基于最新文献资源的“基因对性状的控制”教学设计

文可佳

(北京市十一学校 100039)

1 教材分析

“基因对性状的控制”是人教版高中生物学教材必修2第4章第2节的内容，是基于“基因指导蛋白质的合成”，进一步阐明基因、蛋白质与性状之间的关系，并归纳出生物学中的基本规律——中心法则，同时本节课材料中出现的异常性状，将为“基因突变及其他变异”的学习打下伏笔，在前后知识关联上具有纽带作用。

由于基因、性状与蛋白质之间关系的知识性内容简单，学生较易理解，因此，传统授课多以讲授式的教学方法为主。在生物学科核心素养导向下，为让学生在获得基础知识的同时，领悟到生物学家在科学探究过程中解决问题的思路和方法，笔者精选最新发表的学术论文，在教学过程中引导学生通过层层递进的原始数据分析，自主生成基因、蛋白质与性状之间的关系。同时，增强学生的逻辑推理能力和分析能力。

2 教学目标

2.1 知识目标 说出基因、蛋白质与性状之间的关系，概括中心法则及其发展。

2.2 能力目标 通过小组合作，学生具有在全新情境中分析实验数据，归纳出基因、蛋白质与性状之间关系的能力。

2.3 情感态度与价值观目标 通过基于原始文献的材料分析，体会科学家探索未知的科学思路与方法。

3 教学过程

3.1 通过简明问题导入 学生已知基因是具有遗传效应的DNA片段，基因可以指导蛋白质的合成，蛋白质是生命活动的承担者。教师提出问题：基因、蛋白质和性状之间是怎样的关系？通过简明的问题引入新课，让学生迅速进入学习状态。

3.2 基于文献资源的材料分析 通过基于文献材料的分析，可令学生对于简单知识背后大量的科学探索过程具有清晰认识，借此提高学生的归纳、概括以及逻辑推理能力。

3.2.1 通过文献材料分析基因与性状之间关系 以科学史上科学家探索基因与性状之间关系的经典实验为例，带领学生像科学家一样思考问题，逐步探索基因和性状之间究竟是怎样的关系。

首先，教师提供全新情境，已知在人、小鼠和果蝇中，控制眼睛发育的基因均为Pax6及其同源物[1，2]，请学生猜测，科学家如何证明Pax6基因和眼睛发育性状之间的对应关系？

学生小组讨论后，提出实验方案：将基因破坏掉，观察生物体对应的性状是否被破坏。教师随后展示科学家的实验结果，人类Pax6同源基因出现异常，会导致无虹膜性状的遗传病。将小鼠或者果蝇中的Pax6同源基因敲除后，小鼠及果蝇的眼睛受到破坏(图1)。学生总结实验结果：基因可以控制性状。

图1 Pax6基因及其同源物突变影响果蝇、小鼠与人的眼睛发育[2]

教师介绍科学史：当时有一个科学家进行了进一步推测，他认为基因对性状的控制是决定性的，当把控制眼睛的基因引入生物体身体的其他部位表达，仍然可以在那个位置重新诱导眼睛的产生。他的假设遭到了同时代生物学家的质疑，其他人认为该基因脱离原来的微环境，不可能具有功能。从而引导学生讨论，你认为该科学家的假设合理吗？

进一步向学生介绍，该科学家顶着巨大压力，做了这个大家认为不可行的实验，将控制眼睛发育的基因转到果蝇身体的其他部位，可以在果蝇头部、翅膀、触角和腿部诱导眼睛产生，最多可以在同一只果蝇身上诱导产生14只复眼。带领学生总结：该实验结果说明，基因对性状的控制不受环境的影响，改变了场所，脱离了原来基因表达的微环境，基因依旧可以控制性状。由此，科学家通过一正一反的双重证据，充分证明了基因可以控制性状。借助此文献材料，可加深学生对“基因可以控制性状”的理解。

3.2.2 通过文献材料分析基因、蛋白质与性状之间的关系 在分析得到基因与性状之间的关系之后，接下来的问题是：作为生命活动承担者的蛋白质，和基因、性状之间有着怎样的关系？

向学生介绍文献材料：水熊是目前已知地球上生命力最顽强的生物，水熊抗辐射的能力是人类的千倍之多[3]。科学家希望将水熊的抗辐射基因转移到人体，是否会让人也具有抗辐射的能力？由此引入2016年发表于自然子刊的数据，Hashimoto等在水熊中发现抗辐射基因Dsup，他们将Dsup基因转入人类细胞[4]，如图2所示。以问题串的形式引导学生思考，该实验的自变量与因变量分别是什么？为什么要做左图无辐射处理的实验？三条曲线分别代表什么含义？右图转入Dsup基因且抑制蛋白组和对照组对比说明什么？

图2 将水熊抗辐射基因转入到人体细胞实验[4]

学生小组讨论后，带领学生分析，转入Dsup基因组实验说明：在人类细胞中转入水熊体内的抗辐射基因后，人细胞死亡率迅速降低(图2)，说明转入Dsup DNA可以令人细胞抗辐射。转入Dsup基因且抑制蛋白组实验说明，在转入Dsup DNA但同时抑制蛋白质合成的情况下，人细胞仍然会迅速死亡，表明即使有基因存在，没有蛋白质，人细胞仍没有抗辐射的能力。最后进行总结：基因是通过控制蛋白质从而控制性状，由此得出基因、蛋白质与性状之间的关系。

3.2.3 通过文献材料分析环境在基因与性状关系中的作用 继续引导学生思考：基因、蛋白质与性状之间是简单的线性关系吗？环境在其中会不会有影响？从而引入关于肠道菌群与肥胖性状之间关系的研究材料。向学生介绍，在一个成年人的体内，具有超过一百种微生物，构成人的肠道微生物菌群。带领学生分析图3，经常吃低脂肪和高脂肪食物的小鼠，其肠道中微生物的种类和数量具有巨大差异，最终会直接导致小鼠是否肥胖。另外，肠道微生物较健康的小鼠粪便中具有大量可令身体保持苗条的微生物，将这些微生物提取出来令肥胖小鼠吸收，可以让肥胖小鼠保持苗条。最后学生总结该文献结论：食物(环境)可以在很大程度上影响性状，表现型是基因与环境共同作用的结果。

图3 食物(环境)通过影响肠道微生物菌群而影响小鼠胖瘦(表型)[5]

3.3 学生对于中心法则的自主构建 学生分为小组，回顾旧知，通过阅读教材和小组讨论的方式自主构建出细胞生物和噬菌体等DNA病毒、烟草花叶病毒等大部分RNA病毒以及HIV等逆转录病毒的中心法则。

3.4 前沿拓展与个性化评价 新课标(征求意见稿)要求学生举例说明某些基因序列不变、但表型改变的表观遗传现象，因此在本课结束时做适当拓展，结合个性化评价，充分调动学生对于生物学学习的积极性，增强学生关注前沿问题的意识。

提出问题：在同一个家庭成长的同卵双胞胎的基因序列完全相同，为什么还存在双胞胎性格迥异的情况？从而引导学生思考，有没有基因序列不变，但可产生可遗传变异的表观遗传现象？由此留出个性化作业，学生分组观看朱冰与饶毅两位科学家针对表观遗传作用的辩论，学生根据辩论提出自己的观点，通过搜集资料，运用本堂课学习到的材料分析方法、加以说明，最终小组提交海报进行展示。

4 教学反思

生物学科教学，除让学生获得基础的生物学知识外，也需让学生领悟到生物学家在科学探究过程中解决问题的思路和方法。然而，教学中发现学生分析生物学材料以及理解生物学科本质的能力较弱，是生物学教学的痛点之一。

为尝试解决以上问题，本节“基因对性状的控制”教学中，并未采取传统知识讲授的方式，将基因、蛋白质、性状与环境之间的关系直接告知学生，而是将发表于国际期刊的原始文献引入高中日常教学，通过层层递进的材料剖析，学生根据实验结果，自主生成基因与性状、蛋白质与性状以及环境与性状之间关系的知识框架。在教学过程中，发现学生经过一段时间的类似训练，可逐渐理解生物学知识的得出并非依据直觉，而是有着庞大的实验体系和科学探索作为依托，学生的理性思维和科学探究能力得以提高。