貴州 付忠義

人類關(guān)于遺傳物質(zhì)的探索歷程跨越了一個多世紀(jì)，至今還有很多問題沒有找到答案。高中生物學(xué)教材必修2《遺傳與進(jìn)化》中，有很大一部分內(nèi)容都與人類對遺傳物質(zhì)探索的過程和階段性總結(jié)有關(guān)。將這些具有相關(guān)性的科學(xué)事件根據(jù)時間順序，按“時間軸”的方式進(jìn)行梳理，是促進(jìn)學(xué)生理解相關(guān)事件之間的聯(lián)系、構(gòu)建學(xué)科概念的一個重要方法。

一、生命科學(xué)史在教材中的編寫特征與教學(xué)現(xiàn)狀

教材的編寫通常是根據(jù)形成某一概念的需要，對科學(xué)史進(jìn)行板塊劃分，如“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”“基因在染色體上”“DNA的復(fù)制”“基因通常是有遺傳效應(yīng)的DNA片段”“基因表達(dá)與性狀的關(guān)系”等概念，均是通過分析大量的科學(xué)史料之后得出的結(jié)論。

在生命科學(xué)的發(fā)展歷程中，往往可能需要經(jīng)過幾代人的辛苦努力，才能逐漸總結(jié)出合理的結(jié)論，或形成某個概念。在學(xué)習(xí)過程中也需要借助對科學(xué)史實的分析，逐步構(gòu)建出概念體系，進(jìn)而形成學(xué)科大概念。但在教材編寫過程中，由于教材內(nèi)容編排的實際需要，很多科學(xué)史料并不是按照時間順序編寫的，如1909年，丹麥生物學(xué)家約翰遜將孟德爾提出的“遺傳因子”改為“基因”；1903年，美國遺傳學(xué)家薩頓通過觀察蝗蟲的減數(shù)分裂，提出“遺傳因子在染色體上”的推論。這兩個史實在教材中的位置就相隔一節(jié)的內(nèi)容，但教材并沒有按照時間順序編排相關(guān)內(nèi)容。這就導(dǎo)致很多不細(xì)心的學(xué)生不理解為什么在教材中薩頓的推論寫成“基因(遺傳因子)是由染色體攜帶著從親代傳遞給下一代的。”而這時教師若能順便提示一下時間節(jié)點，那么所有學(xué)生便都能很快明白其中緣由，也就不存在知識不能融會貫通的現(xiàn)象了。

但是目前很多教師的教學(xué)都只是按部就班的進(jìn)行，不會刻意將分散在很多章節(jié)的科學(xué)史進(jìn)行分類整理及匯編，甚至對于一些看似不起眼的小材料直接略過了。雖然這樣對學(xué)生主干知識的學(xué)習(xí)看似沒有什么影響，但是學(xué)生的知識體系中必然會缺少一些連貫性，容易導(dǎo)致知識脫節(jié)，部分知識的遷移應(yīng)用也會受到掣肘。尤其是對一部分學(xué)習(xí)習(xí)慣不好、閱讀不細(xì)致、缺乏獨立思考習(xí)慣的學(xué)生來說，更是會產(chǎn)生很大的影響。

二、“基因”相關(guān)的科學(xué)史料“時間軸”建立

關(guān)于“基因”的敘述，在高中生物學(xué)必修2《遺傳與進(jìn)化》中的分布跨度很大，從第1章“遺傳因子的發(fā)現(xiàn)”到第5章“基因突變及其他變異”都主要敘述人類對遺傳規(guī)律及遺傳物質(zhì)的探索歷程。包括第6章“生物的進(jìn)化”也是在變異的基礎(chǔ)上對進(jìn)化的根本原因進(jìn)行解釋。

1.相關(guān)科學(xué)史梳理(按2019版人教版教材中出現(xiàn)的順序排列)

序號時間科學(xué)家實驗(事件)結(jié)論11866年孟德爾豌豆雜交實驗生物的性狀由“遺傳因子”控制21900年三位科學(xué)家分別重新發(fā)現(xiàn)孟德爾的論文31909年約翰遜將“遺傳因子”改為“基因”。提出基因型和表型的概念41865年①魏斯曼發(fā)表了《作為遺傳理論基礎(chǔ)的物質(zhì)連續(xù)性》一文染色體減數(shù)分裂及其合理性的預(yù)測

續(xù)表

2.時間軸模型構(gòu)建

圖1 “基因時間軸”模型案例1

構(gòu)建該模型的目的是使教師對人類對遺傳物質(zhì)的認(rèn)識過程有一個更清晰的宏觀認(rèn)識，便于教學(xué)活動設(shè)計。同時也是學(xué)生學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)過程中的一個重要參考線索。時間軸模型中，主要是標(biāo)注清楚重要的時間節(jié)點，具體的科學(xué)事件由于版面問題可以不詳盡羅列，而是在教學(xué)中通過口述的方式呈現(xiàn)，或者通過學(xué)生的主動回憶來補(bǔ)全相關(guān)信息，這樣還能夠更好地引導(dǎo)學(xué)生通過“回憶”的形式，實現(xiàn)知識的“再現(xiàn)”和“重復(fù)”，達(dá)到有效復(fù)習(xí)的效果。

三、“基因時間軸”的教學(xué)意義與教學(xué)案例分析

“基因時間軸”的意義在于：學(xué)生能夠以時間節(jié)點為記憶的錨點，聯(lián)想和回憶相關(guān)的科學(xué)事件及研究結(jié)論；可以通過梳理時間順序的方式，促進(jìn)一部分知識的理解及知識網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，如人類對基因的認(rèn)識過程是按照“功能—結(jié)構(gòu)—信息流向”的基本發(fā)展順序進(jìn)行的。

在教學(xué)中，這種模型通常有兩個方面的應(yīng)用：其一是在新課教學(xué)中可以用來創(chuàng)設(shè)大情境，進(jìn)而貫穿整體的教學(xué)；其二是在復(fù)習(xí)過程中可以用來梳理知識網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)高效、便捷的復(fù)習(xí)。

1.新課教學(xué)中的應(yīng)用案例——大情境創(chuàng)設(shè)

情境創(chuàng)設(shè)的目的是使教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)活動設(shè)計有一定的依托，不至于空洞乏味。但情境的創(chuàng)設(shè)不能無病呻吟，情境信息需要緊貼教學(xué)內(nèi)容，不脫離教學(xué)的根本需求。不追求花哨，更講究實用性。在情境創(chuàng)設(shè)中，要盡量創(chuàng)設(shè)大情境，盡可能地讓有內(nèi)在聯(lián)系的內(nèi)容板塊的教學(xué)能在一個大的情境信息中完成。避免頻繁更換情境，割裂了知識板塊，使內(nèi)容碎片化?！盎驎r間軸”在新課教學(xué)中能滿足大情境創(chuàng)設(shè)的需求。但這個大情境是逐漸構(gòu)建起來的，而不是一次性完成的，模型的構(gòu)建需要通過一系列的問題鏈逐漸形成聯(lián)結(jié)。從必修2《遺傳與進(jìn)化》的第3章開始，使用該思路最為合適。筆者以第3章第1節(jié)到第4章第2節(jié)共6個小節(jié)的內(nèi)容為例，介紹各小節(jié)問題情境的創(chuàng)設(shè)以及問題鏈的設(shè)計案例。

1.1DNA是主要的遺傳物質(zhì)

【問題情境】摩爾根等人的實驗已經(jīng)證明了孟德爾所說的“遺傳因子”，也就是基因，是真實存在的，并且基因在染色體上呈線性排列。但染色體是由DNA和蛋白質(zhì)組成的。那么真正的遺傳物質(zhì)是DNA還是蛋白質(zhì)呢？

【銜接問題】所有生物的遺傳物質(zhì)都是DNA嗎？

【形成結(jié)論】絕大多數(shù)生物以DNA為遺傳物質(zhì)，DNA是主要的遺傳物質(zhì)。

1.2DNA的結(jié)構(gòu)

【問題情境】細(xì)胞等生命系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)，實際上生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能也是相適應(yīng)的。那么究竟是什么樣的結(jié)構(gòu)使得DNA能作為絕大多數(shù)生物的遺傳物質(zhì)呢？

【形成結(jié)論】DNA具有反向平行的雙螺旋結(jié)構(gòu)；脫氧核糖-磷酸交替連接形成的基本骨架在雙螺旋的外側(cè)；堿基按照堿基互補(bǔ)配對原則通過氫鍵連接成堿基對排列在內(nèi)側(cè)。

1.3DNA的復(fù)制

【問題情境】DNA作為遺傳物質(zhì)，需要從親代細(xì)胞，遞到子代細(xì)胞。所以DNA必然需要進(jìn)行復(fù)制，以保證子代細(xì)胞能得到與親代相同的DNA，那DNA是怎樣進(jìn)行復(fù)制的呢？

【形成結(jié)論】DNA以半保留的方式進(jìn)行復(fù)制，需要模板、能量、原料和酶等條件，遵循堿基互補(bǔ)配對的原則。

1.4 基因通常是有遺傳效應(yīng)的DNA片段

【問題情境】已知DNA是主要的遺傳物質(zhì)，可以通過半保留復(fù)制的方式保證親子代細(xì)胞遺傳信息的連續(xù)性。由此可以判斷出基因就在染色體中的DNA上。那1個DNA就是1個基因嗎？

【形成結(jié)論】基因通常是有遺傳效應(yīng)的DNA片段，RNA病毒的基因是有遺傳效應(yīng)的RNA片段(如TMV、HRV、HIV、流感病毒、SARS病毒、新冠病毒等)。

1.5 基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成

【問題情境】在真核細(xì)胞中，基因是有遺傳效應(yīng)的DNA片段，DNA作為儲存遺傳信息的物質(zhì)，主要分布在細(xì)胞核中。而生命活動的主要承擔(dān)者是蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)與DNA之間有著怎樣的關(guān)系呢？

【形成結(jié)論】基因通過轉(zhuǎn)錄和翻譯控制蛋白質(zhì)的合成。

1.6 基因表達(dá)與性狀的關(guān)系

【問題情境】孟德爾曾經(jīng)提出“生物的性狀是由遺傳因子(基因)控制的”，那么基因是怎樣控制生物的性狀的呢？基因表達(dá)與性狀之間是否存在什么聯(lián)系？(可板書圖2所示的模型)

圖2 基因表達(dá)與性狀的關(guān)系情境圖示1

【形成結(jié)論】在學(xué)生自主閱讀教材內(nèi)容的前提下，教師可指導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建如圖3所示的概念圖，厘清基因與性狀之間的關(guān)系，從分子水平解釋孟德爾提出的“生物的性狀由遺傳因子控制”。

圖3 基因表達(dá)與性狀的關(guān)系情境圖示2

2.復(fù)習(xí)過程中的應(yīng)用案例——知識網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

在階段性復(fù)習(xí)、一輪復(fù)習(xí)、二輪復(fù)習(xí)中均可使用前文所述的模型，將從“1866年孟德爾的豌豆雜交實驗及結(jié)論”到“基因表達(dá)與性狀的關(guān)系”等內(nèi)容完整地聯(lián)系在一起，形成一個完整的知識網(wǎng)絡(luò)。

以一輪復(fù)習(xí)為例，在復(fù)習(xí)之前就可以應(yīng)用完整的模型，根據(jù)時間順序梳理重要的科學(xué)實驗及結(jié)論，形成整體框架，然后再對細(xì)節(jié)知識進(jìn)行補(bǔ)充完善，全部復(fù)習(xí)完之后再讓學(xué)生自主參考時間軸梳理知識。這種類似于“總-分-總”式的結(jié)構(gòu)化復(fù)習(xí)策略，能更好地幫助學(xué)生建立知識體系。具體操作流程可以分為以下幾步。

2.1 構(gòu)建“時間軸”模型，形成整體認(rèn)知

在復(fù)習(xí)“遺傳規(guī)律”“減數(shù)分裂”“基因的本質(zhì)”“基因表達(dá)”“變異”等知識(即必修2第1～5章)之前，教師可以先引導(dǎo)學(xué)生將這部分內(nèi)容中的重大歷史事件按時間順序或者按研究結(jié)論進(jìn)行排列，盡量引導(dǎo)學(xué)生通過回憶的方式完成，對于基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生，也可以通過快速翻閱教材來完成。這個過程中要求學(xué)生將自己梳理出來的信息記錄下來，然后再按照時間順序進(jìn)行排列，連接成時間軸。如此一來就可以讓學(xué)生對該部分的學(xué)習(xí)內(nèi)容有整體認(rèn)知。

2.2 梳理細(xì)節(jié)知識，排除知識障礙

即使已經(jīng)學(xué)過一遍，又回憶或閱讀了一遍，但由于經(jīng)過了較長時間，且新課學(xué)習(xí)中本身就有一些知識沒有理解透徹，所以逐一梳理知識點、掃除知識障礙的過程仍然是必要的。在基礎(chǔ)知識的復(fù)習(xí)過程中，提醒學(xué)生有意識地將科學(xué)史的時間順序考慮進(jìn)來，能鞏固認(rèn)知。

2.3 回歸模型構(gòu)建，完善知識網(wǎng)絡(luò)

經(jīng)過前面兩個步驟的訓(xùn)練，有的學(xué)生已經(jīng)能夠形成很好的知識體系，但一部分思維能力較差的學(xué)生還是不能很好地將各種知識聯(lián)系在一起。這時教師就需要給學(xué)生提供一些參考意見和指導(dǎo)，讓學(xué)生有目的地將零散的知識歸納起來，以“時間軸”為線索，將各個板塊的知識點概括到知識網(wǎng)絡(luò)上來。圖4為添加了部分提示信息的模型。

圖4 “基因時間軸”模型案例

盡管這個模型仍然很粗糙簡陋，很多信息都沒有體現(xiàn)出來，但在時間和科學(xué)家兩個信息的提示下，很多學(xué)生都能快速地復(fù)述出相關(guān)的知識。對于尚未熟練掌握的知識點也能很明確地找到標(biāo)識點，然后及時查缺補(bǔ)漏。

四、結(jié)束語

“基因時間軸”的模型在教學(xué)中具有較高的實用性，對在新課教學(xué)中創(chuàng)設(shè)大情境，增強(qiáng)教學(xué)連貫性大有裨益。也可以用在復(fù)習(xí)中，通過梳理科學(xué)史，實現(xiàn)知識網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。這種具有高度概括性的學(xué)習(xí)思路，在復(fù)習(xí)中具有更明顯的作用，充分體現(xiàn)了其提綱挈領(lǐng)的優(yōu)勢。

這是一種值得推廣嘗試的教學(xué)思路。不僅在“遺傳的分子基礎(chǔ)”的教學(xué)中可以使用“時間軸”模型，在其他一些時間相關(guān)性較強(qiáng)的內(nèi)容的復(fù)習(xí)中，也可以嘗試?yán)谩皶r間軸”模型的方式進(jìn)行復(fù)習(xí)，例如《分子與細(xì)胞》中關(guān)于細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能的認(rèn)識以及生命系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次等內(nèi)容，與時間的相關(guān)性就很高。