滲透社會責任教育的遺傳學實驗教學

摘要：以“山重水復疑無路，柳暗花明又一村”為主題，圍繞中國雜交水稻的培育歷程和發展，呈現科學家們遺傳學設計的過程，滲透社會責任教育和家國情懷。讓學生了解以袁隆平為首的科學家們的功績，以理解遺傳學實驗的設計，體會雜交水稻培育之艱辛，體現了科學家愛國、敬業和奉獻精神；明白雜交水稻對世界之影響，以此告慰前輩，引導學生關注社會、關注家國命運，培育科學探究和社會責任意識。

關鍵詞：社會責任；問題驅動；雜交水稻；科學思維；勞動教育

文章編號：1003-7586（2024）02-0036-04 中國分類號：G633.91 文獻標識碼：B

社會責任是生物學學科核心素養之一。在《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》中，明確要求學生能夠基于生物學知識，參與個人與社會事務的討論，作出理性解釋和判斷，具備解決生產生活問題的擔當和能力。《國務院辦公廳關于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見》中指出，新時代高考改革強調教育的本質是育人，立德樹人，培養全面發展的人。在這一背景下，高三生物學的課堂教學不能只教學生做題，要引導學生關注點從“解題”向“解決問題”，從“做題”向“做人做事”轉變。本文試圖用科學家們培育雜交水稻的艱辛過程為案例，引導學生關注社會、關注生活，教他們學會像科學家那樣思考，用生動具體的事例內化于心，外化于行，以提高基于知識解決生活實際問題的能力，最終能改善生活。在教學中選用中國科學家的研究成果的事例，關注農業生產，凸顯勞動教育，能激發學生的民族自豪感，從而使其努力學習、儲備力量，同時放眼未來，形成為國奮斗的家國情懷。

1問題設疑，導入新課

問題 為什么要種植雜交水稻？

圍繞問題，教師在課前布置任務單，學生分組了解：①研究雜交水稻的背景；②雜交水稻的優勢。

課堂上，學生根據搜集到的資料匯報：中國是世界上最早種植水稻的國家，水稻的種植歷史可追溯到12 000～16 000年前。作為重要的糧食作物，水稻的產量不高；而在1960年，中國多省遭受了嚴重的自然災害，全國范圍內發生了大饑荒，糧食短缺導致許多人餓死；此時國外雜種玉米、雜種煙草、雜種小麥等飛速發展，產量突飛猛進。通過此問題的討論，教師可以引出雜種優勢的概念，即人們意識到獲得具有雜種優勢的雜合種子是提高水稻產量的重要途徑。雜交水稻可以集優良性狀于一身，如生長旺盛、根系發達、穗大粒多、整齊度好、抗逆性強等一系列優點。為了便于學生更形象直觀地掌握，教師將雜交水稻比喻為“高富帥”。

課件展示水稻的產量變化數據：1958年畝產400千克－2000年畝產700千克－2020年畝產1 530千克－2021年畝產1 603.9千克。教師提示水稻產量的提高來之不易，依靠的是一代又一代的科學家們接力賽似的鉆研與努力。

設計意圖

現在的學生很少有吃不飽飯的經歷，對中國歷史上出現饑荒事件的印象常常停留在課本，因此也鮮有學生將自己的努力學習目標與家國命運聯系在一起。讓學生體會到今天國人不再忍受饑餓是無數科研工作者和農業人付出辛勞的結果，從而使其重視勞動。

2過程中發現問題，不斷探索優化

問題1 如何實現水稻的雜交？

視頻展示：師生在校園的社會實踐基地觀察水稻生長的過程。水稻（2n=24）是雌雄同株兩性花植物，花較小，自花授粉，天然雜交率一般在0.2％～4％之間。人工異花授粉的過程：去雄－套袋－授粉－套袋。

資料1 水稻的花極小，包括1枚雌蕊和6枚雄蕊。一株稻穗約開200～300朵稻花，一朵花只結一粒種子。開花時，從稃片張開到閉合約為1.5～2小時。同一稻穗完成開花約需7～10天，一般上午910時開始開花，11～12時最盛，下午2～3時停止。

教師提問：自1926年美國人首次提出水稻具有雜種優勢以來，世界各地的科學家相繼開展了研究，但均未能應用于生產，原因可能是什么？

學生結合資料1分析得出結論：水稻的雜交育種在實際操作中非常困難。同時教師補充資料2。

資料2 一畝地約5萬株水稻，一個技術比較熟練的育種工作者，一天最多也只能去雄幾百株。由此發現實際問題：水稻去雄困難，雜交育種工作量非常大，無法滿足大規模的生產應用需求。

設計意圖 使學生聯想孟德爾豌豆雜交實驗，將孟德爾遺傳定律運用到實際生產中，學習和遷移的研究揭示了構建學習經驗的重要原理，這使人們能夠在新的情境中運用以往的經驗。

問題2 雜交水稻的后代能繼續保持穩定的性狀嗎？

學生討論后得出，根據盂德爾遺傳定律，隨著自然狀態下的雜交優勢品種繼續自交，其后代會出現“自交衰退”現象，即雜種自交后代出現性狀分離，各種隱性性狀的缺點不斷暴露，自花授粉使更多植株出現原來“平庸”的性狀，雜交水稻的“高富帥”優勢難以保留。

設計意圖 新高考要打破知識論背景下的考試，對教育最大的挑戰是要求學生在信息遷移上著力，在實際情境中應用。很多學生對孟德爾的雜交實驗的理解還停留在做題應試上，因此，設置合理的情境，設計有效的問題，有助于學生自然提取碎片化的知識，并像科學家那樣思考后應用于實踐中。

在無數著名專家學者得出水稻不適合做雜交實驗的結論時，以袁隆平為代表的中國科學家們并未就此放棄，而是另辟蹊徑，想到自然界有許多植物有雄性不育現象，于是他們在大量野生型水稻中尋找水稻的天然雄性不育植株。研究中的這種批判性思維，告訴我們不要迷信權威，要有多角度的思考和實踐中的研判，機遇和突破往往蘊藏在困難之中，還讓學生體會科學家們在科研道路上的執著與堅守。

3四代雜交水稻誕生之路

問題1 如何實現大規模水稻雜交？

資料1 科研工作者們在普通野生稻群中找雄蕊失活的水稻的艱辛過程。1970年，袁隆平的學生李必湖發現一株花藥瘦小、黃色、不開裂，典型花粉敗育型雄性不育株，雌蕊能正常受粉，可以通過異花授粉進行繁殖，被定名為“野敗”。“野敗”的發現為中國雜交水稻研究打開了突破口。

教師引出問題：這株“野敗”的出現可能是什么原因導致的？要判斷“野敗”的育種價值，首先得確定它的遺傳物質是否發生變化，那如何設計實驗來判斷“野敗”的變異類型？

學生思考討論后回答：通過不育系“野敗”和普通野生水稻雜交，看后代是否出現不育系。若后代仍然出現不育系，取水稻根尖分生區細胞制成裝片，觀察染色體數目和形態。若染色體數目和形態正常，則可能是基因突變；若染色體數目和形態不正常，則可能是染色體變異。教師展示圖片進行水稻（2n=24）染色體核型分析，并帶領學生觀察體驗科研工作者們的部分研究過程，最后總結。

設計意圖 通過這些問題來復習基因型、表現型以及與環境之間的關系，可遺傳變異的類型有哪些，區分基因突變和染色體變異的最簡便方法等。同時加強實驗研究思維的培養與實踐，讓學生學會實驗研究中的思維方式和嚴謹的實驗精神，讓學生從學會知識轉向學會分析思考，在演繹推理中得到驗證。

資料2 研究發現，水稻花粉是否可育受細胞質基因（S、N）和細胞核基因R共同控制。S、N分別表示不育基因和可育基因，是成單存在的；R表示細胞核中可恢復育性的基因，其等位基因r無此功能。通常基因型可表示為“細胞質基因（細胞核基因型）”，如S（RR）。只有當細胞質中含有S基因且細胞核中r基因純合時，植株才表現出雄性不育性狀。

教師提出問題：從遺傳物質角度來講，雄性不育有幾種類型？學生根據資料可以得出：雄性不育有細胞核基因控制的不育、細胞質基因控制的不育以及核質互作導致的不育三種類型，而核質互作類型是科學家們在雜交實驗中使用最廣泛的。

教師繼續設置問題：雄性不育系如何產生下一代不育系？不育系與其他品種雜交如何避免后代回到“自交衰退”的困境？怎樣能得到穩定的不育系后代？同學們圍繞問題展開討論。

在教師的引導下，同學們想到以不育系S （rr）作為母本與其他品種的水稻雜交；基因型為N（RR）或S（RR）的父本與不育系雜交，獲得雜交種全部可育。為了避免后代又回到“自交衰退”的困境中，于是科學家們篩選出一個品種，使其與不育系雜交，后代仍保持雄性不育的特征，這就是“保持系”水稻的由來。用不育系和保持系雜交，能得到穩定的不育系后代，但僅依靠不育系和保持系無法得到具有雜種優勢的水稻，還需要一個具有優良性狀的品種，使之與不育系雜交的后代具有雄性可育特征，使其能夠自花授粉而用于后續生產，推動具有雜種優勢的水稻后代繼續“砥礪前行”，而這種具有優良性狀且后代可育的水稻稱為“恢復系”。

教師總結：不育系與恢復系雜交，得到兼具雜種優勢和遺傳穩定的生產種子。同時，保持系、恢復系各自自交，依然能夠得到保持系和恢復系。就這樣，三系法雜交是以核質互作雄性不育系為遺傳工具，世界首個食用高產雜交水稻，也就是第一代雜交水稻誕生了，于1976年正式推廣應用，使水稻產量從畝產300千克提高到畝產500千克以上。

問題2 如何沖破品系間雜交，實現亞種間雜交，提升產量？

三系法的不足之處在于育性受保持系、恢復系關系的制約，恢復系很少，保持系更少，只能實現同一亞種內不同品種間雜交，而且雜交過程繁瑣，成本高，周期長，能選到優良組合的概率很低。

資料3 1973年科研人員石明松發現雄性不育突變體S，長日照溫度高于23℃時表現為雄性不育，短日照溫度低于23℃時表現為雄性可育，其育性由一對核等位基因控制，與細胞質無關，不育性狀為隱性。科學家們以光溫敏型核雄性不育系為遺傳工具提出了二系法雜交，第二代雜交水稻由此誕生了，產量也有了大幅度提高。

教師提出問題：花粉的育性與哪些因素有關？花粉分別在什么條件下不育性和育性最高？說明生物體的性狀是由什么決定的？如果用雄性不育突變體S來獲得雜交種是否有優勢？為什么？學生討論后總結：以光溫敏型核雄性不育系為遺傳工具，利用短日照低溫下的可育植株自交獲得不育系，相當于恢復系，不育系繁殖出光溫敏型水稻作為保持系，長日照高溫下的不育植株和短日照低溫下的可育植株雜交獲得雜交稻。教師總結，對比三系法雜交受到的限制，二系法可以沖破品系間雜交，實現亞種間雜交。配組自由度高，選到優良組合的機會多了。但新的問題很快出現，二系法雜交水稻受環境條件影響較大，育種風險也隨之提高。

資料4 湖南雜交水稻研究中心李新奇等研究人員以普通核雄性不育隱性突變體為研究對象，利用基因工程技術構建育性恢復基因F、花粉致死基因P和紅色熒光標記基因M三者緊密連鎖（不發生交換）的互補載體，然后將該載體轉入不育突變體中，得到育性恢復的轉基因植株，于2016年誕生了第三代雜交水稻，即超級雜交水稻，使平均畝產再上新臺階。

教師講述，袁隆平教授去世前正在研究第四代雜交水稻，利用C4植物基因、無融合生殖等方式培育水稻的新品種，計劃把水稻光合效率提高30％，產量達每畝1 500千克。學生還聯想到可以利用基因工程技術將植物的磷酸烯醇丙酮酸羧化酶（PEP羧化酶）基因、乙醇酸脫氫酶和蘋果酸合成酶基因等通過DNA重組技術引入水稻中。教師在學生討論后總結，回顧四代雜交水稻的歷程，充分展現出科學家們永無止境、勇創新高的探索精神，大家要將科學家愛國、敬業和奉獻精神傳承并發揚下去。

設計意圖 我們國家對未來人才培養方面，不是只看學生考試成績，而是看學生是否具備服務國家和人民的社會責任感、勇于探索的創新精神和善于解決問題的實踐能力。教師通過資料展現中國第四代雜交水稻的艱辛培育歷程，幫助學生系統了解科學家的研究內容與探索過程，展現科學家們不斷探索的精神；幫助學生理解科學家從事科學工作背后的意義，在他們心里種下一顆為家國奮斗的種子，從而形成報效國家、造福人類的崇高的價值觀。

4教學反思

4.1重視勞動教育，滲透社會責任

習近平總書記指出，確保國家糧食安全，把中國人的飯碗牢牢端在自己手中。作為14億人口的泱泱大國，糧食安全的重要性對我國不言而喻。從優良品種選育到田間生產管理，從增加糧食產量到提高產品品質，無處不是生物學知識、方法與生產實踐緊密聯系的體現。中國雜交水稻的培育史，也是以袁隆平為代表的科研工作者們立志解決中國糧食短缺問題的奮斗史，他們將全部心血傾注于雜交水稻事業，持之以恒，克服種種困難為中國乃至世界的糧食生產做出了重大的貢獻。教師以中國雜交水稻的培育歷程為主線，鼓勵學生將孟德爾的雜交實驗過程搬到田間地頭，重視勞動；同時，讓學生關注社會生活熱點，聚焦實踐，感受科學家們的愛國情懷，培養學生的社會責任意識，凸顯育人過程。

植物雜交技術專業實踐性強，在現代農業中應用比較廣泛，讓學生參與討論探究，可以為其進一步學習和職業規劃奠定基礎。生物教學除了要加強學生對知識的理解學習，也要考慮他們未來的生活需要，引導學生將來可以將學到的技能應用于實踐。

4.2引領科學思維，提升解決問題能力

本節課以真實問題的研究引領思維，將科學家們遇到的科研難題以及解決過程通過情境逐步呈現，展現出科學工作者們既敢于挑戰權威、不畏艱辛，又努力協作、合力攻關的過程，以此培養學生基于知識解決生活實際問題的能力。學生通過檢索知識來解決實際應用中的問題，理論聯系實際，重在理解遺傳學設計層層遞進的過程。教師在教學中要重視培養學生的科學思維過程，讓學生逐漸像科學家那樣在問題的引導下進行分析、思考和實踐解決問題，激發進一步學習探索的動力，實現學生的學習與生產生活情境、實踐操作緊密聯系，在實踐中逐層提高思維結構，改善思維品質，提升解決問題能力，還要引導學生像農業科學家們一樣心系社會，善解難題，服務社會，樂于奉獻，使其具備適應社會發展需要的品格和綜合能力。