基于論證式教學策略的高中生物學教學設計
——以“基因表達與性狀的關系”第2 課時為例

劉學林 倪 娟

(云南師范大學生命科學學院 云南昆明 650500)

《普通高中生物學課程標準(2017 年版2020 年修訂)》(以下簡稱“新課標”)中明確指出“能基于生物學事實和證據運用歸納與概括、演繹與推理等方法,探討生命現象及規律,審視或論證生物學社會議題。”而論證式教學策略是當前國內外教育研究者關注的熱點之一,對科學思維素養的提升有重要的促進作用。 基于此,將論證式教學策略運用到高中生物學教學中是落實學生核心素養尤其是科學思維素養的途徑之一,且符合新課程改革的發展要求。

1 論證式教學策略

論證式教學從屬于科學探究,是指將科學論證活動引入課堂教學,讓學生在課堂學習中經歷類似科學家進行科學探究的論證過程,更注重學生思維能力的培養而不過分強調動手實踐,要求學生尊重事實和有較強的證據意識以及邏輯思維能力。 本文筆者根據教學內容特點,以“事實—問題”為主線展開論證式教學,主要思路是導入新課引出學生原有主張,提供事實資料反駁原有主張,再提供支持新主張的事實資料分析理由,在事實資料的剖析中完善形成新主張。

2 前端分析

2.1 教材和課標分析

本節內容選自人教版生物學教材《必修2·遺傳與進化》(以下簡稱“新教材”)第四章第二節,考慮到本節涉及內容較多,為保證教學質量,筆者將本節內容分為兩個課時,其中第二課時主要介紹表觀遺傳和基因與性狀的關系等,屬于新教材中新增的內容。 新課標模塊2“遺傳與進化”中核心概念3 是“遺傳信息控制生物性狀并代代相傳”,它的次位概念之一即為“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”。 表觀遺傳研究發展迅速,相關類型和機制在不斷地更新和完善,教材中主要介紹基因甲基化的表觀遺傳現象和相關作用。 但表觀遺傳現象較為抽象且學生對基因甲基化不存在前概念或前概念有誤,因此“表觀遺傳”這一概念屬于本節教學的重難點。綜上,本課時教學中引入論證教學,意在引導學生對事實資料的分析和論證,深入理解概念,突破難點,從而培養學生的科學思維能力。

2.2 學情分析

本節課為高一年級的新授課,高一學生好奇心和求知欲強,邏輯思維能力得到一定提升但論證能力較弱。 在此之前,學生已經掌握了組成細胞的分子、細胞分化和增殖、基因的本質和基因表達等內容,并在初中和本書第一章已經學習了性狀的概念,具有一定的知識基礎;但學生對性狀和環境的關系還處于簡單理解階段,對表觀遺傳信息對基因表達的調控是不清楚的;此外,他們可能會對基因型相同的生物有不同的表型這一現象較感興趣。 教學將采用問題引導和論證的策略,培養學生證據意識。

2.3 教學目標

基于課標和教材要求,圍繞學生核心素養的發展,將本課時教學目標設計如下:

(1) 基于事實資料和論證分析,能運用結構與功能觀概述表觀遺傳現象并分析和解釋基因與性狀的關系。 (生命觀念)

(2) 能基于柳穿魚和Avy鼠的資料,結合歸納與概括、批判等方法進行論證,得到“基因的堿基序列不變,但表型和基因表達會發生可遺傳的變化”這一主張,通過對基因與環境資料的分析,發展復雜性思維能力。 (生命觀念、科學思維)

(3) 能利用夾子和拉鏈等材料小組合作完成“基因甲基化”模型的構建,以口頭表達的形式描述基因甲基化的過程。 (科學探究)

(4) 認同表觀遺傳有研究價值,通過對吸煙和運動中基因甲基化變化等資料的分析,認同并養成健康的生活方式。 (社會責任)

3 教學過程

3.1 溫故知新,引出原有主張

首先,教師提出復習性導入問題:基因是如何控制生物的性狀呢? 結合學生的回答,教師再提出問題:生物基因的堿基序列不變,其性狀就一定不會發生改變嗎?

教師利用學生已有知識引入新課,引導學生建構原有主張“基因通過控制酶的合成和蛋白質的結構控制生物性狀”,并再次提問引發學生思考。

3.2 尋找證據,反駁原主張

教師以圖文的形式展示同卵雙胞胎的圖片和資料,引導學生論證生物堿基序列和性狀的關系。 學生可以同卵雙胞胎堿基序列相同但易感性、體貌特征等表現不同提出反駁:生物基因的堿基序列相同的同卵雙胞胎性狀上也會存在差異。

教師以同卵雙胞胎的事實資料引發學生產生質疑,進而反駁原有主張,得出新的主張“生物基因的堿基序列不變,但表型也許會發生變化”,即引發認知沖突。

3.3 結合案例事實,科學論證

教師展示柳穿魚花的圖片,提出問題:柳穿魚花為什么會有不同的性狀(兩側對稱花和輻射對稱花)?教師補充課本73頁的事實資料:柳穿魚花的形態結構與Lcyc 基因直接相關,并請學生分析資料,小組合作完成論證主張表(表1)。

表1 論證主張表

教師針對學生論證主張表的完成情況進行引導和補充。 學生得出理由1:受基因甲基化的影響,基因序列相同的柳穿魚花會有不同的基因表達。 此時,學生可以得出觀點1:基因的堿基序列不變,但基因表達可以發生改變。 學生產生疑問:什么是基因的甲基化? 為什么基因的甲基化會影響基因的表達呢?

教師播放基因甲基化的視頻,組織學生以小組為單位進行教學活動,用夾子、拉鏈建構基因甲基化的過程。 教師提出問題:夾子和拉鏈分別代表的是什么?如何模擬DNA 的甲基化呢? 學生拉動拉鏈模擬甲基化前的DNA,和被夾子(甲基基團)夾住的DNA(圖2)的轉錄過程,對比可知:DNA 的甲基化通過阻礙DNA 聚合酶(拉鏈頭)與DNA 的識別及結合抑制DNA 表達。

圖1 DNA 甲基化前

圖2 DNA 甲基化

在此環節教學中,教師以問題串的形式層層引導,讓學生通過對事實資料的分析和論證得出支持主張的理由1:基因的堿基序列相同的生物會有不同的基因表達,培養學生尊重事實和證據的科學精神;運用結構與功能觀,通過視頻播放和小組合作建構物理模型,將抽象問題具象化,學生在建構物理模型模擬DNA 甲基化的過程中嘗試解釋DNA 甲基化和基因表達之間的聯系,既可以培養的團隊合作能力又可以突破難點,進一步理解DNA 甲基化的過程。

接著,教師引導學生思考:為什么柳穿魚花F1自交后,后代大部分與親本兩側對稱花型相似,只有少部分與親本輻射對稱花型相似? 學生通過分析柳穿魚花(輻射對稱和兩側對稱花)雜交和F1自交后表型的不同(不符合孟德爾遺傳規律),可以得出F2中輻射對稱花型基因是由F1植株從親本的輻射對稱花基因中獲得的,即基因的甲基化是可以遺傳的(圖3)。由此學生可以得出觀點2:基因的堿基序列不變但表型可以發生可遺傳的變化。

圖3 柳穿魚花甲基化基因的遺傳

教師引導學生通過對事實資料的分析,得出理由2:DNA 的甲基化是可遺傳的,以此支撐主張。

3.4 豐富論證證據

教師展示課本23頁Avy鼠的資料,請學生嘗試書寫純種黃色體毛小鼠和純種黑色體毛小鼠雜交得到的子一代的基因型并預測其表型。 教師提出問題:為什么科學家的實驗結果出現了不同毛色的小鼠? 教師繼續展示資料2 內容引導學生思考Avy鼠和柳穿魚花的遺傳現象有什么共同點?

教師引發學生思考,培養學生發現問題和作出假設的能力;引導學生得到支持主張的理由:Avy鼠F1不同毛色小鼠基因表達的模式是不一樣的且是可以遺傳的。

3.5 得出主張

通過上述的論證活動,學生認識到了柳穿魚花和Avy鼠基因與性狀的關系。 教師引導學生歸納概括形成新主張:生物體的DNA 堿基序列不變但基因表達和表型可能發生可遺傳的變化,即得出表觀遺傳的概念。 這個論證過程如圖4 所示。

圖4 本課“事實—論證”模式圖

3.6 完善知識體系,樹立社會責任

教師展示課本75頁“與社會的聯系”模塊的資料,學生可以了解到除了DNA 甲基化,組蛋白上的修飾也會影響基因的表達,也是表觀遺傳的一種調節模式。

教師補充資料:研究發現,男性吸煙者的精子活力會下降,精子中DNA 的甲基化水平明顯升高。 也有研究表明,處于健康狀態的個體在運動后幾分鐘,細胞內的DNA 會出現瞬間變化,主要體現在運動后骨骼肌中相關基因的甲基化程度顯著下降,促進相關基因的表達。 據此,教師提出問題:結合表觀遺傳知識和上述資料,你認為在日常生活中我們應該怎么做?

教師通過資料展示引發學生思考,既完善知識體系,又滲透社會責任,培養學生健康的生活方式,并運用生物學知識關注社會議題。

3.7 培養復雜思維

教師繼續補充資料:① 人的身高是由多個基因決定的,其中每個基因對身高都有一定作用。 ② 我國科學家發現水稻中的Ghd7 基因編碼的蛋白質不僅參與了開花的調控,而且對水稻的生長、發育和產量都有重要作用。 ③ 同一株水毛茛,浸在水中的葉與裸露在空氣中的葉形態不同。 據此,教師提出問題:基因和性狀/環境和性狀之間有什么關系呢?

教師幫助學生建立基因表達調控復雜性的概念,培養學生的復雜思維能力。

3.8 完善概念圖,建立知識聯系

教師引導學生完成如圖所示概念(圖5),輔助學生建立本節知識間的聯系,建構較完整的知識體系。

圖5 基因表達與性狀的關系概念圖

4 小結與反思

本節課涉及問題引導、小組合作、構建模型、事實資料論證和與生活聯系、資料分析等設計,引導學生在論證的過程建構“表觀遺傳”概念,達成新課標中的內容要求,進而建構基因、環境、性狀之間的復雜網絡關系,在知識學習中發展科學思維素養并滲透社會責任。但本次設計也有不足之處:學生對論證式教學較為陌生,課前應先簡要介紹論證式教學的模型和論證表單的使用;評價和資料呈現方式單一,應調動學生多種感官參與,并請學生在論證過程中查找事實資料,做到真正的擺證據等。