融入生物科學史的5E教學設計

袁超祎　劉鈺玲　胡婷

［摘 要］文章以“基因在染色體上”的教學設計為例，具體闡述如何將5E教學模式作為教學路徑，將生物科學史中科學家的發現和經典實驗過程作為教學情境，設計探究性問題，使學生積極參與教學活動，從思維層面重走科學家的探究歷程，主動建構概念，培養學生的科學思維能力和科學探究能力，提升學生的生物學學科核心素養。

［關鍵詞］5E教學模式；生物科學史；基因在染色體上；生物學學科核心素養

［中圖分類號］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）29-0085-03

5E教學模式是一種基于建構主義的探究式教學模式，包括吸引（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）、評價（Evaluation）五個環節。該教學模式能促進學生積極參與教學活動，建構科學概念，契合高中生物學新課標的基本理念［1］。生物科學史記載了科學家探究生物學現象和規律的過程，蘊含解決問題的方法和思維方式，對發展學生的生物學學科核心素養有重要價值。但在教學生物科學史時，教師往往采用講授法，而學生的認知停留在了解科學家故事與探究步驟的層面上，不能領悟科學家得出結論所用的方法，這不利于學生科學思維的發展［2］。

本文以“基因在染色體上”的教學設計為例，將5E教學模式與生物科學史相結合，并以生物科學史作為教學情境，開展探究式教學活動，旨在激發學生的學習興趣，引導學生經歷科學探究的過程，自主建構概念，掌握科學思維方法，培養科學探究能力，從而落實生物學學科核心素養。

一、教材分析與設計思路

“基因在染色體上”是人教版高中生物學教材必修2第2章第2節的內容，在學習了孟德爾的遺傳規律和減數分裂中染色體行為變化的基礎上，進一步以“假說—演繹”的邏輯思路介紹基因與染色體的關系，為后面學習伴性遺傳、基因的本質等內容做好鋪墊。教學設計思路見表1。

二、教學目標

（1）通過分析薩頓假說提出的原因、解釋孟德爾遺傳規律的實質，提升分析、歸納與概括的思維能力。

（2）運用“假說—演繹”法分析摩爾根果蠅雜交實驗的現象，掌握科學探究的基本思路與方法，培養科學探究能力。

（3）通過體驗摩爾根證明基因在染色體上的探究過程，認同科學研究需要敢于質疑、勇于探索求證的科學精神及尊重科學事實與證據的科學態度。

三、教學過程

（一）吸引——角色扮演，引出概念

課前查閱資料，課上師生角色扮演、編排對話，具體對話內容如下：

孟德爾：我發現了遺傳規律，雖然現在沒人理解，但我相信屬于我的時代終將到來！

旁白：三十多年后，有3位科學家同時獨立地完成與孟德爾相似的實驗，并發現孟德爾的論文《植物的雜交實驗》［3］。自此，孟德爾遺傳定律逐漸被人關注。

薩頓：我發現蝗蟲減數分裂過程中染色體的行為與孟德爾提出的遺傳因子的行為有聯系，我推測基因位于染色體上。

摩爾根：我想知道孟德爾遺傳規律是否適用于動物，所以就用鼠、鴿等材料做實驗，但實驗結果都不理想，我開始懷疑孟德爾的觀點［4］。你的觀點沒有實驗證據，只是推理，我不相信。

摩爾根的妻子：摩爾根，快來看，實驗室里出現了一只白眼雄果蠅。

摩爾根：等著吧，我喜歡用事實說話，我要用這只果蠅做實驗，再看看基因是怎么回事及基因與染色體究竟有什么關系。

教師提問：薩頓為何提出“基因位于染色體上”這一觀點？摩爾根認同這一觀點嗎？

設計意圖：通過生動形象的角色扮演，以及編排對話，讓學生了解科學家間的背景關系，體會科學家重視事實與證據的嚴謹態度。同時，活躍氣氛，使學生的注意力轉移到課堂上，然后引出概念，制造認知沖突，激發學生的探究欲望。

（二）探究——層層探索，建構概念

1.分析薩頓假說提出的原因

資料1：1866年，孟德爾提出生物的性狀是由遺傳因子控制的觀點。

資料2：1903年，科學家用光學顯微鏡觀察到染色體的形態與結構，而遺傳因子（基因）在光學顯微鏡下卻看不見［5］。

資料3：1903年，美國遺傳學家薩頓在研究蝗蟲減數分裂過程中染色體行為變化時，發現配子形成過程中染色體的行為與孟德爾提出的遺傳因子的行為有很多相似的地方［6］（如圖1、圖2），還發現蝗蟲的染色體只有24條，但性狀卻遠遠大于24種。

學生觀察模型圖，填寫導學案上有關基因與染色體的比較的表格；結合資料，小組合作探討薩頓提出“基因在染色體上”這一觀點的原因。

2.體驗“基因在染色體上”實驗證據的探索過程

（1）觀察現象，發現問題

資料4：1908年，摩爾根飼養野生型紅眼果蠅，觀察發現果蠅后代眼色全為紅色。他用X光照射、激光照射等多種手段誘發果蠅突變。1910年5月，摩爾根培養的紅眼果蠅中誕生了一只白眼雄果蠅。摩爾根細心照料這只白眼果蠅，并用它做了雜交實驗（如圖3）。

教師提問：為何選果蠅作為實驗材料？學生通過觀看短視頻《果蠅的一生》，進行概括。教師追問：實驗結果是否遵循孟德爾的遺傳定律？學生觀察實驗現象，分析果蠅眼色性狀的顯隱關系。教師引導學生發現問題：F2中白眼性狀只出現在雄性果蠅中。學生再次產生疑問，探究熱情高漲。

（2）分析問題，作出假設

為什么果蠅雜交實驗F2中雄性果蠅全是白眼呢？引導學生猜想果蠅眼色性狀的遺傳與性別有關，并提示孟德爾提出生物的性狀由遺傳因子控制的觀點。學生推測果蠅控制眼色的基因與性別有關。

資料5：1908年，美國生物學家史蒂文斯發現雄性果蠅的精母細胞中有一條X染色體，還有一條與它同源的Y染色體，雌性果蠅有兩條X染色體，這些染色體決定了個體的性別，故稱性染色體。

教師首先展示果蠅體細胞示意圖，解釋果蠅染色體組成、性染色體概念，然后提問：性染色體決定性別，而控制眼色的基因與性別有關，這說明了什么？學生基于科學證據猜測：控制眼色的基因在性染色體上。教師繼續追問：果蠅有X、Y染色體，若控制眼色的基因在性染色體上，有幾種可能？ 學生發散思維，紛紛作出假設。假設1：控制眼色的基因在Y染色體上，X染色體上不含它的等位基因。假設2：控制眼色的基因在X染色體上，Y染色體上不含它的等位基因。假設3：控制眼色的基因位于X染色體與Y染色體的同源區。

（3）演繹推理，設計實驗

教師解釋用W表示控制紅眼的基因、w表示控制白眼的基因、基因在性染色體上如何表示。尊重學生，讓學生根據自己提出的假設，畫出果蠅雜交過程的遺傳圖解，分析假設是否能解釋雜交實驗現象。排除假設1，發現假設2和假設3都能解釋實驗現象。

教師提問：為什么假設2與假設3結果一樣呢？分析遺傳圖解，發現原因：Y與Yw在子代中表達效果一樣。追問：應選什么樣基因型的雄果蠅區分兩種假設的Y？引導學生發現假設2雄果蠅含Y，假設3雄果蠅含YW或Yw，選擇Y和YW區分兩種假設的Y，即選基因型XWY、XWYW 的紅眼雄果蠅。繼續提問：選哪種雌果蠅與之測交？學生思考分析后，排除基因型為XWXW 、 XWXw的雌果蠅，選基因型為XwXw的白眼雌果蠅，寫出遺傳圖解，演繹推理、預測實驗結果。

（4）驗證假說，得出結論

資料6：摩爾根測交實驗結果，即野生型紅眼雄果蠅與白眼雌果蠅交配后，子代雌性果蠅全是紅眼，雄性果蠅全是白眼［7］。

學生比較假設2預期結果與科學經典實驗結果，排除假設3，得出“控制果蠅眼色的基因在X染色體上”的結論。教師補充：摩爾根用“假說—演繹”法證明了薩頓的觀點是正確的，隨后進行大量實驗研究，逐漸認同了孟德爾的遺傳規律。

設計意圖：分析薩頓假說提出的原因后，學生對基因與染色體的關系有了初步的認識，此過程訓練了學生比較分析、歸納概括的思維能力。再以科學探究的關鍵環節做支架，設置一系列問題，引導學生逐層深入探究、推理，自主經歷科學家的邏輯思維過程，逐漸建構概念，領會科學知識要經過質疑、創新與實證等方式才能不斷完善。

（三）解釋——歸納總結，深化概念

教師展示減數分裂過程中基因在染色體上的模型圖，提問：減數分裂中等位基因是怎樣分離的？非等位基因是如何組合的？學生在小組討論后，踴躍發言，描述等位基因與非等位基因的變化情況。各小組對比其他小組的解釋，重新思考自己的結論是否正確。學生未能講出的教師做必要的補充，最后師生一起總結孟德爾遺傳規律的實質。

設計意圖：學生經過探究后獲得感性經驗，組內、組間進行交流，在感性認識的基礎上進行抽象概括，科學解釋孟德爾遺傳規律的實質。此過程中，學生思維外化，暴露問題；教師講解問題之處，能幫助學生實現新舊知識間的聯系與整合，使其深入理解基因在染色體上的表現。

（四）遷移——遷移運用，鞏固新知

此環節是讓學生將所學新知識與方法運用到新境中解決問題。具體如下：實驗小組發現一只毛色金黃的雄犬，其毛色性狀是由顯性基因（G）控制，那么該基因是在常染色體上還是性染色體上？如果你是科學家，應該如何設計實驗進行判斷呢？

設計意圖：引導學生學會遷移，解決具體的實際問題，運用“假說—演繹”法判斷基因在染色體上的位置，檢測學生對知識的掌握情況，加深其對概念的理解，進而提升學生的思維品質。

（五）評價——評價驅動，貫穿全程

評價環節既要評價學生的學習結果，也要評價學生的學習過程。課上，教師注意觀察學生自主學習、合作學習的狀態，傾聽學生討論的情況，及時進行點撥，以激發學生的學習動機、促進學生進行反思，對其探究、解釋與遷移環節中結果的展示、思維的展現適時給予恰當評價。鼓勵學生組內、組間對他人的思考結果進行評價，交流各自的觀點，以便發現自身不足，不斷提升和完善自我。

四、教學反思

“基因在染色體上”的結論學生容易記住，但關鍵是理解科學家探究出該結論的過程中所用的思路與方法。將5E教學模式與生物科學史相融合，發揮兩者優勢，用科學史創設情境激發學生的探究興趣，將摩爾根的實驗設計為探究性實驗，引領學生像科學家一樣發現問題、分析問題與解決問題，既動手又動腦，發展思維的靈活性，領悟科學家所用的方法，對培養學生的科學思維能力和科學探究能力大有裨益。但是假說—演繹的過程具有連貫性，而一節課時間略顯緊張，如何更好地設計各個環節，給學生留下充足的思考時間，還需要進一步探究，以期達到更好的教學效果。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 王建，李秀菊.5E教學模式的內涵及其對我國理科教育的啟示［J］.生物學通報，2012（3）：39-42.

［2］? 林細富.基于生物科學史培育生物學學科核心素養［J］.中學生物教學，2022（27）：4-6.

［3］? 趙開勇.孟德爾發現“遺傳定律”過程中體現的科學思維、科學探究能力［J］.中學生物學，2021（7）：7-9，40.

［4］? 王永勝.生物學核心概念的發展：高中生物新課程的科學史資源［M］.2版.北京：人民教育出版社，2022.

［5］? 唐曉明.薩頓假說“基因在染色體上”的推理方法［J］.中學生物教學，2016（7）：51-52.

［6］? 吳成軍.生物學學科核心素養的教學與評價［M］.上海：華東師范大學出版社，2020：114.

［7］? 謝仁榮.摩爾根果蠅雜交實驗基因定位假設的科學史［J］.中學生物教學，2019（合刊1）：109-111.