Instructional Design of Gene Mutation and Gene Recombination Based on Cooperative Learning
As a learning concept, cooperative learning has many learning methods. In high school biology required two “gene mutation and gene recombination” lesson using the concept of cooperative learning design, jigsaw is used to divide and learn learning tasks, peer instruction for classroom evaluation. It can better cultivate students’ independent learning, cooperation ability and social responsibility, and truly respect students’ main position.
Cooperative Learning
基因突变和基因重组是高中生物学必修二《遗传与进化》第五章第一节的内容，本节课与生物进化以及人类生活等密切相关。在此之前学生已经学习过基因是什么，基因与染色体和DNA的关系，学习了减数分裂孟德尔的豌豆杂交实验理解了自由组合定律，学生对这部分表现出了浓厚的兴趣，但是关于这部分内容学生普遍反应上课一听就会，课下一看一学就懵。针对这种情况应该更好发动学生的思维进行深度学习，让学生真正意义上发挥主观能动性，使零散的知识系统化，整体化，生活化。本次课的内容主要包括：基因突变、基因重组的概念、本质、意义及应用；细胞癌变以及癌细胞的特点相关内容。
依据《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》，围绕生物学学科核心素养
生命观念：能运用基因突变和基因重组知识，解释生活中的相关现象。
科学思维：能够结合实际，运用辩证性思维评述基因突变和基因重组的意义，培养科学思维。
科学探究：通过对镰状细胞贫血致病探索以及孟德尔的豌豆测交实验，建构基因突变和基因重组的概念，发展科学探究能力。
社会责任：通过对结肠癌简化模型探究，分析导致细胞癌变的原因，远离诱变因素，主动向他人宣传诱变因素的危害，选择健康的生活方式。
切块拼接法(Jigsaw)作为合作学习的一种，最初是由阿伦森提出
根据学习内容和目标，学生要掌握基因重组、基因突变、细胞癌变这三部分，分别对应设计三个任务。并将其设计成导学案，在上课之前将导学案印发给学生。
任务一：通过探究孟德尔的豌豆测交实验建构基因重组的概念。
为了验证自由组合现象是否正确，孟德尔设计了豌豆的测交实验。根据下表(见
表1. 孟德尔的豌豆测交实验
P |
黄色圆粒 |
绿色皱粒 |
|
YyRr |
× |
yyrr |
|
配子 |
|||
F1 |
1) 完成上述测交实验分析图。
2) 上述实验中控制不同性状的基因的重新组合发生在什么时期？还可以发生在什么时期？
3) 此过程是否产生了新基因，其结果是什么？
任务二：通过探究镰状细胞贫血致病原因建构基因突变的概念。
镰状细胞贫血是一种遗传病，正常人的红细胞是中间微凹的圆饼状，而镰刀状细胞贫血症患者的红细胞却是弯曲的镰刀状。根据所给出的血红蛋白分子的部分氨基酸序列以及对应的mRNA的碱基序列(见
正常血红蛋白分子 |
氨基酸序列 |
亮氨酸–苏氨酸–脯氨酸–谷氨酸–谷氨酸–赖氨酸 |
mRNA碱基序列片段 |
CUG - ACU - CCU - GAG - GAG - AAG |
|
异常血红蛋白分子 |
氨基酸序列 |
亮氨酸–苏氨酸–脯氨酸–缬氨酸–谷氨酸–赖氨酸 |
mRNA碱基序列片段 |
CUG - ACU - CCU - GUG - GAG - AAG |
1) 根据密码子配对原则写出正常血红蛋白分子和异常血红蛋白分子的DNA碱基序列片段，二者相比有何变化？除此变化外DNA分子中碱基还能发生哪些变化，这些变化有何影响？
2) 结合课本与上述变化写出镰状细胞贫血致病原理和过程。
3) 根据上述两个问题，分析镰状细胞贫血致病的根本原因和直接原因是什么？
任务三：通过结肠癌发病原因探究细胞癌变的概念。
结肠癌是一种常见的消化道恶性肿瘤，是发病率比较高的癌症。结合结肠癌发生的简化模型图(见
1) 原癌基因、抑癌基因作用是什么，他们在正常细胞中存在吗？
2) 结肠癌的发病原因是什么？
3) 癌细胞的特点是什么？
基于本次课要学习的三个任务，将每三人分为一个家庭组，遵循组间同质组内异质的方法，依据学生学习成绩、能力、性别将全班36名学生分为12个组(见
组别 |
成员 |
组别 |
成员 |
组别 |
成员 |
1 |
A1 B1 C1 |
5 |
A5 B5 C5 |
9 |
A9 B9 C9 |
2 |
A2 B2 C2 |
6 |
A6 B6 C6 |
10 |
A10 B10 C10 |
3 |
A3 B3 C3 |
7 |
A7 B7 C7 |
11 |
A11 B11 C11 |
4 |
A4 B4 C4 |
8 |
A8 B8 C8 |
12 |
A12 B12 C12 |
每组的A同学学习第一个任务、B同学学习第二个任务、C同学学习第三个任务，任务分配完后，学生运用自己已有资料根据自己的任务自学。
自学完成后进入专家组进行讨论。考虑到12人一组人数较多，可以将这12人的专家组分为两组，每组6人。学生先在各自专家组进行答疑解惑，如果还有疑问灵活融入另一专家组再进行讨论。这样的分组可以尽可能保证每个同学都能参与进来，避免因为人数太多而造成的有学生不参与的情况。
在专家组研讨时，教师要不断巡视及时发现问题，进行指导。同时要提前预设学生可能出现的问题。例如在讨论结肠癌的发病原因时，学生可能只认为简化模型图上几个基因的突变就能造成癌症的发生，教师发现此问题要及时加入专家组进行指导，与学生讨论癌症的发生是基因突变的累加作用引起，不是单单模型图上的几个基因的突变就能导致癌症的发生。
在专家组完成各自的任务后，回归各自的家庭组。在家庭组中互相分享自己的学习成果，组内成员之间互相答疑解惑，最终使家庭组中三人都能够掌握本次课的三个任务。
基于学生自主学习，教师引导性总结基因重组的概念，基因突变的概念以及特点，其次总结基因突变的原因，将基因突变与细胞癌变相联系。
同伴互教法(peer instruction)最初是由哈佛大学教授马祖在上习题课时为了解决大学物理课堂上近一半学生学不会而提出的，后续不断有学者对其进行改进，本次课堂评价时采用Lan Boon Leong等人改良后的同伴互教法
本次课设计如下两个题进行课堂评价，在第一题中学生选出答案后，找到与自己答案不同的同学进行交流探讨，最终得到一致答案为ABC，得到一致答案后同学们就会非常轻松的得出第二题的答案BCD。然后教师指出在第一题的选项中，精卵细胞的结合属于受精作用造成的后代性状多种多样而不是基因重组。在第二题中图1中B基因突变为了b基因，由于是隐形突变，故其表现型不发生改变。
1) 下列选项中错误的是()
A：在有性生殖过程中，由于精卵细胞的结合也可使后代性状多种多样，故其也属于基因重组。
B：在一个基因的ATGCG序列中，其中某一碱基发生替换后，翻译后的氨基酸序列一定发生改变。
C：正常细胞生长和分裂失控变成癌细胞，是由于抑癌基因突变成原癌基因，失去了其本身作用。
D：基因突变产生了新的基因，基因重组虽然不能产生新基因但可以获得新的性状组合。
2) 下图代表一个基因型为AaBB的二倍体动物细胞的两种细胞的分裂图，据图判断不正确的是()
“基因突变和基因重组”内容较多且与生活联系较为密切，学生对于这节很感兴趣，愿意主动学习。利用合作学习理念对这节课进行设计，可以取得比较好的预期课堂学习效果。
1) 课堂氛围比较活跃，学生有较高的课堂参与度：在课堂上每个学生都有其对应的任务，而且这个任务的完成程度关系到整个小组的完成情况，发动了一些课堂不爱参与的学生，所以课堂上学生有很高的参与度。
2) 学生学习更有针对性，提高了课堂效率：利用切块拼接法将本节课内容划分为三个任务，完成任务的方式是解决一个个问题，学生自学时目标非常明确，这样可以在有限时间内深度学习，提高学生学习效率。同时这样以问题方式呈现，学生在家庭组互相分享时也更有针对性，更有利于学生学习和提问，可以更好完成共同的总目标。
3) 同伴互教法评价时更易发现问题：在课堂评价时采用的同伴互教法，评价主体的是学生，他们思维水平更接近更能发现同伴的问题，在做题和相互讨论时对于知识不清楚不懂的同学，同学之间的讲解会更加的有针对性，同时学生能够理解的更快更清楚。
利用合作学习理念进行教学，不论是在新课学习中学生的自学、讨论和分享，还是在课堂评价中关于问题正确答案的确定都需要学生之间的合作。这样每个学生的学习不仅仅关系到自身而且还关系还会影响别人，促使每个学生都认真学习，提高学生自主学习能力，增强自主性，提高学生的担当和社会责任感。可以达到课堂全体学生都参与，共同进步，从而使班级整体水平都提高。在这个过程中，学生之间不免要相互沟通交流，无形之中也锻炼了学生的语言能力和社会交往能力。所以利用合作学习的理念进行教学设计可以更好地培养学生的生物学学科核心素养，促进学生的全面发展。
应用合作学习理念进行设计时也要注意一些问题，要充分了解学生，充分掌握教材以及与教材内容相关的知识。在备课时要考虑到学生的认知程度，要让知识以学生可以接受的方式出现，同时备课要跳出教材之外，合理划分学习任务和学习小组。要认识到学生在讨论中可能出现的认知偏差，掌握好课堂纪律以及讨论氛围。