基于智慧农业基地的遗传学实验教学.pdf

82023Middle School Biology2023年No.5Vol.39中学生物学第39 卷第5期文件编号：10 0 3-7 58 6(2 0 2 3)0 5-0 0 0 8-0 3基于智慧农业基地的遗传学实验教学孙蕾王颖?（1.深圳实验光明学校广东深圳518107)（2.广东省深圳市光明教育科学研究院广东深圳518107)义务教育课程方案（2 0 2 2 年版）要求“加强课程与劳动生产、社会实践的结合，充分发挥实践的独特育人功能。”为落实课程方案的要求，笔者创建“智慧农业劳动和教学基地”。基地分为粮食、蔬菜、经济作物、中草药四个片区，多样化的植物为相关学科教学提供实践场所。在实践中，笔者整合智慧农业基地的生物资源，将劳动教育与生物学教学相结合，探索初高中生物学教学的衔接，以期达到实践育人的目的。人教版生物学八年级下册“基因的显性和隐性”一节中，通过介绍孟德尔的豌豆杂交实验，让学生理解基因的显性和隐性。为了降低初中生学习的难度，教材没有介绍“亲本”“自交”等概念，实践发现这些概念是沟通初高中遗传学学习的桥梁。为了促进初高中遗传学的衔接，笔者引导学生利用基地的生物资源设计探究实验，构建“花蕊”“传粉”“受精”“自交”“杂交”等概念，并通过玉米杂交实验探究性状的显性和隐性，促进对“基因的分离定律”的理解，在解决真实问题中培养科学思维和科学方法。1依托授粉解剖活动，构建遗传学重要概念北京师范大学刘恩山教授认为初中生物学教学要“高度关注实践在学生素养发展过程中的重要作用.通过在现实情境中探讨解决真实问题的探究活动或跨学科实践活动，帮助学生加深对生物学概念的理解。”“自交”“杂交”等概念是遗传学重要概念，是学习遗传学的基础，也是教师教学的重点和难点。为了帮助学生构建这些概念，笔者引导学生利用基地的生物资源开展青瓜授粉、花卉解剖等实践探究活动，成功本文是深圳市教育科学“十四五”规划2 0 2 1年度成果培育类课题“基于真实情境的初中生物单元教学设计的实践研究”（课题编号为cgpy21010)和2 0 2 1年深圳市光明区软科学研究项目“基于智慧农业和无人机的STEAM教育科技研究”（课题编号为2 0 2 1R02025）的研究成果。构建“父本”“母本”“自交”“杂交”等重要概念。1.1借助青瓜授粉活动，区分“父本”和“母本”人教版生物学七年级上册第三单元第二章第三节“开花和结果”属于“植物的生活”学习主题，义务教育生物学课程标准（2 0 2 2 年版）（以下简称“生物学课标”）对应的内容要求是：构建概念4.1.5“花中最主要的结构是雄蕊和雌蕊，雄蕊产生的精子与雌蕊产生的卵细胞相结合形成受精卵，花经过传粉和受精后形成果实和种子。”教材建议通过解剖一朵桃花理解“花的哪些结构是重要的”和“花的发育”。智慧农业基地有多种开花植物，为了帮助学生构建“花的结构”，教师指导学生在基地观察青瓜、丝瓜、玉米等单性花，同时对比观察小麦、百合花等两性花。学生通过解剖百合花和青瓜的花，认识雄蕊和雌蕊，并在实体显微镜下观察花粉和胚珠，发现其中有生殖细胞，由此得出花的主要结构是雄蕊和雌蕊。为了提高基地的青瓜、丝瓜和冬瓜等的产量，笔者指导学生开展人工授粉活动，学生利用毛笔对青瓜等进行“传粉”，并对完成人工授粉的花进行挂牌标记，吊牌上写着授粉的实践和操作人。一个星期后，学生挑选柱头调落的雌花，用解剖刀纵向切开子房，在解剖显微镜下观察胚珠等结构。学生通过解剖活动理解“受精”的概念和植物开花和结果之间的联系。同时，学生在活动中应思考以下的问题：对于植物繁衍后代来说，花的哪些结构是最重要的？在青瓜授粉活动中，提供花粉的是父本还是母本？3接受花粉后，雌花将发育成青瓜的哪些结构？1.2依托花卉解剖实验，理解“自交”和“杂交”豆科植物在自然状态下是自花传粉植物，为了探究豌豆“自然状态下是纯种的原因”的奥秘，笔者带领9生物兴趣小组在智慧农业基地观察豆科植物的蝶形花冠，并摘取黄豆和豌豆花作为实验材料。学生在解剖显微镜下解剖和观察黄豆花和豌豆花，通过观察豌豆花的花蕊构建“自交”“闭花授粉”的概念，理解豆科植物花的结构与功能相适应。学生在活动中思考以下的问题：除了黄豆和豌豆，在智慧农业基地你还发现哪些植物具有蝶形花冠？植物一般在花冠开放露出花蕊后授粉，但摘下豌豆花紧紧闭合的龙骨瓣后，在雌蕊的柱头上发现了黄色的花粉，这说明了什么？豌豆在自然状态下为什么都是纯种？豌豆做杂交实验材料的有哪些优点，生物学课标建议开展“植物栽培活动”等跨学科实践活动。人教版生物学七年级上册教科书建议开展玉米人工辅助授粉，让学生在实践中领悟传粉和结果等重要生命过程。玉米是雌雄同株异花的植物，学习小组在天台基地用放大镜观察玉米花，顶端的花是雄花，玉米茎中间部位的是雌花，胡须状的是雌花的花柱和柱头。接着，学生取纸袋套住玉米的雄蕊，轻轻摇动玉米茎秆，收集花粉，将收集好的花粉，倒在雌蕊的柱头上。学生在活动中思考，为同株和不同株的玉米授粉，授粉方式相同吗？至此，学生可以彻底地区别“自交”和“杂交”。此外，学生通过豌豆杂交活动巩固对“杂交”的理解。2借助植物杂交实验，探究生物遗传的规律2.1探究玉米籽粒颜色的显隐性已知玉米植株能进行自交和杂交，基地的玉米有白色和黄色2 种,为了探究玉米籽粒颜色的显隐性，笔者指导学习小组设计如下遗传实验方案（表1），将纯种白色玉米和纯种黄色玉米间种，所结种子为子一代。玉米种植3个月后结出果实，学生观察和统计玉米植株上子一代的种子的颜色。结果基地的白玉米植株上既有白玉米种子也有黄玉米种子，而黄玉米植株上没有白玉米种子，说明白色是隐性性状,黄色是显性性状。看到白玉米植株上有黄色和白色玉米种子，学习小组提出新问题“子一代黄玉米种子中控制白色性状的基因是否消失了？”2.2探究玉米隐性基因是否消失为探究“黄玉米种子中控制白色性状的基因是否消失”。笔者将白玉米植株的子一代黄色玉米种子作为实验材料，引导学生设计实验方案和预测实验结果（表2）。学习小组观察并统计子二代玉米种子的颜色和数量，结果子二代玉米种子有黄色和白色，学生利用Excel统计实验数据，发现黄色和白色玉米种子数量比约为3：1。学生应用孟德尔遗传规律解释实验结果，最后得出实验结论：控制白色性状的基因没有消失。表1探究玉米籽粒颜色的显隐性实验方案实验材料纯种白色玉米种子和纯种黄色玉米种子白色和黄色玉米间种，每行10 株，在相同的环种植方式境条件下进行培养。实验结果观察统计白玉米植株结的玉米种子颜色；统计黄玉和统计米植株上结的玉米种子颜色。若白玉米植株上都是白玉米种子，黄玉米植株上有黄色和白色玉米种子，则白色是显性性状，黄色是隐性性状。预测实验结果若黄玉米植株上都是黄玉米种子，白玉米植株上结黄色和白色玉米种子，则黄色是显性性状，白色是隐性性状。表2探究玉米控制白色性状的基因是否消失实验方案实验材料白玉米植株上的子一代黄色玉米种子在适宜的条件下种植和培养2 0 株黄玉米，玉米自种植方式然授粉结子。观察和统计观察黄玉米植株结的玉米种子颜色和统计不同实验结果颜色种子的数量比例。若黄玉米植株上都是黄玉米种子，则控制白色性预测实验状的基因消失。结果若黄玉米植株上结黄色和白色玉米种子，则控制白色性状的基因没有消失，在子二代中表现出来。3基于智慧农业基地的遗传实验教学优势分析3.1借助丰富的植物资源，保障实验材料供应选择合适的实验材料是实验成功的前提，豌豆、玉米是常见的遗传学实验材料，孟德尔曾经用豌豆、玉米等探究遗传规律。由此，笔者将劳动教育与生物实验教学相融合，在智慧农业基地的种植玉米、豌豆等农作物，供学生探究植物遗传的奥秘。为了保障实验材料与实验教学计划同步，查阅资料了解玉米、豌豆的生长周期,并结合学期教学计划规划玉米等植物的种植方案，如让青瓜、丝瓜的花期与“植物的开花与结果”教学同步，玉米和豌豆生长契合“基因的显性与隐性”教学。3.2提供真实的科研情境，提高科学探究素养科学探究是学习生物学的重要方式，探究实践是创新型人才的重要标志。教师让学生像科学家一样去探究实践，如探究豌豆为什么是遗传学的好材料，探究玉米种子颜色的遗传规律等。教师让学生通过“做中学”“用中学”“创中学”理解遗传的规律，在解决真实问题中培养科学思维和科学方法，逐渐提升生物学核心素养。孟德尔用了8 年时间研究遗传的规律，学生在真实的科研情境中体会科学研究的艰辛，学习其坚持不、迎难而上的科学精神10上接7 页）3.3巧用信息技术手段，助力实验探究开展受课时和场地的限制，无法满足全体学生参与活动的全程，学习小组只能派代表去天台观察和记录杂交后植物的生长状况。为了满足全体学生的学习需求，教师借助智慧农业基地的监控系统，调控监控系统拍摄和记录参与实验的植物生长，如摄像头聚焦拍摄玉米雌花受精后发育状况，教师将监控视频进行编辑发送到家长群，让家长和学生了解实验进展，以此鼓励家长参与学生的实验。此外，该实验视频也成为“植物的生长”的教学资源。4孝教学反思开展植物遗传学实验需要专门的种植场地，对实验植物进行田间管理，我校满足开展实验教学的条件。笔者查阅资料发现，豌豆、玉米等是孟德尔研究遗传规律的实验材料，将劳动教育与生物实验教学相融合，指导学生像孟德尔等科学家一样开展实验探究，在解决真实问题中切实地提高生物学学科素养。学生在初中阶段理解“亲本”“自交”等遗传概念，可以有效地衔接初高中遗传学的学习，帮助学生突破高中遗传学学习的难点，提高学生科学思维能力。比如红绿色盲的社会调查和家系调查，目的是获取调查数据，教师应该重点关注学生在活动中的科学态度和合作精神，采用学生自评和小组互评的方式展开教学。探究红绿色盲的遗传方式，教师可以通过概念检测，观察提问了解学生的学习情况。探究红绿色盲的遗传特点，是教学的重难点，教师应该通过设计关联宏观微观符号的遗传图解（图5），通过小组互评、纠错、修正，关注学生遗传学符号使用的规范性和准确性。最后在迁移应用环节通过设计已知双亲表型预测子代、运用系谱分析判断遗传方式、通过表型推知性别或通过性别预测性状、设计杂交实验确定基女性男性亲代表现型亲代基因型亲代性染色体组成配子性染色体组成子代性染色体组成子代基因型子代表现型数量化图5关联宏观-微观-符号的遗传图解因为首次探索植物遗传学实验，本课例的实践有诸多不足。本课例中所有的实验材料均由教师来选择，不利于激发学生主动学习，可以优化为由学生寻找合适的实验材料。教师没有充分考虑实验植物的生长周期，玉米从授粉到完熟大概需要45一50 天，玉米杂交实验不能在遗传学教学期间完成。教师可以按照玉米杂交实验方案，提前准备好两片玉米地，一片玉米正处于花期可以用于人工授粉活动，另一片杂交实验成熟的玉米用于实验结果的统计。高中生物教材以豌豆为例，总结其作为实验材料的诸多优点，启发笔者，本次实验以玉米为例，教师可以指导学习小组总结其作为遗传实验材料的优势。跨学科主题学习是培育学生核心素养的必要途径，是强化课程协同育人的必要手段，形成深层知识理解的必要环节。由此启发，教师探索劳动教育与生物学跨学科主题学习，将劳动和生物教学有机融合。如将为玉米施肥和授粉活动结合起来，玉米秋收活动结束后进行杂交实验结果统计，这样的设计既可以节约课时和人力成本，也可以发挥学科间综合育人功能，提高实践育人的效果。因在性染色体或常染色体上等四个方面的新情境，检测评价学生概念理解和应用情况，判断学生素养的发展水平，然后进一步调整改进教学策略。结语宏观微观符号三种表征形式影响着学习者注意、知觉、表象、记忆、思维和语言等认知过程，各个水平对知识的感知促使这些感知在学习者认知心理上形成丰富的内化表征形式，有利于学习者对知识全面而透彻地认识和理解。三重表征理论指导下的教学模式从核心问题出发，根据概念构建过程遇到的问题分解成若干子问题，根据三种表征之间的内在逻辑关系安排学习活动，直至完成构建概念。整个过程从学生视角出发，以学生探究为中心，教师则用提问的方式推动学习过程。从开始到结束，知识逐渐深人，学习者像科学家一样主动认识思考解决问题，沉浸式探究。三重表征理论指导下的教学模式为学习者学习生物学提供了更为开阔更为有序的心理视野，有助于提高学习者多角度观察分析和解决问题的能力。在深度学习的教学中，还需要教师聚焦课程标准，整体把握学科体系与关键教学内容，提升教学设计的站位，营造民主平等的学习氛围，给学生表达见解展现思维的机会。