基于單元整體教學的“基因突變可能引起性狀改變”課時教學設計

虞銀江

摘 要 以“基因突變可能引起性狀改變”一節為例，按“情境—問題—任務—活動—評價”的主線，闡述基于單元整體教學的課時教學設計，提升學生的核心素養水平。

關鍵詞 單元整體教學 基因突變 教學情境

中圖分類號 Ｇ633. 91 文獻標志碼 B

1 單元整體的設計

“生物的變異”單元聚焦《義務教育生物學課程標準（2022年版）》中的重要概念“由基因突變、染色體變異和基因重組引起的變異是可以遺傳的”，該重要概念由4個次位概念形成，支撐大概念“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”的建構，支持大概念“生物的多樣性和適應性是進化的結果”的學習。這些概念之間的關系如圖1所示。

該單元要解決的核心問題為：① 為什么生物在遺傳過程中存在變異現象？② 如何開發有利變異、減少不利變異？單元情境以“育優良后代”為導向，選取番茄育種為主情境統領單元學習，選取新生兒遺傳病為次情境，有助于學生深入理解“優良后代”的含義。番茄是生活中常見的蔬菜，在育種方面有大量成果，育種涉及的基因突變、基因重組等可遺傳變異與本單元知識內容的契合度較好。人類遺傳病也是由于遺傳物質異常而導致個體患病，與學生的生活聯系更加緊密。

單元核心問題是抽象、脫離情境的，合適的單元情境能與單元核心問題有機整合，產生具體的單元問題，有效串聯各課時教學（圖2），因此單元問題設定為： （1）培育形色各不相同的番茄品種背后的生物學原理是什么？ （指向核心問題①）； （2）如何根據不同要求和目的選擇合適的育種方式？如何根據人類遺傳病的發病原理進行檢測和預防？ （指向核心問題②）。學生學習課時內容的過程就是解決單元問題的過程，因此也強化了遷移運用知識的能力。

2 課時教學分析

本課時為單元教學的第一課時。基因突變是基因中堿基序列的改變。這種改變是可遺傳的，可能導致所編碼的蛋白質及相應的細胞功能發生變化，甚至帶來致命的后果。基因突變是生物變異的根本來源，是生物進化的原始材料，在生物育種如太空誘變育種等領域有重要作用。本節內容有助于學生深入理解基因對性狀控制的復雜性，從本質上理解基因重組和染色體結構變異對生物帶來的影響，培養學生辯證看待遺傳物質的變與不變的意義和作用，使學生進一步建立結構與功能觀、進化與適應觀，發展科學思維、樹立社會責任感。

學生已經學習了基因的遺傳規律、基因的本質、基因的表達等內容，知道基因是有遺傳效應的DNA片段，DNA的雙螺旋結構和半保留復制的機制都保證了親代DNA的遺傳信息能夠準確傳遞給子代。生物的變異既是學生能感知的現象，又與學生認知中遺傳物質保持穩定的特性相矛盾，學生感到既好奇又困惑，這種認知沖突是開展教學的良好契機。同時學生對社會熱點話題非常感興趣，能積極主動搜尋資料并開展討論。

3 課時情境、子問題與子任務

從單元情境中提取適合本課時教學的情境，提煉課時子問題并設計子任務。課時情境：番茄的黃果肉（r）是由紅果肉（R）基因突變產生，缺乏八氫番茄紅素合成酶，番茄紅素合成受阻。課時子問題：為什么基因突變后生物的性狀可以發生改變？子任務：探索基因突變。

4 指向核心素養的教學目標

（1）概述基因突變的概念，闡明基因突變的結果；舉例說出基因突變的誘因；說明基因突變的意義及其在育種上的應用。

（2）能收集太空育種的資料并分類整理。

（3）分析并歸納基因突變的特點，分析基因突變可能不影響性狀的原因；簡單論證太空育種帶來的利弊。

（4）認同我國培育適應極端條件作物的價值和深遠意義。

5 教學過程

5.1 創設單元情境，提出核心任務

教師展示單元情境：番茄營養價值的資料、常見的各種番茄品種的圖片。提出單元問題（1）培育形色各不相同的番茄品種背后的生物學原理是什么？

設計意圖：本課時是單元教學的第一課，首先展示單元情境和單元問題，讓學生在學習時始終能圍繞主題、抓住關鍵。選擇生活化的情境并設置單元主題，能有效激發學生的興趣。

5.2 聚焦課時情境，落實概念建構

5.2.1 活動1：探究基因突變的方式和結果，分析基因突變可能不影響性狀的原因。

教師呈現資料1：番茄的黃果肉（r）是由紅果肉（R）基因突變產生，缺乏八氫番茄紅素合成酶，番茄紅素合成受阻。呈現資料2：正常基因（R）和突變基因（r）的序列片段（圖3）。提問：為什么堿基對發生替換，導致細胞缺乏八氫番茄紅素合成酶？要求學生分析上述兩個基因表達的氨基酸序列（并作說明：以上面的鏈為模板鏈，各片段均位于啟動部位之后，9個堿基均能轉錄）。

學生寫出R和r基因表達的氨基酸序列，從序列異常角度來理解細胞缺乏正常的酶。

設計意圖：圍繞番茄育種這個單元情境提供真實資料，提升情境的統領性和學生思考問題的積極性。以直觀的基因序列為對象，引導學生分析并建構基因突變的概念。通過書寫密碼子、檢索氨基酸，讓學生用基因表達的知識來分析基因突變的結果，強化“基因控制性狀”概念的理解。

教師提問：還有什么方式會引起基因突變，會對氨基酸序列帶來什么影響？布置小組任務：每個小組分析一段序列（圖4），描述該段序列與R基因序列的差異；利用基因表達的知識，分析氨基酸序列（要求同上）。

學生小組合作完成序列分析；聽取不同小組的結果匯報，并作出合理評價。

設計意圖學生通過小組合作討論解決問題，各小組的討論結果作為共同的學習材料，能有效提升學習效果。通過分析不同突變方式的結果，學生對突變帶來的影響有了直觀的感受，能初步理解本節的標題“基因突變可能引起性狀改變”。

利用氨基酸序列結果，學生歸納“替換帶來的影響相對最小”這一結論。教師引導學生利用資料3 （圖5）深入理解基因突變及其對性狀的影響：DNA分子上堿基對缺失、插入或替換引起的核苷酸序列變化，都可以稱為基因突變嗎？基因突變可能引起性狀改變，換個角度看，基因突變可能不會引起性狀改變，可能的原因有哪些呢？

學生討論并得出結論： （1）只有發生在基因內部的堿基對變化，才能引起基因突變。 （2）突變后性狀不發生改變的原因包括：① 成熟mRNA序列改變，氨基酸序列未變；② 成熟mRNA序列未變，氨基酸序列未變；③ 氨基酸序列改變，蛋白質功能未變。

設計意圖：利用基因和DNA的模式圖作為支架，對基因突變的概念進行剖析，落實課時概念的理解。提供圖片資料，引導學生獲取信息、分析推理。學生利用信息從不同方面解釋“基因突變可能引起性狀改變”，提升概念的深度理解。

活動1小結：教師完善部分板書并總結：堿基對序列改變，可能導致mRNA序列改變，可能導致氨基酸序列改變，可能產生異常蛋白質，可能體現新性狀。因此基因突變可能產生新性狀。如果這個新性狀是人們感興趣的，有一定經濟價值的，如紅果肉番茄突變成黃果肉番茄，那么可以加以栽培利用，也就是可以應用于育種領域。

5.2.2 活動2：歸納基因突變的特點、列舉基因突變的誘因

基因突變可能會引起性狀改變，這種可能性有多大呢？教師呈現資料4見表1。

學生利用資料歸納基因突變的5個特點并完成記錄表（表1）。教師過渡：基因自發突變的概率非常低，希望通過自發突變產生新性狀可能性非常小。人們想到了可以利用一些技術方法誘導以提高突變率。

教師呈現資料5： （1）經過太空“旅行”的番茄。太空番茄是將普通番茄種子搭載于航天衛星，經過太空的特殊環境處理后，內部結構發生激變。太空番茄的維生素含量高于普通番茄2倍以上，對人體有益的微量元素含量鐵提高7.3%、鋅提高21.9%、銅提高26.5%、磷提高21.9%、錳提高13.1%、胡蘿卜素提高5.88%。

（2）本研究以番茄品種“JW9”為誘變原材料，利用不同濃度的化學誘變劑EMS（甲基磺酸乙酯）誘變處理加工番茄種子，根據種子的萌發情況，篩選EMS誘變番茄種子的半致死劑量，通過表型鑒定、定向篩選等方法對子代群體進行耐鹽突變體的篩選與鑒定，以期建立番茄耐鹽突變體的篩選與鑒定技術體系，獲得豐富的番茄耐鹽種質材料。

學生總結誘發基因突變的因素包括物理因素、化學因素。教師補充生物因素在誘導基因突變中的應用。

設計意圖：引導學生分析資料并歸納提取基因突變的特點，提升學生的科學思維能力。利用基因突變的特點引出番茄育種中有關誘變的資料，進一步凸顯情境的貫穿作用，培養學生獲取信息、歸納整合的能力。

活動2小結：教師總結并完成板書（圖6），以概念圖形式呈現課堂板書，引導學生利用概念模型將關鍵知識進行梳理和構建。學生在比較、抽象、推理等思維過程中逐步形成課時概念結構。

5.3 課堂評價

學生以“太空育種”為主題匯報小組觀點。匯報員從觀點、證據（材料）、推理三個方面闡述，評分員利用評分規則（表2）進行評價。

設計意圖 ：聯系實際，以所學知識分析評論當下社會熱點話題。學生通過收集資料、分析討論，形成對太空育種的小組觀點，并應用論證的模式闡述觀點，有效提升理性思維能力和社會責任感。

6 教學反思

本節課聚焦重要概念“由基因突變、染色體變異和基因重組引起的變異是可以遺傳的”下的子概念“基因突變可能引起性狀改變”。在單元情境“番茄育種”的統領下，以“情境-問題-任務-活動-評價”為主線開展教學設計，整體思路清晰、重點突出，活動目標明確，學生參與度高，取得了較好的效果。教學的亮點主要體現在兩方面。一方面是基于真實情境提出問題，將問題解決與概念建構較好地融合。課堂從學生熟悉的紅果肉、黃果肉番茄這一對相對性狀為起點，依次進行基因突變的方式、結果、特點、誘變因素等內容的學習，最后用概念圖進行整理。這樣的處理使概念建構為明線、問題解決為暗線，學生通過活動積累感性認識、進而建構概念的同時，單元問題也能得到逐步解決。另一方面是設計不同活動，多角度培養核心素養。如運用基因模型，較好地落實生命觀念：通過給學生提供不同突變方式的基因序列，推斷基因結構改變可能導致其編碼的蛋白質功能發生改變，進而可能導致性狀改變，讓學生體會結構與功能相適應的觀點。又如：學生通過收集太空育種的資料并提煉自己的觀點，關注熱點和其背后的科學、社會因素，提升科學思維習慣、增強自身的社會責任意識。

參考文獻：

［1］ 周初霞等.聚焦重要概念的生物學單元教學課例研究［M］.浙江：浙江科學技術出版社，2021：95.

［2］ 汪斌.甲基磺酸乙酯（EMS）誘變加工番茄耐鹽突變體的篩選與鑒定［D］.新疆：石河子大學，2016.