Формирование функциональной грамотности учащихся при решении задач по углубленному курсу биологии

Понимая значимость формирования функциональной грамотности учащихся в контексте цели Национального проекта «Образование» о вхождении к 2024 году России в десятку лучших мировых образовательных систем по качеству общего образования, мы разрабатываем «задач-ную технологию» (В.В. Сериков) решения этой проблемы на примере изучения курса биологии.

Ранее нами уже опубликовано описание технологии формирования функциональной грамотности учащихся в ходе решения практико-ориентированной задачи, развертываемой в виде темати-ческихзаданийпоразделу«Генетикаиселекция»1.

Настоящая публикация продолжает знакомить читателей с примерами авторских материалов в виде генетических задач, требующих использования закономерностей популяционной генетики.

Таким примером является задача «Открытие Херрика».

Педагогические характеристики задачи

Содержание задачи посвящено закономерностям популяционной генетики. Задачу можно использовать при углубленном изучении биологии в качестве задания формирующего и контролирующего типов. Задача ориентирована на содействие учащимся в овладении компетенциями, обеспечивающими параметры:

читательской грамотности учащихся

– находить неявную, скрытую информацию в тексте;

– переходить от одного вида информации к другому (от таблицы к тексту);

– проводить смысловой анализ текста;

– давать развернутый ответ на вопрос в свободной форме;

– находить достоверные сведения в разных типах информационных источников (карта, таблица), делать выводы на основании полученной информации;

естественно-научной грамотности учащихся

– характеризовать признаки серповидно-клеточной анемии как одной из форм гемоглобинопатий;

– указывать ареал и особенности распространения серповидно-клеточной анемии на территории Земли;

– определять тип мутаций, порождающих возникновение аномального гемоглобина HbS;

математической грамотности учащихся

– устанавливать логические взаимосвязи на основе использования математического аппарата анализа данных.

Теоретическое введение к задаче

Серповидно-клеточная анемия – одна из форм гемоглобинопатий. Это наследственное заболевание человека, при котором эритроциты, отдавая кислород, принимают причудливую удлиненную форму, напоминающую серп. В норме эритроциты, отдавая кислород, изменяют только цвет, но сохраняют свою форму. При серповидно-клеточной анемии аномальный гемоглобин (HbS), отдавая кислород, становится менее растворимым, чем нормальный гемоглобин (HbА), и превращается в плотный гель, что и вызывает деформацию эритроцитов.

Серповидно-клеточная анемия определяется аномальным строением гемоглобина (HbS), что является результатом мутации. В структуре гемоглобина происходит замена одной аминокислоты, а именно заменой в β-цепи в 6-м положении глутаминовой кислоты на валин.

Серповидно-клеточная анемия наследуется по аутосомно-рецессивному типу (с неполным доминированием на уровне фенотипа). У носителей гетерозиготных (AS) по гену серповидноклеточной анемии в эритроцитах присутствуют примерно в равных количествах гемоглобин (HbА) и гемоглобин (HbS), то есть наблюдается кодоминирование.

Гетерозиготные носители аллеля S (АS) в обычных условиях клинически здоровы. Но симптомы могут проявиться при гипоксии (например, в горах).

У гомозигот (SS) по гену серповидно-клеточной анемии в крови имеются только эритроциты, несущие гемоглобин S, и болезнь протекает тяжело. У гомозигот с раннего детства развиваются расстройства кровообращения. В их основе лежит полимеризация молекул гемоглобина, сильное изменение формы эритроцитов и гемолиз.

Эритроциты, несущие гемоглобин S, обладают пониженной стойкостью к лизису и пониженной способностью к переносу кислорода, поэтому у больных с серповидно-клеточной анемией повышено разрушение эритроцитов в селезенке, укорочен срок их жизни, повышен гемолиз и часто имеются признаки хронической гипоксии (кислородной недостаточности).

Серповидно-клеточная анемия широко распространена в отдельных регионах Африки, в южных районах Индии. В Южной и Северной Америке это заболевание чаще характерно для выходцев из Африки.

Серповидно-клеточная анемия весьма распространена в регионах мира, эндемичных по малярии, причем больные серповидно-клеточной ане- мией обладают повышенной (хотя и не абсолютной) врожденной устойчивостью к заражению различными штаммами малярийного плазмодия.

Серповидные эритроциты этих больных также не поддаются заражению малярийным плазмодием в пробирке. Повышенной устойчивостью к малярии обладают и гетерозиготы-носители, которые анемией не болеют (преимущество гетерозигот), что объясняет высокую частоту этого аллеля в африканских популяциях.

История проблемы

Серповидно-клеточная анемия – заболевание, открытое в 1910 году. Впервые серповидную форму эритроцитов описал американский терапевт Дж. Херрик в 1919 году. В 1949 г. американский химик Л. Полинг показал, что болезнь вызывается наличием в таких эритроцитах дефектного гемоглобина. Поскольку молекула гемоглобина взрослого человека состоит из четырех белковых цепей (двух альфа-цепей и двух бета-цепей), был сделан вывод, что серповидно-клеточная анемия представляет собой «молекулярную болезнь»1.

Ступенчатое развертывание задачи в виде системы заданий

Задание 1. Следствием, какого типа мутаций является возникновение аномального гемоглобина – HbS: 1. Хромосомной. 2. Соматической. 3. Генной. 4. Геномной.

Задание 2. В 1956 г. А. Аллисон определил в одном из округов Танзании следующие частоты генотипических классов в выборках из 654 взрослых и 287 детей (табл. 1).

Таблица 1. Частота встречаемости в популяции человека (Танзания) трех генотипических классов (взрослые, дети), различающихся по формам гемоглобина (по A. Allison,1956)

Частота генотипов	Генотипические классы
	АА	АS	SS
Взрослые	0,612	0,381	0,007
Дети	0,659	0,310	0.031

Используя данные из таблицы 1, опишите:

– закономерности выживаемости трех генотипических классов в ходе постнатального развития;

– оцените относительную приспособленность особей трех генотипических групп. Для этого соотнесите генотипические частоты взрослых к таковым у детей.

Задание 3.

Используя рисунок 1, опишите особенности

Формирование функциональной грамотности распространения серповидно-клеточной анемии по территории Африки. Обратите внимание на географическое положение территорий с разной частотой распространения заболевания, их климатические условия и проч.

Рис 1. Частоты в африканских популяциях человека мутантного аллеля HbS, обусловливающего в гомозиготном состоянии серповидно-клеточную анемию:

а, б – эритроциты здоровых и больных людей;

частоты аллелей HbS (%): 1 – 15–20; 2 – 10–15; 3 – 5–10; 4 – менее 5.

Задание 4.

Какова вероятность рождения детей, неустойчивых к малярии в семье, где оба родителя устойчивы к этому заболеванию?

Задание 5.

В Нигерии частота серповидно-клеточной анемии достигает 20%. Рассчитайте частоту нормального и мутантного аллеля гена, определяющего разные формы гемоглобина.

Задание 6.

Туристам, посещающим Африку, можно рекомендовать избегать отдыха в районах с широким распространением серповидно-клеточной анемии. Объясните, почему?

Критерии оценивания и ответы

Задание 1.

Деятельность : определение понятий. Ответ: 3.

Балл: 1.

Задание 2.

Деятельность : перевод одного вида информации в другую.

Ответ : данные таблицы указывают на повышенную смертность в ходе постнатального развития рецессивных гомозигот (SS) и относительно высокую выживаемость гетерозигот (АS) (1 балл).

Уровень относительной приспособленности генотипических классов: АА – 0,929, АS – 1,228, SS – 0,242; максимальная приспособленность у гетерозигот, минимальная – у рецессивных гомозигот (1 балл).

Критерии оценивания:

– описаны все значимые элементы таблицы, не допущены ошибки – 2 балла;

– описан только один элемент таблицы, не допущены ошибки или описаны все значимые элементы таблицы, но допущены ошибки – 1 балл;

– ответ неверный – 0 баллов.

Задание 3.

Деятельность : конструирование развернутого ответа на вопрос в свободной форме.

Ответ : серповидно-клеточная анемия имеет разную встречаемость на территории Африки от единичных случаев до 20% и более.

В экваториальной Африке частота аномального аллеля высока и составляет 10–40%.

На южном и северном побережьях Африки распространение понижается до 1–2%.

Максимальное распространение анемии на юго-западном побережье Атлантического океана и на восточном Индийского океана. Это совпадает с зоной тропических лесов, где высокие влажность и температура – благоприятные условия для обитания малярийных комаров. Распространение серповидно-клеточной анемии зависит от малярии, Там, где есть малярия, частота аномального аллеля HbS возрастает.

Критерии оценивания:

– полно охарактеризовано распространение заболевания, указаны причины – 3 балла;

– полно охарактеризовано распространение заболевания, не указаны причины – 2 балла;

– неполно охарактеризовано распространение заболевания и не указаны причины – 1 балл;

– ответ неверный – 0 баллов.

Задание 4.

Деятельность : формулирование выводов и заключений на основе точной информации из текста.

Ответ : Нормальный гемоглобин – А. Аномальный гемоглобин – S. Устойчивость к малярии – АS. Нормальный гемоглобин – АА. Серповидно-клеточная анемия – SS.

Схема решения задачи

АS                   АS

Р ♀ устойчива х ♂ устойчив

G А и S               А и S

F    АА – нормальный гемоглобин

2 АS – устойчив к малярии

SS – серповидно– клеточная анемия

Вывод: вероятность рождения детей, неустойчивых к малярии – 25%.

Критерии оценивания:

– приведены фенотипы и генотипы родителей и детей, правильно указаны гаметы, определено соотношение фенотипов потомков, дан правильный ответ на вопрос – 3 балла;

– приведены фенотипы и генотипы родителей и детей, правильно указаны гаметы, нет вывода – 2 балла;

– приведены фенотипы и генотипы родителей и детей, не указаны или указаны неверно типы гамет и соотношение фенотипов потомков, нет вывода – 1 балл;

– задача решена неверно – 0 баллов.

Задание 5.

Деятельность : установление логических взаимосвязей на основе использования математического аппарата анализа данных.

Ответ:

Нормальный гемоглобин – А

Аномальный гемоглобин – S

Устойчивость у малярии – АS

Нормальный гемоглобин – АА Серповидно-клеточная анемия – SS Частота анемии – 20%

Использование уравнения Харди-Вайнберга

P2 AA : 2pqAS : q2 SS = (p + q)2

Частота анемии q2(SS) = 0,2 → Частота q(S) = √0,2 = 0,447 Частота р(А) = 1 – 0,447 = 0,553 Частота р2 АА=0,306 Частота рq (АS) = 2 ∙ 0,447 ∙ 0,553 = 0,494

Вывод : частота нормального аллеля гена Hb А = 0,553; частота мутантного аллеля гена HbS = 0,447

Критерии оценивания:

– правило оформления задачи соответствует требованиям, задача решена, есть ответы на вопросы – 3 балла;

– правило оформления задачи соответствует требованиям, задача решена, нет ответа на вопросы или задача решена, есть ответы на вопросы, но допущены биологические ошибки – 2 балла;

– правило оформления задачи соответствует требованиям, но задача решена не полностью – 1 балл;

– ответ неверный – 0 баллов.

Задание 6.

Деятельность : смысловой анализ текста.

Ответ. Поскольку серповидно-клеточная анемия – наследственное заболевание, то заразиться им невозможно. Однако ограничение связано с тем, что в районах, где данная патология имеет широкое распространение, широко распространена и малярия. С учетом того, что люди с нормальной формой эритроцитов более восприимчивы к малярии, то им следует с осторожностью посещать районы, где широко распространена серповидно-клеточная анемия.

Критерии оценивания:

– дано полное обоснование того, что сам факт наличия серповидно-клеточной анемии не является ограничителем, а также показана связь с коррелятивной зависимостью частоты случаев серповидно-клеточной анемии и распространением малярии, а также даны указания на особенности форм эритроцитов и восприимчивостью к малярии. Ответ не содержит биологические ошибки – 3 балла;

– дано полное обоснование того, что сам факт наличия серповидно-клеточной анемии не является ограничителем, а также показана связь с коррелятивной зависимостью частоты случаев серповидно-клеточной анемии и распространением малярии. Нет указания на связь формы эритроцитов и восприимчивостью к малярии. Ответ не содержит биологических ошибок – 2 балла;

– показана только коррелятивная зависимость частоты случаев серповидно-клеточной анемии и распространением малярии. Ответ не содержит биологических ошибок – 1 балл;

– ответ дан неверный – 0 баллов.