深度學習視域下的高中生物概念教學實踐研究

摘要：本文介紹了基于深度學習理念的“基因突變”概念教學。通過巧設問題和探究任務，引導學生深入理解基因突變的本質(zhì)和影響。注重知識進階和概念形成，活用教材資源，旨在提升學生科學思維素養(yǎng)，激發(fā)學習興趣，形成珍愛生命的觀念，實現(xiàn)深度學習。

關(guān)鍵詞：深度學習；高中生物；概念教學

文章編號：1003-7586（2024）03-0052-04 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

1 教材分析及設計思路

《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》）中明確指出，課程教學要聚焦大概念，高度關(guān)注學生學習過程中的實踐經(jīng)歷，強調(diào)要讓學生積極參與動手和動腦的活動，加深對生物學概念的理解。深度學習是指在教師引領(lǐng)下，學生圍繞著有挑戰(zhàn)性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展的有意義的學習過程。

“基因突變”是人教版普通高中教科書《生物學·必修2·遺傳與進化gt;（以下簡稱“教材”）中第5章第1節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)課基于多個探究性學習活動，設置具有一定挑戰(zhàn)性的學習任務，引導學生基于生物學事實和證據(jù)，按照從宏觀認識到微觀討論的認知邏輯，綜合運用歸納、演繹、分析、綜合等思維方法構(gòu)建《課程標準》中要求的重要生物學概念。

2 教學目標

（1）基于問題情境，通過科學探究，分析基因突變的分子機制并歸納概括構(gòu)建基因突變概念模型。

（2）通過討論基因結(jié)構(gòu)中堿基對變化對氨基酸序列的影響，培養(yǎng)學生演繹與推理的科學思維。

（3）通過辯證分析基因突變的利害，培養(yǎng)學生的批判性思維。

（4）通過討論結(jié)腸癌發(fā)生的分子機制，說明癌變與基因突變的關(guān)系。培養(yǎng)學生遠離致癌因子，選擇健康文明生活方式的社會責任。

3 教學過程

3.1 巧用章節(jié)小詩，導入章節(jié)學習

教師提出問題：通過前四章的學習，我們知道了遺傳物質(zhì)是生命延續(xù)的根基。那么，基因在代代相傳的過程中，會發(fā)生哪些變化呢？這些變化對人類會產(chǎn)生什么影響？為何說變異激起進化的層層漣漪？

設計意圖：基于章首頁的小詩創(chuàng)設問題，問題層層遞進，由上一章內(nèi)容自然過渡到本章要探討的中心問題。

3.2 通過鐮狀細胞貧血致病機理的分析構(gòu)建基因突變概念

教師展示某患者血細胞檢測圖，引導學生觀察并思考：該患者的紅細胞有沒有異常？結(jié)合學生回答，教師講述醫(yī)生根據(jù)該患者的其他臨床表現(xiàn)，確定該患者為鐮狀細胞貧血。并追問：該患者有何其他癥狀？導致該病的機理是什么？

教師布置任務：閱讀鐮狀細胞貧血疾病相關(guān)資料，并引導學生完成表1中內(nèi)容的填寫。學生需結(jié)合教材第81頁圖5-2血紅蛋白分子的部分氨基酸序列及對應mRNA的堿基序列圖，通過查閱教材第67頁密碼子表，完成表1。教師提問：結(jié)合以上信息，闡述鐮狀細胞貧血的發(fā)生機制。

學生閱讀資料，結(jié)合教材內(nèi)容完成表格內(nèi)容。學生按照微觀到宏觀的視角闡述鐮狀細胞貧血發(fā)生的機制：由于DNA上一對堿基A/T替換為T/A，導致該位點的氨基酸由谷氨酸變?yōu)槔i氨酸，從而導致鐮狀細胞中的血紅蛋白呈纖維狀聚集。該類紅細胞呈鐮狀，且易瘀滯、破裂，最終使得患者出現(xiàn)貧血癥狀、手足綜合征、低血容量性休克。

設計意圖：引導學生從宏觀現(xiàn)象出發(fā)，認識到基因突變的表現(xiàn)是真實可見的。再從微觀到宏觀的層次進行分析，讓學生認識到鐮狀細胞貧血是由一個堿基替換導致DNA序列改變引起的疾病。這種從宏觀認識到微觀分析的過程，學生自主分析，科學推理，歸納總結(jié)，變被動學習為主動學習。

教師提出問題：除了堿基對替換外，基因還可發(fā)生哪些變化？教師展示亨廷頓舞蹈癥和囊性纖維病相關(guān)資料，引導學生初步構(gòu)建基因突變的概念模型。教師繼續(xù)追問：DNA中任何位置堿基序列的改變都是基因突變嗎？教師展示DNA和基因關(guān)系圖，引導學生對上述概念模型繼續(xù)完善和修訂。

學生認識到基因突變的單位可以是一個或多個堿基的增添、缺失、替換，在DNA的非基因片段發(fā)生堿基的改變并不會改變基因結(jié)構(gòu)。最終形成基因突變概念模型：DNA分子因堿基的替換、增添或缺失而引起基因堿基序列的改變，叫作基因突變。

教師設計問題串繼續(xù)追問：突變基因可以遺傳給子代嗎？怎樣遺傳？突變后的基因數(shù)目多了嗎？位置改變了嗎？突變后的基因與原基因是什么關(guān)系？教師引導學生分析基因突變的結(jié)果。

學生思考并回答：DNA的復制主要發(fā)生在分裂間期，DNA在復制時可能因錯誤的配對而導致堿基序列改變。體細胞一般不可遺傳，生殖細胞可以遺傳給后代。在教師的問題驅(qū)動下，學生回憶等位基因、相對性狀的概念，理解突變后基因數(shù)目不變，位于同源染色體上的相同位點。基因突變結(jié)果是產(chǎn)生新基因。

設計意圖：引導學生基于生物學事實和證據(jù)，運用歸納、推理、綜合等思維方法逐步構(gòu)建和修正基因突變的概念模型，從而加深對“基因突變”內(nèi)涵和外延的理解，提升學生的科學思維素養(yǎng)。

3.3 探究基因結(jié)構(gòu)中堿基對的變化對氨基酸序列的影響

教師布置任務：以小組為單位分發(fā)不同類型任務的卡片（見圖1）。小組內(nèi)每兩人合作，通過查詢教材第67頁密碼子表完成活動。完成任務后小組內(nèi)交流討論并完成學案上的問題。

學生小組匯報任務卡內(nèi)容并總結(jié)堿基替換對蛋白質(zhì)氨基酸序列的影響。教師可以引導學生從無影響和有影響兩方面進行作答并展開討論。學生回答：如果無影響，是由于密碼子的簡并性，突變后仍決定同一種氨基酸；堿基替換發(fā)生在非編碼區(qū)（不考慮其調(diào)控作用）或者內(nèi)含子；如果有影響，但影響較小，是僅突變位點氨基酸發(fā)生改變；如果影響較大，則是終止密碼子提前或者延后出現(xiàn)。

教師追問：那么堿基對缺失或替換會對蛋白質(zhì)氨基酸序列產(chǎn)生影響嗎？學生結(jié)合上述回答：無影響，堿基增添或缺失發(fā)生在非編碼區(qū)（不考慮調(diào)控作用）或內(nèi)含子；有影響，如果增添或缺失3個（3的倍數(shù)）堿基時影響相對較小，如果增添或缺失非3的倍數(shù)個堿基時，突變位點后的氨基酸序列都改變，也可能會出現(xiàn)終止密碼子提前出現(xiàn)等情況則影響較大。

教師繼續(xù)提問：基因突變一定會導致性狀改變嗎？教師可以引導學生結(jié)合上節(jié)內(nèi)容“基因表達與性狀的關(guān)系”相關(guān)知識回答該問題。學生思考后回答：發(fā)生非編碼區(qū)（不考慮其調(diào)控作用）、發(fā)生在編碼區(qū)的內(nèi)含子、密碼子的簡并性、隱性突變（如AA突變?yōu)锳a）、基因的選擇性表達等情況會導致基因突變，但不導致性狀改變。最后在教師引導下，學生總結(jié)重要概念：基因中堿基序列的改變有可能導致它所編碼的蛋白質(zhì)及相應的細胞功能發(fā)生變化，甚至帶來致命的后果。

設計意圖：通過小組合作分析，培養(yǎng)學生演繹推理和歸納概括的能力，幫助學生構(gòu)建重要概念。

3.4 探究細胞癌變的分子機制

教師展示國家癌癥中心2023年報告，讓學生談一談對癌癥的認識。學生可以說出癌癥后期腫瘤生長迅速，且會發(fā)生擴散等相關(guān)事實。教師展示正常人和結(jié)腸癌患者的結(jié)腸組織切片，引導學生對比分析總結(jié)癌細胞的特點。

教師提問：為何癌細胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變？教師展示教材結(jié)腸癌簡化模型。引導學生思考：從基因角度看，結(jié)腸癌發(fā)生的根本原因是什么？教師補充教材模型圖中不同突變基因作用的相關(guān)資料。學生結(jié)合模型圖和資料可以認識到細胞癌變的根本原因是原癌基因和抑癌基因的突變，并總結(jié)原癌基因和抑癌基因的作用。

教師繼續(xù)提問：哪些因素可能會增加基因突變的頻率從而導致患癌？教師結(jié)合學生生活實際引導學生思考：為什么長時間暴曬會引起皮膚癌？X射線室為何有厚重的防輻射鉛門？國家為什么要限制食品中亞硝酸鹽的添加量？HPV與宮頸癌有何關(guān)系？學生思考并回答問題，并在教師引導下總結(jié)歸納基因突變的原因，形成重要概念：細胞在某些化學物質(zhì)、射線以及病毒的作用下，基因突變概率可能提高，而某些基因突變能導致細胞分裂失控，甚至發(fā)生癌變。

設計意圖：選擇生活中真實案例，不僅能激發(fā)學生學習的興趣，加深對《課程標準》中重要概念的理解，還可以形成珍愛生命的觀念，選擇健康的生活方式。

3.5 基因突變的意義

教師提出問題：基因突變一定都是有害的嗎？

教師展示鐮狀細胞貧血雜合子對瘧疾具有較強的抵抗力的資料，引導學生辯證分析基因突變與生物的利害關(guān)系。

學生思考并通過資料分析總結(jié)：基因突變對生物的生存是否有利，往往取決于生物生存的環(huán)境。基因突變產(chǎn)生了某些看起來對生物生存不利的新基因，可當環(huán)境改變后，這些不利的基因產(chǎn)生的性狀，可能會幫助生物更好地適應改變后的環(huán)境，從而得到更多的生存機會。學生從而理解基因突變是生物變異的根本來源，為生物進化提供了豐富的原材料。

設計意圖：辯證分析基因突變的利害性是相對的，發(fā)展學生的批判性思維。通過分析讓學生認識到基因突變是遺傳中的錯誤現(xiàn)象，這種錯誤現(xiàn)象對生物的生存有時是災難性的，但對群體的生存卻提供了多樣性的選擇，從而深刻理解基因突變的本質(zhì)和意義，認識到遺傳伴隨著變異，為學生形成生物進化觀奠定基礎(chǔ)。

3.6 概括總結(jié)，繪制概念圖

“基因突變”概念圖如圖2所示。

4 教學反思

4.1 關(guān)注知識進階，促進概念形成

學生的已有知識或者生活經(jīng)驗有的支持新概念的發(fā)生，有的則起阻礙作用。例如，本節(jié)關(guān)于基因突變的概念，學生可能認為基因突變只能是一個堿基發(fā)生改變，也可能認為只要DNA分子內(nèi)部發(fā)生堿基的改變就是基因突變。因此，教學中通過創(chuàng)造情境，揭示學生的“錯誤概念”并引發(fā)認知沖突，讓學生基于生物學事實和證據(jù)來建構(gòu)和修正概念，才能使“錯誤概念”發(fā)生轉(zhuǎn)變。

4.2 活用教材內(nèi)容，巧用欄目素材

教材是多位專家、教研員和一線優(yōu)秀教師在《課程標準》基礎(chǔ)上的一次再創(chuàng)造，充分體現(xiàn)了《課程標準》的教學要求。教學不是對教材的“照本宣科”，教師可以結(jié)合學生的基礎(chǔ)對教材內(nèi)容進行補充和拓展，活用教材章節(jié)小詩、“思考·討論”、課后習題等素材。例如，本節(jié)課將章節(jié)小詩作為問題引入本章學習，講清本章學習重點的同時，也能激發(fā)出學生的學習興趣。在構(gòu)建基因突變概念的探究活動中，改編教材中“思考·討論”題目，替換為教材正文的插圖，設置成一個挑戰(zhàn)性任務，從而鍛煉學生的觀察力和邏輯思維能力。總之，教師在教學中要重視對教材內(nèi)容的研讀、挖掘和重組，充分發(fā)揮教材的價值。

基金項目：北京市教育學會“十四五”教育科研2023年度一般課題“深度學習視域下高中生物學單元教學改進的區(qū)域?qū)嵺`研究”（HD2023-115）。