核心素养指导下的高中生物教学设计分析

  摘要:在教学改革背景下,课程设计必须以培养学生生物学科核心素养为目的。高中生物教学设计应更加侧重于生命观念、科学思维、科学探究和社会责任四个方面。文章以沪教版《基因突变》一课的教学设计为例,分析如何基于真实情景开展启发式教学,引导学生自发生成生命观念,组织学生经历有效的科学探究过程,培养学生的科学思维及社会责任。

  一、教材分析

  “变异”是沪教版高中《生命科学》教材中“遗传和变异”的内容。基因突变的概念和生物学意义是本节的核心知识。根据《普通高中生物学课程标准(2017年版)》(以下简称《课程标准》),课程必须围绕生物学大概念组织教学内容。本节隶属“遗传信息控制生物性状,并代代相传”这一大概念,次级概念是“由基因突变、染色体变异和基因重组引起的变异是可遗传的”。

 二、教学目标

  解释基因突变的形成原因,并说明诱变育种的原理是提高基因突变频率。运用“中心法则”分析基因突变导致性状变化的分子基础。认同“突变是中性的”基本观点,摒弃“突变都是有害的”错误观念。关注因基因突变患相关疾病的社会群体。

  三、教学过程

  情境设计一:真实情景,引起共鸣

  教师组织两次集体投票:“平时学习过程中,抄写一篇文字稿,你能接受的错误率是多少?”“如果抄写的对象是你的基因组呢?你能接受的错误率是多少?”学生通过主观判断做出选择,可以预判,学生普遍在第二题会选择更低甚至是零的错误率。

  设计意图:情景教学就是通过创设生动的情境引起学生的共鸣,从而激发学生兴趣,提高其学习效率。本设计中,教师通过“错误率”投票的两次举手,一方面迅速活跃课堂氛围,使每个学生都愿意参与课堂并开始思考;另一方面让学生意识到自己正从“一般生活情境”进入“生物学科情境”。

  情境设计二:借助问题情境,开展有目的性的探究活动

  教师组织学生对比分析四条脱氧核甘酸/碱基序列,引导学生总结基因突变可能的形式。学生在纸上抄写下序列并逐个碱基对比序列的异同点,发现并总结出“替换”“增加”“缺失”三种形式。教师展示出镰刀型细胞贫血的DNA序列差异、RNA序列差异及氨基酸序列差异。学生通过分析与讨论,能够清楚表述案例中碱基对替换造成了密码子及氨基酸的替换,最终改变蛋白质分子的结构和功能,引起性状改变。

  设计意图:事实性的知识有助于学生建构概念性的知识。教师给出四条脱氧核苷酸序列,让学生对比分析序列差异。基于高中生的认知水平,教师判断学生可以自己总结出“碱基的替换、插入或缺失会引发基因中碱基序列的改变”这一基本概念。但是,《课程标准》中的后续概念“阐明基因中碱基序列的改变有可能导致它所编码的蛋白质及相应的细胞功能发生变化,甚至带来致命的后果”则需要更多的事实性知识作为铺垫。因此,教师引导学生对镰刀型细胞贫血案例开展科学探究活动,并提供知识背景,如该疾病患者的血红蛋白基因测序结果、密码子替换、血红蛋白氨基酸序列改变等。学生需要综合以上的事实性知识,并从中提炼出相对应的概念性知识,即基因序列改变引起生物性状的改变的分子基础。

  情境设计三:以探究过程强化科学思维

  问题情境:维多利亚女王家族性遗传病史分析

  教师展示维多利亚女王家族系谱,通过引导式提问,如“维多利亚女王没有生病,为何要为欧洲皇室血友病负责”“如何证明维多利亚女王是血友病突变基因的携带者”等,逐步引导学生思考基因突变和家族遗传之间的关系。之后展开讨论,如造成该家族遗传病的是女王的体细胞突变还是生殖细胞有突变,两者有何差异,如何验证?

  设计意图:陶行知主张教学做是一件事的三个方面,是彼此联系的。以问题情境为基础的科学探究过程,启发学生全面调用自身每一种机能,讨论分析问题(嘴),聆听意见和发言(耳),亲身尝试各种解决问题的方法(手),是真正的教学做的统一。

  本设计中,教师引导学生通过对相关证据的论证与分析,提升生物学科核心素养水平。在教师创设的真实情境中,学生对情境问题“如何证明维多利亚女王是血友病突变基因的携带者?”给出不同的探究方案。对不同的预期结果,学生能够采用适当的思维方法揭示其生物学规律和机制,如“若仅女王的生殖细胞有突变”,则认为“当基因突变发生在生殖细胞,那么可能通过受精过程传给下一代”。学生经历提出问题、做出假设、设计实验、分析数据、得出结论等基本科学探究过程,锻炼了科学思维。

  情境设计四:突破惯性思维,端正科学态度

  启发式问题:基因突变是有利的还是有害的?

  教师组织举手投票,结果显示大部分学生无法做出明确判断,或下意识认为基因突变是有害的。然后,教师展示疟疾地理分步图、疟疾死亡统计图、地中海贫血分布图,要求学生找出其中规律,即在地中海贫血的高发地区,疟疾死亡人数少。该事实会引起学生的困惑与不解。教师则给出目前科学家对于地中海贫血抗疟疾的研究,使得学生从感性到理性,认识到基因突变也可能是有利的。

  设计意图:科学思维强调客观性,强调尊重事实。大多数中学生在实际的学习生活中已经被强化了一个固有的概念,即“基因突变是有害的”。因此,教师提供的地图显示“地中海贫血集中地区,疟疾死亡率低”这一事实会对学生的固有思维形成强烈冲击,引发学生的思考,培养其在事实面前敢于承认错误并做出修正的科学态度。

  情境设计五:理论联系实际

  启发式问题:如何利用基因突变造福人类?

  教师提供教材参考,如突变自然发生的频率低、突变的方向不能操控(多方向性)、物理辐射或某些化学物质可以提高突变频率、可以人工筛选对人类有利的突变体等线索,提示学生思考如何利用宇宙辐射或者别的手段,提高突变发生的频率,理解“太空育种”与“化学试剂诱变育种”的理论基础。

  设计意图:《课程标准》中对于学生的科学思维有四级水平的表述,其中水平四的要求为“在面对生活中与生物学相关的问题并做出决策时,利用多个相关生物学大概念或原理,通过逻辑推理阐明个人立场”。基于学生已经掌握了“基因突变大部分是中性的”这一基本概念,教师通过提示“射线诱发突变发生”“人工选择可以获得优良品种”等,引导学生整合相关信息,提出合理的方案。最后教师总结:每个方案用的方法、试剂虽然不同,但都是应用了《课程标准》中“细胞在某些化学物质、射线以及病毒的作用下,基因突变概率可能提高”这个基本概念。

 四、教学反思

  维果斯基在教育论中指出,儿童通过与现实世界的直接接触,会自发形成一套解释这个世界如何运转的理解体系。从学生的日常生活经验过渡到学科概念的学习情境,最好的做法就是对学生的“前科学概念”,即学生在现实生活中,通过长期的经验积累与辨别式学习而获得的一些感性印象产生冲击。本教学设计充分利用了问题情境开展启发式教学,体现了以生物学科核心素养为前提的设计初衷。

  参考文献

  [1]维果斯基.维果斯基教育论著选[M].余震球译.北京:人民教育出版社,2004.
  [2]隋方凤.情景教学法在生物教学过程中的运用探究[J].教学管理与教育研究,2017(20):70-71.

  作者:张智顺 上海市上海中学
  (见《教学管理与教育研究》2019年第20期)
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