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基于融会贯通学科理论的案例研究

作者:jiaoshilw.com 更新时间:2018/2/5 15:37:49

 在培养学生核心素养的高中生物教学过程中,既有概念原理生成的实验探究教学,又有依据生命过程融会贯通学科理论的教学;后者既是教师专业发展的重要环节,也是学生内化生命观念和训练思维能力的重要途径。下面以高中生物的遗传变异理论为例,依据遗传物质在物种世代交替中传递或改变的过程,先建构基因的遗传规律、基因突变、基因重组、染色体变异、遗传变异育种和DNA结构复制转录翻译等遗传变异过程的模型;然后对模型蕴含的遗传变异理论进行纵向梳理和横向比较,使学生在理解掌握知识关系的过程中,建构遗传变异理论体系。 
  1 建构物种世代交替过程模型 
  为了揭示物种世代交替过程蕴含的遗传变异机理,可以把物种个体形成精细胞或卵细胞的减数分裂过程、受精卵形成过程、细胞有丝分裂过程和形成物种性成熟个体示意图,通过三组实线和一组虚线连接成物种世代交替过程模型(图1)。围绕物种世代交替过程模型,教师可以引导学生分别讨论减数分裂、受精作用、细胞有丝分裂、细胞的生长分化和生物个体成熟过程蕴含的生物学理论,生成世代交替过程的遗传变异理论;其中减数分裂和有丝分裂过程中染色体行为数目变化和前中后期示意图的比较辨析是重点内容。 
  在形成精细胞或卵细胞的减数分裂过程中,围绕染色体的行为数目、染色单体和DNA的数目变化可以讨论以下问题:① 间期染色体复制的过程和结果;② 减数第一次分裂过程结果;③ 次级精母细胞或次级卵母细胞无同源染色体的原因;④ DNA数目和染色单体数目在细胞分裂过程的变化;⑤ 染色体复制一次和细胞分裂两次导致精细胞或卵细胞染色体数目减半的原理;⑥ 细胞质是否均等缢裂;⑦ 同源染色体的变化。 
  在形成动物体细胞或植物体细胞的有丝分裂过程中,可以讨论以下问题:① 间期染色体复制;② 分裂期染色体的行为和结果;③ 染色体复制一次细胞分裂一次、亲子代细胞染色体组成的稳定等问题;④ 染色单体和DNA的数量变化;⑤ DNA复制、转录和翻译的遗传过程。 
  在减数分裂和动物细胞有丝分裂过程中,前期、中期和后期各涉及五幅图像的比较辨析,比较辨析指标主要包括细胞中有无同源染色体、两极有无同源染色体、有无联会(四分体)行为、同源染色体或姐妹染色体分离等。如用有无同源染色体分离和细胞质是否均等分裂两项指标,可以确定初级精母细胞和初级卵母细胞后期图像;用细胞两极是否有同源染色体和细胞是否均等分裂两项指标,可以确定动物细胞有丝分裂后期图像、次级精母细胞后期图像和次级卵母细胞后期图像。 
  2 建构物种性状遗传过程模型 
  在物种世代交替的减数分裂过程中,出现了同源染色体的分离和非同源染色体自由组合的遗传现象。当一对同源染色体只涉及一对等位基因时,伴随发生了等位基因的分离和非等位基因的自由组合;蕴含着与一对同源染色体相关的基因分离遗传规律,与两对同源染色体相关的基因自由组合遗传规律,与性染色体相关的性别决定和伴性遗传规律,与一对性染色体和一对常染色体相关的基因自由组合遗传规律;基因或性染色体控制生物性状的遗传规律,可用基因分离规律遗传图解式、基因自由组合规律遗传图解式、性别决定和伴性遗传图解式、常染色体和性染色体上的基因进行自由组合的遗传图解式所构成的模型予以表达。在基因或性染色体控制生物性状遗传过程的模型中,蕴含着探究遗传规律的科学研究思想方法,如验证或者获得某种基因型的探究实验;蕴含着由亲代性状或基因型求子代性状或基因型的顺向推理过程,由子代性状或基因型求亲代性状或基因型的逆向推理过程,如对各类杂交实验过程或人类家族遗传过程的分析,这是遗传规律教学与评价的重点。 
  3 建构物种性状变异过程模型 
  在物种世代交替的有性生殖过程中,有基因突变、基因重组和染色体变异等使物种遗传物质改变或重组的生命过程。在减数分裂间期DNA的复制过程中,可能出现碱基对的增添、缺失或替换,使DNA分子碱基对的排列顺序发生改变的变异现象,可以建立相应的基因突变过程模型;该模型蕴含着亲代发生基因突变并传给子代,引起子代转录过程密码子的改变,引发翻译过程氨基酸种类、数目和排列顺序的改变,最终导致生物亲子代之间发生可遗传的性状变异。在减数第一次分裂过程中,伴随着基因的分离、自由组合和连锁互换遗传,可以建立基因重组过程模型,该模型蕴含着亲代发生基因重组并传给子代,导致子代出现新的基因型组合和相应的遗传性状。在减数第一次分裂过程中,可能出现染色体结构的缺失、重复、倒位、易位和染色体数目变化等变异现象,可以建立染色体变异过程模型,该模型蕴含着因染色体结构的改变而引起基因的改变,进而导致子代生物性状的变化。蕴含着个别染色体的增减或染色体组的成倍增减,引起子代生物性状的重大改变。 
  4 建构物种性状控制过程模型 
  在物种世代交替的细胞周期中,发生了DNA的复制、转录、翻译等生命过程,可以建构DNA的平面结构、空间结构及通过复制转录翻译控制生物性状的模型。DNA的平面结构模型和空间结构模型呈现了DNA分子的化学组成和空间结构,蕴含着构成DNA分子碱基对的种类、数量和排列顺序的千变万化,为基因多样性奠定了物质基础。DNA通过复制、转录和翻译控制生物性状的模型,呈现了DNA控制生物性状的过程,蕴含着DNA分子半保留复制的过程和生物学原理;蕴含着DNA分子复制后在亲子代或自体细胞之间传递的过程;蕴含着mRNA的转录过程;蕴含着蛋白质的翻译过程。在纵向梳理复制、转录和翻译的基础上,还要横向比较复制、转录和翻译的时间、场所、模板、原料、碱基互补配对原则、产物和遗传信息传递方向,帮助学生内化遗传的物质基础理论。 
  5 建构遗传变异育种过程模型 
  科学家在基因突变、基因重组、染色體变异等生物科学理论的基础上,发明了诱变育种、杂交育种、单倍体育种、多倍体育种和基因工程育种等培育新品种的方法,为农作物的高产稳产奠定了坚实的基础。为了说明育种原理,教师可以建立诱变育种、杂交育种、单倍体育种、多倍体育种和基因工程育种过程的模型。诱变育种模型呈现了太空或地面诱变育种的过程,蕴含着太空人工诱变育种或地面人工育种的原理;蕴含着选育新品种的技术和原理。杂交育种模型呈现了杂交育种的过程,蕴含着选择具有一定表现型或基因型的亲本,通过杂交实验过程的基因重组,获得所需性状或基因型的子代个体。单倍体育种模型呈现了单倍体育种的过程,蕴含着通过杂交试验获得子一代花粉粒,子一代花粉粒经过离体培养和秋水仙素的处理,形成配子染色体组数加倍的纯合基因型个体,经人工选择获得所需纯合基因型个体。多倍体育种模型呈现了多倍体的育种过程,蕴含着秋水仙素使亲本体细胞染色体数目加倍的原理,蕴含着选育所需多倍体的方法。基因工程育种模型呈现了基因工程育种的过程,蕴含着获取目的基因的过程、原理和PCR技术;蕴含着由目的基因和运载体结合制备重组DNA的过程和原理;蕴含着将重组DNA导入受体细胞的过程和原理;蕴含着培育和筛选转基因生物的过程和原理。 
  教师在纵向梳理五类育种技术实践的基础上,还要横向比较育种目的、育种原理、育种方法、育种实践、育种年限、育种的优缺点,帮助学生内化育种技术,提升学生设计或解释育种方案的能力。 
  在融会贯通遗传变异理论的过程,教师把细胞增殖、基因的遗传规律、性别决定与伴性遗传、基因突变、基因重组、染色体变异和基因控制蛋白质的合成等内容,贯穿在物种世代交替的生命过程中,用遗传物质的遗传或变异过程模型予以呈现。沿着遗传物质伴随世代交替的传递线索,教师指导学生主动分析、比较、归纳概括、拓展联系和汇聚整合遗传变异模型蕴含的遗传学原理,既可以训练学生分析、比较和归纳概括问题的基本思维能力,又可以训练学生发散思维和汇聚思维能力;通过指导学生设计论证育种方案,通过物种性状遗传的顺向推理或逆向推理可以训练学生的逻辑思维能力。总之,沿着生命过程融会贯通学科理论,可以增强学生的生命观念,强化学生的理性思维,提高学生实验探究的设计水平,促进学生核心素养的完善。