提升學生理性思維的“基因突變”教學設計

彭菲菲

(江蘇省溧陽中學 213300)

1 教材分析

“基因突變”是人教版高中生物學教材必修2《遺傳與進化》第5章“基因突變及其他變異”第1節的內容。本節既是對前面所學的基因的概念、存在部位及功能等合乎邏輯的延續和拓展，又是學習后面誘變育種和現代生物進化理論的重要基礎。學生之前學習的“生物遺傳”都是圍繞著基因結構的穩定性展開的，而“基因突變”是從基因復制時出現的不穩定性入手闡述生物的變異，是學生認識生物“不變”到“變”的轉折點，因此基因突變的概念、特點及原因是本節課的重點。基因突變對生物性狀的影響較為復雜，是本節課的難點，教學中通過模型與建模、合作探究、綜合應用以前所學知識的基礎上來幫助學生深刻理解。

2 教學目標

2.1 知識目標 說出基因突變的概念、原因、特點及其對生物性狀的影響和意義。

2.2 能力目標 運用模型與建模、中心法則等理解基因突變對生物性狀的影響，提升理性思維能力；通過資料分析提高獲取信息和理論聯系實際的能力。

2.3 情感態度與價值觀目標 列舉生活中的誘變因素，踐行生物學知識的傳播與實踐，樹立健康生活和關愛生命的觀念；用辯證唯物主義的觀點認識生物體和生物界。

3 教學過程

3.1 創設情境——激發思維并導入主題 課件展示資料情境： 1910年，芝加哥赫里克醫生的診所來了一位黑人病患，他面無血色，四肢無力，是嚴重的貧血病癥狀。可使用了所有能治療貧血病的藥物，卻無效。經血液檢查發現其紅細胞呈又長又彎的鐮刀形，該病被稱為鐮刀型細胞貧血癥。設疑： 假如你就是那個醫生，要追蹤病因，利用已有的知識，下一步該檢查什么？引導學生思考得出： 應對其氨基酸序列分析，根據氨基酸分析結果，設置問題鏈： 為什么谷氨酸會被纈氨酸取代？根本原因是什么？氨基酸由什么直接決定？密碼子又由什么決定？DNA如何控制蛋白質合成的？學生回憶基因表達的相關內容，引出對其DNA進行分析，最終得出結論： 鐮刀型細胞貧血癥是由基因突變引起的疾病。引出基因突變的概念。

設計意圖： 創設思維情境，引發學生身臨其境，激發思維興趣，從宏觀到微觀引導學生分析病因，引入主題的同時，以問題鏈的形式幫助學生回憶基因表達的相關內容，為下面構建模型提供知識的“支架”。

3.2 物理模型——生成基因突變的概念 展示正常基因的平面模型(圖1，不同顏色的夾子代表不同堿基)，如果它發生了基因突變，會變成怎樣呢？讓學生小組合作，嘗試制作突變后的基因片段的平面結構模型，并進行展示，學生相互補充和完善、歸納總結出堿基對的變化類型： 增添、缺失和替換。在此基礎上讓學生給基因突變下一個定義。此后，讓學生進行思維辨析： DNA分子中任何堿基對的變化，都能導致基因結構發生變化嗎？基因突變是否會改變基因的數量和位置呢？由此引申出基因突變概念的內涵和外延。

圖1 正常基因的平面模型

設計意圖： 通過物理模型的建構，學生在合作與交流中思維相互碰撞，由表及里地整理和改造，使學生在獲得感性材料的真切體驗中生成概念，理解基因突變的概念內涵，把握概念外延。

3.3 模型探究——基因突變對生物性狀的影響 基因突變中堿基對的3種變化對生物性狀的影響相同嗎？請學生再次利用手中的模型，小組合作： 探究基因中一個堿基對的增添、缺失或替換對性狀的影響。并進一步讓學生進行思維辨析： ①不考慮終止密碼子，你認為哪種突變對生物性狀影響最小？為什么？②基因突變，生物性狀一定改變嗎？為什么？③研究發現： 鐮刀型細胞貧血癥若氧氣充足，紅細胞都是正常的圓餅狀；若氧氣相對缺乏，雙隱個體全部紅細胞都變成鐮刀狀，雜合個體則部分紅細胞(約一半)變成鐮刀狀態。根據這個資料，你可以得出什么結論？學生發言后，教師進行總結。

設計意圖： 在模型建構的基礎上，以問題為先導，引導學生進行探究，通過聯想類比，激活學生理性思維，突破疑難。

3.4 質疑猜測——思維碰撞了解基因突變的原因 思考討論： ①基因結構具有相對的穩定性，為什么會發生突變呢？②細胞分裂的什么時期最易突變？③基因突變的內因是什么？誘發基因突變的外因有哪些？當學生明確了基因突變的內因，教師設疑： 自然條件下DNA復制發生錯誤的頻率高嗎？是否只有有性生殖的生物才會發生基因突變？細菌和病毒能發生嗎？

當學生滿腹疑惑時，教師展示資料： 人類、玉米、小鼠、大腸桿菌等生物的幾種基因在自然狀態下的突變頻率。這樣以基因突變的原因為知識的“生長點”，衍生出基因突變的低頻性和普遍性特點。教師進一步設疑： 哪些外界因素會提高突變率？舉例生活中誘發因素有哪些？怎樣預防？教師鼓勵學生質疑、猜測，相互補充。

設計意圖： 通過設疑、學生的猜測來引導學習，有利于學生思維的磨練、智慧的提升。在學生思維陷入僵局時，通過資料的展示給學生搭建思維臺階，并衍生出新的知識，引導學生踐行生物學知識的傳播與實踐，樹立健康生活和關愛生命的觀念。

3.5 資料分析——學習基因突變的特點 提問： 鐮刀型細胞貧血癥是由基因突變引起的疾病。基因突變都是有害的嗎？并提供情境資料： 鐮刀型細胞貧血癥主要流行于非洲瘧疾猖獗的地區，具有一個鐮刀型細胞貧血癥的個體(雜合子)并不表現鐮刀型細胞貧血癥的癥狀，并對瘧疾具有較強的抵抗力。讓小組分析并討論從資料中獲取的信息，了解和體會變異的有利、有害不是絕對的。

呈現“并指、白化病、超過100kg的太空南瓜”等圖片資料，讓學生歸納總結出基因突變的特點，并用自己的語言嘗試解釋每一個特點的含義。

設計意圖： 通過情境資料鍛煉學生批判性思維能力，樹立辯證唯物主義思想，訓練思維的靈活性和深刻性。

3.6 數學模型，邏輯推理基因突變的意義 小組合作構建基因種類與基因型種類的數量關系模型。這些新的表現型對生物的生存有什么意義？自然環境會選擇哪些個體生存下來？師生推理： 基因突變產生多種表現型，使得自然界生物具有多樣性，供自然環境選擇。所以，基因突變為生物的進化提供了原始材料，是生物變異的根本來源。

設計意圖： 構建數學模型推理出基因突變與進化的關系，鍛煉學生的邏輯思維能力，使學生更直觀、更科學地體驗基因突變對生物進化的意義。

3.7 概念模型，內化思維進行課堂小結 引導學生將基因突變的內涵、外延、原因、特點、意義等概念要素整合形成概念圖(圖2)。進一步讓學生思維拓展： 鐮刀型細胞貧血癥，你有什么治療方案嗎？

圖2 基因突變的概念模型

設計意圖： 通過構建概念模型有利于學生梳理本節課的重難點，洞悉概念要素之間的聯系并使之整合，內化思維。通過思維拓展，激發學生關愛生命，培養學習生物學的興趣和志向。

4 教學反思

本節課的教學設計以鐮刀型細胞貧血癥為主線，按照認知的規律從現象到概念，從宏觀到微觀分析與綜合、建構模型，生成概念。通過設置層層遞進的思維辨析活動，引導學生聯想類比，合作交流，體會基因突變對性狀的影響，實現從感性思維到理性思維的飛躍。教學中，將教師講解的內容轉變成學生的探究內容，引導學生質疑猜測、資料分析、邏輯推理，激發學生思維的碰撞，在有效解決問題中提升理性思維。