及教學［J］.課程·教材·教法，2017（9）：91-97.

［2］? 周初霞.聚焦生物學重要概念的單元整體教學設計實踐研究［J］.生物學教學，2019（4）：7-10.

［3］? 丁靜.基于發展性任務驅動的生物學教學真實性情境創設［J］.生物學教學，2020（2）：24-26.

［4］? 張鋒，林靜.核心素養視閾下高中生物學單元設計教學策略：以“降低化學反應活化能的酶”為例［J］.中學生物教學，2021（16）：4-7.

（責任編輯 黃春香）

［基金項目］江蘇省研究生科研與實踐創新計劃項目“基于任務驅動的高中生物學大單元教學設計與實踐研究”（項目批準號：SJCX22_1207）。

［通信作者］張健（1967— ），男，漢族，江蘇人，副教授，研究方向為中學生物學教學研究。