生成式人工智能驱动的“性染色体上的基因传递与性别相关联”教学设计

 

来源公众号：华东师范大学生物学教学杂志

作者：吴金萍 闫白洋

摘要：以学生的真问题为驱动，以“人类等胎盘哺乳动物的性别决定”为探究主题，以“性反转”现象为载体，结合医学与生物学在基因层面的相关资料，运用人工智能开展生成式探究学习的课堂实践，探索提升学生科学思维能力、发展科学探究能力和深度参与社会议题的教学新形态。

关键词：人工智能;生成式探究学习;性别决定;基因;

ChatGPT、讯飞星火等生成式人工智能（AI-generated content，以下简称AIGC）的相继出现改变了学生获取信息的方式，学生在解决问题或完成任务时，可以利用AIGC查询相关的资料，大大提高了问题解决的效率，但是，也存在着对信息正确性进行识别和判断的问题。如何在课堂中利用AIGC进行探究和实践成为教育改革的重要方向之一。本文以“性染色体上的基因传递与性别相关联”为例，探索AIGC融入课堂教学的实践，为一线教师提供参考。

1 教学内容分析及设计思路

本节课是沪科版高中生物学教材必修2《遗传与进化》第2章第3节的内容，整节课的设计思路是利用黎加厚教授提出的“生成式探究学习模型”进行教学，该模型包括：激发、任务、对话、迁移、结论和评价共六个环节[1]。学生通过AIGC了解有关性别决定的原理，并以学生问题为驱动，激发学生兴趣，以“在基因层面探究人类等胎盘哺乳动物的性别决定机制”为任务，通过AIGC“对话”、生生对话和师生对话探究任务，并迁移到新情境中解决问题，得出结论，对学习经历进行评价（图1）。

2 教学目标

基于课程标准的内容要求、学业要求及学业质量，并围绕培养学生核心素养的要求，制订了如下教学目标：

(1)通过对科研资料与医学资料的分析，构建遗传病常见预防措施的原理模型，并从多基因的角度论证人类等胎盘哺乳动物的性别决定机制，重点提升演绎与推理、模型与建模能力。

(2)通过对事实证据的分析，经历提出假设、检验假设、得出结论等过程，认同实验设计与生物技术在生物学研究中的重要性，提升科学思维能力、发展科学探究能力。

(3)通过讨论社会性问题，树立正确对待人类遗传病的观念和社会责任，鼓励质疑精神，提升分析、解决实际问题的能力。

3 教学过程

3.1 激发与任务 教师呈现学生课前质疑：为什么性染色体同样为XXY的人类等哺乳动物与果蝇的性别不同？提示学生借助AIGC进行初步探究。学生整合AIGC的搜索结果，说出：人类的Y染色体上有SRY基因，有SRY基因才是男性，所以XXY的人类为男性；而果蝇的性别由X染色体条数和常染色体套数共同决定，所以有二条X染色体和二套常染色体的果蝇为雌果蝇。随后教师明确本节课任务：在基因层面探究人类等胎盘哺乳动物的性别决定机制。

设计意图：以课前质疑为驱动，通过整合AIGC的搜索结果，初步自我解惑并形成“Y染色体上的SRY基因决定人类性别”的结论；将探究从染色体层面自然深入到基因层面，展开基于学情的精准探究。

3.2  对话  教师介绍“性反转”现象：主要表现为患者性腺性别与性染色体性别不相符，临床分型主要包括男性反转(46，XX)和女性反转(46，XY)两类。请学生先根据哺乳动物性别决定的原理去推测“性反转”现象发生的原因，再利用AIGC探讨自己的猜测。学生在利用AIGC对话时，因为设问的问题不同，AIGC给出了不同的答案。例如设问“性反转是什么?”时，AIGC给出的答案框架是“染色体异常、基因突变、激素异常、环境因素等”，设问“如何解释男性反转(46，XX)和女性反转(46，XY)两类?”时，AIGC给出的答案框架是“在46，XX男性反转的情况下，SRY基因可能由于某种机制错误地出现在了X染色体上，导致本应发育为女性的个体表现出男性特征；在某些情况下，XY个体可能因为Y染色体上的性别决定区域（如SRY基因）的缺失或功能异常，导致无法正常发育男性特征，从而表现出女性特征”。然后，引导学生合作设计方案证明或证伪AIGC答案的正确性，学生会提出“受精卵时期敲除XY小鼠的SRY基因或利用基因工程技术将SRY基因导入XX小鼠，观察小鼠性别”等，教师要对方案进行分析和反馈，并提供科学史资料“1990年科学家发现性染色体为XY的雄性小鼠，如果SRY基因出现了关键碱基的突变，它们会长出卵巢而不是睾丸”[2],来证明结果。

设计意图：提供真实情境问题，引导学生利用AIGC人机对话查阅答案，并试图设计实验方案验证猜测，培养学生批判性思维能力和正确使用AIGC的能力，提升学生科学思维与科学探究能力。

3.3 迁移  出示来自吉林大学第一医院生殖中心8位男性不育且外生殖器发育不良的患者染色体核型检查结果：45+X与46+XX[3]。追问：①你认为患者的SRY基因在哪里?②此8位男性不育患者发生了什么?③如何验证你的猜测?组织学生先组内讨论，再组间交流。学生一致认为SRY基因位于X染色体，由于父亲Y染色体的非同源区与X染色体发生易位引起。学生能够想到需要检测患者X染色体上是否有SRY基因，好几位学生基于自身兴趣或父母的医学背景，能够说出PCR扩增的基本原理，对于基因检测的原理，学生一筹莫展。教师顺势出示患者的SRY基因PCR检测结果(图2和图3)，提示关键词：PCR扩增、紫外凝胶成像仪和荧光原位杂交检测，请学生利用AIGC展开人机对话，小组合作解决自身困惑。教师不再做任何提示，只是引导学生组间交流实验原理与检测结果分析，追问：①检测结果符合你的预期吗?②8位患者都需要做这两个检测吗?学生对图2检测结果进行解读时，发现有2位患者没有SRY基因，实验结果并非完全符合预期，自主提出可能还有其他基因参与性别决定，为后续迁移探究学习做铺垫。学生在分析图3结果时发现：患者的SRY基因可以在X染色体上，也可以在常染色体上，自主发现Y染色体既可能与X染色体实现易位，也可能与常染色体实现易位。

设计意图：追问中呈现已知、暴露未知，教师不做纠正，而是呈现患者的检测结果、提示关键词，充分调动学生已有资源与好奇心。学生在运用AIGC展开人机对话的过程中解答自身困惑、生成新的探究需要，完善认知结构。

3.4 结论  请学生先根据事实证据利用AIGC探讨自己的猜测。学生在利用AIGC对话时，因为设问的问题不同，AIGC再次给出了不同的答案。例如设问“人类的性别决定由多对等位基因共同决定吗”时，AIGC给出的答案框架是“否，仅由性染色体组合决定”，设问“目前科学研究发现了哪些与人类性别决定相关的基因”，AIGC给出的答案框架是“是，人类的性别决定是一个涉及多个基因和复杂相互作用的调控网络”。教师追问学生：面对AIGC自相矛盾的答案，我们该怎么办?学生主动提出：对于科学问题，科学家的一手资料更具可信度，教师提供部分科研事实，引导学生根据科研资料，结合AIGC对话，构建模型来探究问题的答案，学生建模结果如图4。教师先请学生根据今日探究所学，精炼新主张；再呈现两名无SRY基因患者的RSPO1基因和WNT4基因检测结果：这两种基因均未发生突变，请学生解释可能原因后补充：是否如同学们的猜测，还存在其他与性别决定相关的非等位基因；这些非等位基因之间是否存在更多相互调节关系，有待人类的进一步探究。最后推荐2018年和2022年的两篇具有世界影响力的科研论文，供意犹未尽的学生自主阅读。

相关科研资料如下：

SOX9基因（位于17号染色体）：在SRY不存在的情况下，若SOX9在雌性小鼠未分化性腺中过度表达，足以引发苗勒氏管抑制物表达，并使雌性小鼠长出睾丸。

RSPO1基因（位于1号染色体）：当SRY基因存在时，RSPO1基因的表达将受到抑制，导致SOX9基因表达的增强，从而使睾丸发育。通过实验敲除雌鼠RSPO1基因，实验对象长出睾丸。

WNT4基因（位于11号染色体）：WNT4通过抑制男性性分化、促进苗勒氏管分化和维持卵母细胞健康，在卵巢决定通路中发挥重要功能。通过实验敲除雌鼠WNT4基因，由于缺少WNT4基因的抑制，依然可使SOX9基因的表达量促进原始性腺向睾丸方向分化。

NR5A1基因（位于9号染色体）：在NR5A1基因敲除的XY雄鼠中，性腺在胚胎期退化直至完全消失，退化的性腺中未检测到SRY基因的表达。医学中有报道过一例女性46，XY病例，该患者SRY基因无异常，但在9号染色体某处发生连同NR5A1基因在内的7Mb的缺失。

DAX1基因（位于X染色体）：DAX1多拷贝基因转入到XX， SRY+/+的小鼠中，将阻止这些小鼠向雄性转化，使其保持雌性。

设计意图：在真实情境问题中引导学生继续利用AIGC人机对话查阅答案，培养学生批判性思维能力；运用科研一手资料，参考AIGC对话结果，构建性别决定的模型，形成“人类等胎盘哺乳动物的性别决定是多基因参与的有序协调过程”的概念，培养学生模型与建模、推理与演绎的科学思维能力。通过对两名无SRY基因患者的分析，形成科学在论证中产生必将在论证中继续发展的观点。保留部分近期科研资料，推荐给有需要的学生自主学习，课后再做个性化交流。

3.5 评价  先组织学生小组讨论，出示量表（表1），引导学生反思在“生成式探究学习模型”进行“在基因层面探究人类等胎盘哺乳动物的性别决定机制”学习中的表现，并进行自我评价和交流。

设计意图：引导学生对学习过程进行反思，尤其是在AIGC支持下，如何进行自主探究生物学相关问题，提高自主学习能力。

4 教学反思

AIGC的出现使学生不再局限于被动分析教师提供的资料，为学生探究活动提供支持，可以有效拓展学生在课堂内外基于主题的探究范围。但是AIGC对话中经常出现错误的答案，如何设计方案进行验证是AIGC赋能课堂的重要方式之一。本文利用的是黎加厚教授提出的“生成式探究学习模型”，初步探讨了激发、任务、对话、迁移、结论和评价六个环节在常态化课堂的应用，为AIGC赋能课堂教学提供教学案例。

来源网址：人大复印报刊资料转载|生成式人工智能驱动的“性染色体上的基因传递与性别相关联”教学设计

来源：吴金萍,闫白洋.生成式人工智能驱动的“性染色体上的基因传递与性别相关联”教学设计[J].生物学教学,2025,50(04):32-35.