提升学生理性思维的“基因突变”教学设计

彭菲菲

(江苏省溧阳中学 213300)

1 教材分析

“基因突变”是人教版高中生物学教材必修2《遗传与进化》第5章“基因突变及其他变异”第1节的内容。本节既是对前面所学的基因的概念、存在部位及功能等合乎逻辑的延续和拓展，又是学习后面诱变育种和现代生物进化理论的重要基础。学生之前学习的“生物遗传”都是围绕着基因结构的稳定性展开的，而“基因突变”是从基因复制时出现的不稳定性入手阐述生物的变异，是学生认识生物“不变”到“变”的转折点，因此基因突变的概念、特点及原因是本节课的重点。基因突变对生物性状的影响较为复杂，是本节课的难点，教学中通过模型与建模、合作探究、综合应用以前所学知识的基础上来帮助学生深刻理解。

2 教学目标

2.1 知识目标 说出基因突变的概念、原因、特点及其对生物性状的影响和意义。

2.2 能力目标 运用模型与建模、中心法则等理解基因突变对生物性状的影响，提升理性思维能力；通过资料分析提高获取信息和理论联系实际的能力。

2.3 情感态度与价值观目标 列举生活中的诱变因素，践行生物学知识的传播与实践，树立健康生活和关爱生命的观念；用辩证唯物主义的观点认识生物体和生物界。

3 教学过程

3.1 创设情境——激发思维并导入主题 课件展示资料情境： 1910年，芝加哥赫里克医生的诊所来了一位黑人病患，他面无血色，四肢无力，是严重的贫血病症状。可使用了所有能治疗贫血病的药物，却无效。经血液检查发现其红细胞呈又长又弯的镰刀形，该病被称为镰刀型细胞贫血症。设疑： 假如你就是那个医生，要追踪病因，利用已有的知识，下一步该检查什么？引导学生思考得出： 应对其氨基酸序列分析，根据氨基酸分析结果，设置问题链： 为什么谷氨酸会被缬氨酸取代？根本原因是什么？氨基酸由什么直接决定？密码子又由什么决定？DNA如何控制蛋白质合成的？学生回忆基因表达的相关内容，引出对其DNA进行分析，最终得出结论： 镰刀型细胞贫血症是由基因突变引起的疾病。引出基因突变的概念。

设计意图： 创设思维情境，引发学生身临其境，激发思维兴趣，从宏观到微观引导学生分析病因，引入主题的同时，以问题链的形式帮助学生回忆基因表达的相关内容，为下面构建模型提供知识的“支架”。

3.2 物理模型——生成基因突变的概念 展示正常基因的平面模型(图1，不同颜色的夹子代表不同碱基)，如果它发生了基因突变，会变成怎样呢？让学生小组合作，尝试制作突变后的基因片段的平面结构模型，并进行展示，学生相互补充和完善、归纳总结出碱基对的变化类型： 增添、缺失和替换。在此基础上让学生给基因突变下一个定义。此后，让学生进行思维辨析： DNA分子中任何碱基对的变化，都能导致基因结构发生变化吗？基因突变是否会改变基因的数量和位置呢？由此引申出基因突变概念的内涵和外延。

图1 正常基因的平面模型

设计意图： 通过物理模型的建构，学生在合作与交流中思维相互碰撞，由表及里地整理和改造，使学生在获得感性材料的真切体验中生成概念，理解基因突变的概念内涵，把握概念外延。

3.3 模型探究——基因突变对生物性状的影响 基因突变中碱基对的3种变化对生物性状的影响相同吗？请学生再次利用手中的模型，小组合作： 探究基因中一个碱基对的增添、缺失或替换对性状的影响。并进一步让学生进行思维辨析： ①不考虑终止密码子，你认为哪种突变对生物性状影响最小？为什么？②基因突变，生物性状一定改变吗？为什么？③研究发现： 镰刀型细胞贫血症若氧气充足，红细胞都是正常的圆饼状；若氧气相对缺乏，双隐个体全部红细胞都变成镰刀状，杂合个体则部分红细胞(约一半)变成镰刀状态。根据这个资料，你可以得出什么结论？学生发言后，教师进行总结。

设计意图： 在模型建构的基础上，以问题为先导，引导学生进行探究，通过联想类比，激活学生理性思维，突破疑难。

3.4 质疑猜测——思维碰撞了解基因突变的原因 思考讨论： ①基因结构具有相对的稳定性，为什么会发生突变呢？②细胞分裂的什么时期最易突变？③基因突变的内因是什么？诱发基因突变的外因有哪些？当学生明确了基因突变的内因，教师设疑： 自然条件下DNA复制发生错误的频率高吗？是否只有有性生殖的生物才会发生基因突变？细菌和病毒能发生吗？

当学生满腹疑惑时，教师展示资料： 人类、玉米、小鼠、大肠杆菌等生物的几种基因在自然状态下的突变频率。这样以基因突变的原因为知识的“生长点”，衍生出基因突变的低频性和普遍性特点。教师进一步设疑： 哪些外界因素会提高突变率？举例生活中诱发因素有哪些？怎样预防？教师鼓励学生质疑、猜测，相互补充。

设计意图： 通过设疑、学生的猜测来引导学习，有利于学生思维的磨练、智慧的提升。在学生思维陷入僵局时，通过资料的展示给学生搭建思维台阶，并衍生出新的知识，引导学生践行生物学知识的传播与实践，树立健康生活和关爱生命的观念。

3.5 资料分析——学习基因突变的特点 提问： 镰刀型细胞贫血症是由基因突变引起的疾病。基因突变都是有害的吗？并提供情境资料： 镰刀型细胞贫血症主要流行于非洲疟疾猖獗的地区，具有一个镰刀型细胞贫血症的个体(杂合子)并不表现镰刀型细胞贫血症的症状，并对疟疾具有较强的抵抗力。让小组分析并讨论从资料中获取的信息，了解和体会变异的有利、有害不是绝对的。

呈现“并指、白化病、超过100kg的太空南瓜”等图片资料，让学生归纳总结出基因突变的特点，并用自己的语言尝试解释每一个特点的含义。

设计意图： 通过情境资料锻炼学生批判性思维能力，树立辩证唯物主义思想，训练思维的灵活性和深刻性。

3.6 数学模型，逻辑推理基因突变的意义 小组合作构建基因种类与基因型种类的数量关系模型。这些新的表现型对生物的生存有什么意义？自然环境会选择哪些个体生存下来？师生推理： 基因突变产生多种表现型，使得自然界生物具有多样性，供自然环境选择。所以，基因突变为生物的进化提供了原始材料，是生物变异的根本来源。

设计意图： 构建数学模型推理出基因突变与进化的关系，锻炼学生的逻辑思维能力，使学生更直观、更科学地体验基因突变对生物进化的意义。

3.7 概念模型，内化思维进行课堂小结 引导学生将基因突变的内涵、外延、原因、特点、意义等概念要素整合形成概念图(图2)。进一步让学生思维拓展： 镰刀型细胞贫血症，你有什么治疗方案吗？

图2 基因突变的概念模型

设计意图： 通过构建概念模型有利于学生梳理本节课的重难点，洞悉概念要素之间的联系并使之整合，内化思维。通过思维拓展，激发学生关爱生命，培养学习生物学的兴趣和志向。

4 教学反思

本节课的教学设计以镰刀型细胞贫血症为主线，按照认知的规律从现象到概念，从宏观到微观分析与综合、建构模型，生成概念。通过设置层层递进的思维辨析活动，引导学生联想类比，合作交流，体会基因突变对性状的影响，实现从感性思维到理性思维的飞跃。教学中，将教师讲解的内容转变成学生的探究内容，引导学生质疑猜测、资料分析、逻辑推理，激发学生思维的碰撞，在有效解决问题中提升理性思维。