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1教材分析及設計思路

本單元教學內容“遺傳與進化”是高中生物學必修課程模塊2相關內容的復習課，本模塊不僅是教學的重難點，也是高考的重點，包括遺傳的基本規律、遺傳的細胞學基礎、遺傳的分子基礎、生物的變異和生物的進化等內容。本文以雜交水稻培育的科研過程為材料，創設問題情境，開展“遺傳”相關內容的專題復習。本單元設計的主題以學科內容為基礎，融入袁隆平等科研工作者開展雜交水稻培育的社會議題。從袁隆平的核質互作雄性不育的三系雜交水稻的培育，到光溫敏雄性不育的兩系雜交水稻、利用基因工程培育的雜交水稻，再到雜交水稻的無融合生殖，以科學家在雜交水稻培育過程為主線，以真實的科學研究為情境，幫助學生理解遺傳規律、基因與性狀的關系、減數分裂、基因工程等基礎知識，理解遺傳學研究的一般方法，讓學生從科學研究的角度設計雜交方案、分析實驗結果、評價實驗方案的優劣等問題，還幫助學生認識所學知識的價值，認識到可以將知識轉化為科學生產力，既能提高產品的產量和質量，又能做到省時、省力、經濟的目的。本單元的教學整體設計思路以科學研究中不斷發現問題、解決問題，再發現問題、再解決問題的研究思路作為教學的主線(圖1)，能夠體現學科知識發展及實際應用、學科思想與方法深化。

2教學目標

基于課程標準的內容要求、學業要求和學業質量標準，并圍繞培養學生核心素養的要求，制訂了如下教學目標:(1)通過分析突變性狀的顯隱性關系、基因型、突變性狀由幾對基因控制、相關基因的位置、不同突變基因的位置關系等，鞏固遺傳學的基本概念和遺傳的基本規律。(2)利用科學研究的二手資料，通過對科研工作者研究的內容和方法進行分析、討論，訓練歸納與概括、演繹與推理等科學思維。(3)能利用核質互作雄性不育系、光溫敏雄性不育系和基因工程技術，提出可行的雜交育種方案，預期可能的實驗結果，評價實驗方案，并進一步提出研究的問題或研究的方向。(4)能在分析雜交水稻的育種方案時，運用相關的遺傳學概念和原理，全面地闡明個人的觀點和立場，同時認同合理地利用科學技術可為人類服務，培養社會責任。

3教學過程

3.1第一代雜交水稻———利用核質互作雄性不育系培育雜交水稻教師從介紹雜種優勢開始引入本單元:雜種優勢是雜合子在一種或多種性狀上優于兩個親本的現象。例如，不同品系、不同品種、甚至不同種屬間進行雜交所得到的雜種一代往往比它的雙親表現出更強大的生長速率和代謝功能，從而導致器官發達、體型增大、產量提高。然后，引導學生逐次思考問題:①要表現出雜種優勢需要進行雜交，如何進行操作呢?②以水稻為例，對每朵花都要進行人工去雄，非常麻煩，如何解決這個問題呢?③1970年秋天，袁隆平和他的助手們在一塊沼澤地里，發現了一株花粉敗育的野生稻，利用它們與栽培稻雜交，最終雜交稻培育成功。生物性狀是由基因控制的，控制此雄性不育的基因可能存在哪?④研究表明，小麥、水稻和玉米等作物，它們的雄蕊是否可育是由細胞核和細胞質中的基因共同決定的。寫出有關水稻育性可能的基因組成。⑤大田中使用的雜交種應當是雄性可育的，用什么品種與雄性不育系雜交才能產生雄性可育的雜交種呢?如何解決雄性不育系的自身留種問題，即用什么品種作父本，才能使后代保持雄性不育的特點?⑥利用雄性不育系［S(rr)雄蕊敗育，不能產生可育的花粉，不能通過自交繁殖后代］、恢復系［N(ＲＲ)與不育系雜交后可使子代恢復雄性可育特征］、保持系［N(rr)作為父本與不育系雜交時，能使F1保持雄性不育性的特性］開展的三系法雜交水稻于1964年開始研究，1973年配套成功，1976年開始大面積推廣，最高年推廣面積在1333萬hm2以上，對于提高我國水稻的畝產量有重要意義。但現在來看，你認為三系雜交水稻有什么不足?設計意圖:通過核質互作雄性不育為材料進行分析，使學生進一步鞏固細胞質遺傳的特點———母系遺傳。在學生已有的知識，即“受精作用后合子核基因一半來自父方一半來自母方，而細胞質基因全部來自母方”的基礎上，分析如何利用雄性不育植株培育獲得雜交種，以及不育系自身留種問題，來鞏固學生對遺傳規律的理解與運用。分析三系雜交水稻的不足之處，使學生認識到發現問題才能不斷推動科技的發展，并引出新內容的學習。

3.2第二代雜交水稻———利用光溫敏雄性不育系培育雜交水稻教師引導學生通過對三系雜交水稻培育的不足進行分析，讓學生認識到還需要找到新的雄性不育的突變體。此后，再提供資料:1973年，由石明松先生在湖北仙桃發現光敏感雄性核不育水稻農墾58S。這種不育性隨日照的長短而發生變化。用碘碘化鉀(IKI)染色，染成藍色代表花粉可育，實驗結果如圖2，由結果可知短日低溫時表現為可育，長日高溫表現為不育。通過農墾58S突變體的發現，教師設計一系列問題串引導學生分析，一個新性狀出現后如何借助遺傳學研究的基本思路和方法，包括顯隱性關系、幾對基因控制、相應基因的位置等，設計雜交育種的可行方案，彌補上述三系雜交水稻的不足。問題串設計如下:①如何設計實驗來確定農墾58S突變性狀是顯性性狀還是隱性性狀?該性狀是由幾對基因控制的?②科研人員將農墾58S與野生型雜交，獲得F1，讓F1自交，得F2共173株，統計其在長日條件下育性分布，如圖3。根據實驗結果能得出什么結論?③分子標記(SSＲ)是DNA中的簡單重復序列，非同源染色體上的SSＲ重復單位不同(如CA重復或GT重復)，不同品種的同源染色體上的SSＲ重復次數不同(如CACACA或CACACACA)，因此常用于染色體特異性標記。研究者提取親本和F2中單株的葉肉細胞DNA，利用染色體上特異的SSＲ進行PCＲ擴增，分析比較。Ｒ2708是12號染色體的一種分子標記，親本農墾58S的分子標記為a，野生型的分子標記為b，表1為F2群體中Ｒ2708標記基因型與育性的關系［2］:由表中數據可知農墾58S的突變基因與Ｒ2708分子標記的關系是什么?④隨后科研人員發現多種光溫敏感雄性不育水稻。其中溫敏核不育系W6154S，其性狀也是由一對隱性基因控制的，控制此不育性狀的基因與農墾58S的不育基因在染色體上的位置關系是怎樣的，如何設計實驗證明?請學生寫出方案和預期結果。⑤再引導學生分析農墾58S的育性是可以轉換的，在長日高溫條件下不育，在短日低溫條件下育性最高，這說明什么?如果你是科研工作者，你利用農墾58S設計一個育種方案，培育水稻雜交種并保存光敏雄性不育農墾58S。設計意圖:通過農墾58S突變體的發現，讓學生了解一個新突變性狀出現后如何進行遺傳學研究的基本思路和方法，包括顯隱性關系、幾對基因控制、相應基因的位置等。通過利用光溫敏雄性不育系培育獲得雜交水稻的育種方案的討論，鞏固學生對遺傳規律的理解與運用，以及性狀、基因與環境的關系。

3.3第三代雜交水稻———利用現代生物技術培育雜交水稻教師提供資料:基因工程是現代生物學研究中重要的技術方法，在很大程度上推動農業生產，但是轉基因產品安全性也引發了社會的關注和爭論。介紹Plantgeneticsystem公司提出的一項專利，將育性基因F、花粉致死基因P、紅色熒光基因Ｒ緊密連鎖的三個基因導入普通雄性不育植株的細胞，獲得了轉基因水稻［3］。此后，提出問題:如何利用這株轉基因水稻篩選獲得用于雜交制種的材料?如何篩選獲得用于不育系繁殖的材料?這項專利是如何解決轉基因安全性問題的?設計意圖:學生通過問題的分析認識到技術是把雙刃劍，只要利用好了既能獲得雄性不育系，又能解決轉基因安全性問題。

3.4歸納提升，發展延伸：最終，教師組織學生完成兩個單元活動?；顒?:要求學生對上述三代雜交水稻培育方法進行比較總結，并填寫表2。活動2:引導學生關注利用基因編輯技術實現無融合生殖水稻。首先，教師借問題“甘蔗、甘薯、馬鈴薯等可利用無性生殖的方式繁殖后代，無性生殖的特點是什么?”引導學生回答出:玉米等作物中偶爾也會出現不經過雌、雄生殖細胞融合，直接由營養體細胞或未進行減數分裂的大孢子母細胞發育成的無性胚或無性種子的無融合生殖的特點。此后，讓學生思考:無融合生殖在雜交水稻培育中有什么價值?并要求學生課后閱讀學科前沿資料:2019年中國農科院王克劍團隊利用基因編輯技術敲除了水稻的四個基因，實現無融合生殖。設計意圖:活動1可強化學生對整個單元所學內容的理解;而活動2通過對水稻這種有性生殖的生物進行基因編輯實現無融合生殖的相關問題分析，讓學生認識到生物性狀主要是由基因控制的同時，可更好地理解有絲分裂和減數分裂的區別與聯系，并關注學科發展的持續性。

4教學反思

教學中創設合適的問題情境，使學生積極參與教學活動，激發學生的靈感?；谏詈涂蒲姓鎸嵉那榫诚碌膯栴}是復雜的、多樣的，能更準確地反映學生對知識的領悟和理解，培養和發展學生的科學思維和科學探究能力。在相關問題的分析討論中，需要給學生留有足夠的思考時間，并讓學生積極表達自己的想法，方能收到更好的教學效果。

主要參考文獻

［1］吳亞先．水稻光敏核不育系農墾58S不育基因的分子遺傳規律研究［D］．長沙:湖南師范大學，2014．

［2］梅明華，陳亮，章志宏，等．農墾58S光敏不育基因突變位點的確定及pms3區間的進一步作圖［J］．中國科學(C輯)，1999，29(3):310315．

［3］雷永群，宋書鋒，李新奇．水稻雜種優勢利用技術的發展［J］．雜交水稻，2017，32(3):14．

作者:張姝玉 單位:北京市第一七一中學