陶楊娟

(浙江省紹興市柯橋區(qū)柯橋中學(xué) 312030)

基于建構(gòu)主義理論和概念轉(zhuǎn)變理論，將課程教學(xué)分為參與(engagement)、探究(exploration)、解釋(explanation)、拓展(elaboration)及評價(evaluation)，簡稱5E教學(xué)模式。此教學(xué)模式強調(diào)學(xué)生的主體性，遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，通過探究活動解決學(xué)生對新舊概念的認(rèn)知沖突，使得學(xué)生能主動進(jìn)行科學(xué)概念的構(gòu)建及錯誤概念的轉(zhuǎn)化?，F(xiàn)以“遺傳信息的表達(dá)——RNA和蛋白質(zhì)的合成”一節(jié)教學(xué)為例，闡述5E教學(xué)模式在高中生物學(xué)教學(xué)中的實踐探究。

1 分析教學(xué)內(nèi)容，把握核心概念

“遺傳信息的表達(dá)——RNA 和蛋白質(zhì)的合成”是浙科版高中生物學(xué)教材《遺傳和進(jìn)化》第三章第四節(jié)內(nèi)容，本節(jié)的概念可用陳述句表述為：蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者；轉(zhuǎn)錄是指遺傳信息由DNA傳遞到RNA上的過程；轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物RNA分為信使RNA、轉(zhuǎn)運RNA和核糖體RNA等種類，這些RNA分子都是以DNA上的基因區(qū)段為模板轉(zhuǎn)錄而來的；在真核生物中，遺傳信息的翻譯是以mRNA為模板，利用細(xì)胞質(zhì)中的各種氨基酸，合成具有一定氨基酸排列順序的蛋白質(zhì)的過程；生物性狀的遺傳信息是由核酸中核苷酸的排列方式?jīng)Q定的。可將本節(jié)內(nèi)容以概念圖形式呈現(xiàn)(圖1)。

圖1 RNA和蛋白質(zhì)合成的知識構(gòu)圖

經(jīng)圖1分析，本節(jié)最上位的概念即重要概念：真核細(xì)胞中，細(xì)胞核中DNA上的遺傳信息指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，即DNA上的脫氧核苷酸排列順序決定了蛋白質(zhì)中氨基酸的排列順序。

2 應(yīng)用5E教學(xué)模式，開展核心概念教學(xué)

2.1 激發(fā)學(xué)生參與學(xué)習(xí) 學(xué)生參與教學(xué)活動的形式是多種多樣的，可以是教師口頭提問、用幻燈片提供問題情境、展示實物模型等方式，吸引學(xué)生的注意力和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生通過對前面幾節(jié)內(nèi)容“核酸是遺傳物質(zhì)的證據(jù)”和“遺傳信息的傳遞”的學(xué)習(xí)，已經(jīng)明確基因和遺傳信息的概念和關(guān)系，但這兩個概念在學(xué)習(xí)“轉(zhuǎn)錄”概念時存在隱蔽性，所以教師在教學(xué)中應(yīng)該讓學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)并暴露這些已有知識。

教師可用情境導(dǎo)入法，以對轉(zhuǎn)基因熒光鼠的介紹引起學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)入課題。學(xué)生對基因主要位于細(xì)胞核內(nèi)而蛋白質(zhì)的合成在細(xì)胞質(zhì)中已經(jīng)有了一定的認(rèn)識，必定產(chǎn)生疑問：細(xì)胞核中的基因如何控制細(xì)胞質(zhì)中蛋白質(zhì)的合成呢？然后以預(yù)設(shè)的問題組織學(xué)生開展課堂討論，實施探究活動，教師在討論過程中注意傾聽學(xué)生暴露的錯誤概念，最后再一并指正。

2.2 實施探究活動 受實驗材料和條件的限制，學(xué)生無法開展對DNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的探究實驗，可以問題驅(qū)動引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，再加資料講解的形式重現(xiàn)當(dāng)年的研究過程，讓學(xué)生自主建立核心概念。

活動1：針對轉(zhuǎn)基因熒光鼠的例子，引出“轉(zhuǎn)錄和翻譯”，將遺傳信息的表達(dá)過程分為轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個過程。讓學(xué)生帶著問題去閱讀教材：①轉(zhuǎn)錄和翻譯的場所在哪里？②細(xì)胞核中DNA上的基因在指導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)中蛋白質(zhì)的合成過程中，是DNA出來還是核糖體進(jìn)去？③轉(zhuǎn)錄和翻譯的產(chǎn)物是什么？

引發(fā)學(xué)生思考，學(xué)生結(jié)合已學(xué)細(xì)胞器知識，細(xì)胞核中沒有核糖體的分布及DNA主要存在于細(xì)胞核中，解答以上問題。再提供事實材料，如DNA分子的直徑約2nm，核糖體直徑約23nm及核孔直徑0.9nm等，鞏固學(xué)生的認(rèn)知，并為活動2作鋪墊。

活動2：教師布置任務(wù)：整理從DNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成過程的邏輯事件圖，以mRNA為發(fā)射點，提出若干問題。

問題1：轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物mRNA在遺傳信息的表達(dá)過程中起什么作用？

展示資料：1955年布拉舍用洋蔥根尖和變形蟲為材料進(jìn)行實驗，他用核糖核酸酶(RNA酶)分解細(xì)胞中的核糖核酸(RNA)，蛋白質(zhì)的合成就停止。而如果再加入從酵母中抽提的RNA，蛋白質(zhì)的合成就有一定程度的恢復(fù)。同年，戈爾德斯坦(Goldstein)和普勞特(Plaut)觀察到用放射性標(biāo)記的RNA從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)。因此，人們猜測RNA是DNA與蛋白質(zhì)合成之間的信使。后人將此類RNA稱為信使RNA(mRNA)[1]。

問題2：如何用實驗證明mRNA來自細(xì)胞核？

展示資料：拉斯特的變形蟲實驗，先將A組變形蟲置于含15N標(biāo)記的尿嘧啶核糖核苷酸培養(yǎng)液中培養(yǎng)；B組變形蟲置于不含15N標(biāo)記的尿嘧啶核糖核苷酸培養(yǎng)液中。一段時間后，發(fā)現(xiàn)標(biāo)記的RNA首先在A組細(xì)胞核中出現(xiàn)，過一段時間在其細(xì)胞質(zhì)中也出現(xiàn)，而B組中均未出現(xiàn)相應(yīng)標(biāo)記。隨后取A組變形蟲的細(xì)胞核移植到未標(biāo)記的B組去核變形蟲的細(xì)胞質(zhì)中，得到重組變形蟲(C組)，用未標(biāo)記的尿嘧啶核糖核苷酸培養(yǎng)液中培養(yǎng)，結(jié)果原先沒有標(biāo)記的細(xì)胞質(zhì)中出現(xiàn)了有標(biāo)記的RNA。此資料表明：是RNA在細(xì)胞核中合成并將核中DNA的遺傳信息帶到細(xì)胞質(zhì)。

問題3：mRNA在連接DNA和蛋白質(zhì)之間究竟起什么樣的作用呢？

讓學(xué)生復(fù)習(xí)教材課外讀“DNA和RNA的化學(xué)成分比較”，分析DNA與RNA的不同，可知RNA分子比較小，而且往往是單鏈結(jié)構(gòu)，能通過堿基與DNA鏈配對，故也能儲存遺傳信息。而在合成蛋白質(zhì)時，核糖體特殊的結(jié)構(gòu)，可容納mRNA、tRNA及進(jìn)行氨基酸結(jié)合等反應(yīng)。

問題4：請你猜測DNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成過程。

學(xué)生通過對上述提示的思考，初步認(rèn)定RNA是在DNA指導(dǎo)下合成，穿過核孔到達(dá)細(xì)胞質(zhì)的核糖體上，與核糖體結(jié)合后合成蛋白質(zhì)。但是，對具體過程表述比較模糊。教師可引導(dǎo)學(xué)生觀看遺傳信息表達(dá)過程視頻，并指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材，對文中的語句表述進(jìn)行解釋。

隨后，師生共同梳理這個過程：在細(xì)胞核中，以DNA的一條鏈為模板合成了具有一定堿基排列順序的RNA，轉(zhuǎn)錄時，RNA聚合酶結(jié)合在基因的啟動部位，合成的RNA，也就是說細(xì)胞核中DNA上基因的堿基排列順序決定了RNA上堿基排列順序，此過程類似于磁帶翻錄，故名轉(zhuǎn)錄。而形成的產(chǎn)物稱為信使RNA(mRNA)。mRNA在細(xì)胞核中加工后，通過核孔與細(xì)胞質(zhì)中的核糖體結(jié)合，進(jìn)行翻譯。這樣mRNA上的堿基排列順序決定了蛋白質(zhì)中氨基酸的排列順序。

問題5：既然mRNA是指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的模板，但mRNA由4種核糖核苷酸組成，而蛋白質(zhì)卻由20種氨基酸組成。4種堿基是如何排列組合起來以決定每一種氨基酸的呢？這就是分子遺傳學(xué)中著名的“遺傳密碼”問題。

展示資料：1954年，美籍俄裔理論物理學(xué)家莫夫(G.Gamow)應(yīng)用排列組合計算來研究遺傳密碼，如果1個堿基為1個氨基酸編碼，只能決定4種氨基酸，若2個堿基，則能決定16種氨基酸，若3個則能決定64種，因此提出了遺傳密碼的三聯(lián)體假說。1961年，克里克用吖啶黃引起的移碼突變證明遺傳密碼確實是三聯(lián)體。美國科學(xué)家尼倫伯格與霍拉納，尼倫伯格先合成了一條全部由尿嘧啶核苷酸(U)組成的多核苷酸鏈，即UUU……然后將這種多聚U加入到含有20種氨基酸以及有關(guān)酶的緩沖液中，結(jié)果只產(chǎn)生了一種由苯丙氨酸組成的多肽鏈。于是第一個遺傳密碼誕生了：與苯丙氨酸對應(yīng)的遺傳密碼是UUU。后來又陸續(xù)破譯了其他密碼子。在這64個密碼子中，有3個并不編碼任何氨基酸，而是作為蛋白質(zhì)合成的終止信號(“句點”)，稱為終止密碼子。

教師小結(jié)：mRNA上每3個相鄰的堿基叫做密碼子。教師指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材內(nèi)容，介紹同樣在細(xì)胞核中合成，經(jīng)加工進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中發(fā)揮作用的RNA，其單鏈比mRNA分子還小，結(jié)構(gòu)比較特別，經(jīng)加工后折疊似三葉草的葉形，一端能攜帶氨基酸；另一端有3個堿基為反密碼子，與mRNA上的密碼子互補，此RNA既有搬運氨基酸功能，又有識別密碼子功能，稱為tRNA。

為幫助學(xué)生梳理對所學(xué)知識的理解，教師可通過視頻動畫對轉(zhuǎn)錄和翻譯過程中的模板、原料、產(chǎn)物、酶、堿基配對、信息傳遞方向等相關(guān)問題進(jìn)行對比，還可以跟DNA復(fù)制作比較，加深對遺傳信息表達(dá)過程的理解。

2.3 引導(dǎo)學(xué)生解釋概念 教師根據(jù)教材中的核心概念，以判斷題的形式，要求學(xué)生判斷并解釋：①轉(zhuǎn)運氨基酸的tRNA是基因的表達(dá)產(chǎn)物；②合成該蛋白質(zhì)時，相應(yīng)的rRNA的堿基排列順序發(fā)生了變化；③核糖體認(rèn)讀mRNA上決定氨基酸種類的密碼，選擇相應(yīng)的氨基酸合成多肽鏈。

對于①，學(xué)生可利用教材關(guān)于基因表達(dá)的概念，“基因形成RNA產(chǎn)物以及mRNA被翻譯為基因的蛋白質(zhì)產(chǎn)物的過程都稱為基因表達(dá)”，判斷此話是正確的。而②和③可根據(jù)對翻譯概念的理解，判斷②是錯誤的，③是正確的。

2.4 促進(jìn)概念遷移 學(xué)生初步掌握了真核細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄和翻譯過程涉及到的幾個核心概念后，創(chuàng)設(shè)問題情境，教師應(yīng)將教材中的幾個材料整合并呈現(xiàn)于學(xué)案中，讓學(xué)生明確核心概念的內(nèi)涵和外延，促進(jìn)概念的應(yīng)用與遷移。

材料1：多肽鏈合成時，在一個mRNA分子上有若干個核糖體同時進(jìn)行工作(必修2教材中的內(nèi)容)。

材料2：(在原核細(xì)胞中)DNA與周圍的核糖體直接接觸，并通過RNA傳遞信息，由核糖體合成所需要的多肽。(必修1教材中的內(nèi)容)。

教師引導(dǎo)學(xué)生對材料進(jìn)行分析，材料1展示了翻譯過程中的一種現(xiàn)象，即多聚核糖體，一般來說，mRNA的長度越長，上面可附著的核糖體數(shù)量就越多。由于這些多肽鏈的合成都是以同一條mRNA為模板合成的，可以在短時間內(nèi)合成大量相同多肽鏈。需要注意的是，多聚核糖體只是讓很多核糖體可以一起工作，以增強肽鏈的合成效率，每條肽鏈還是只能有一個核糖體來合成，所用時間并沒有縮短，只是“同時性”提高了翻譯的效率。

材料2展示在原核細(xì)胞中，基因可以邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯，這樣同樣也可以增加效率。從中是否也可以得出原核細(xì)胞的mRNA不需要加工直接可作為翻譯的模板呢？事實確實如此，除原核細(xì)胞的mRNA，其他RNA分子，包括真核細(xì)胞的3種RNA和原核細(xì)胞的rRNA、tRNA都要經(jīng)過加工才能成為成熟有功能的分子，這個過程叫做“轉(zhuǎn)錄后的加工”或“RNA的成熟”。

通過引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材材料，幫助學(xué)生實現(xiàn)概念的遷移。

2.5 評價概念學(xué)習(xí) 經(jīng)過上述4個環(huán)節(jié)的教學(xué)，學(xué)生對于遺傳信息的表達(dá)過程中涉及的核心概念及其統(tǒng)領(lǐng)的普遍概念的理解已經(jīng)較為深刻，這時可以精選幾道練習(xí)題觀察學(xué)生對所學(xué)概念的理解，并綜合評價，一方面保證概念教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成；另一方面也有助于改進(jìn)概念教學(xué)。

例題1：下列有關(guān)蛋白質(zhì)生物合成的敘述，正確的是( )

A．一種tRNA可以攜帶多種氨基酸

B．DNA聚合酶是在細(xì)胞核內(nèi)合成的

C．反密碼子是位于mRNA上相鄰的3個堿基

D．線粒體中的DNA能控制某些蛋白質(zhì)的合成

例題2：圖示細(xì)胞內(nèi)某些重要物質(zhì)的合成過程。該過程發(fā)生在( )

A．真核細(xì)胞內(nèi)，一個mRNA分子上結(jié)合多個核糖體同時合成多條肽鏈

B．原核細(xì)胞內(nèi)，轉(zhuǎn)錄促使mRNA在核糖體上移動以便合成肽鏈

C．原核細(xì)胞內(nèi)，轉(zhuǎn)錄還未結(jié)束便啟動遺傳信息的翻譯

D．真核細(xì)胞內(nèi)，轉(zhuǎn)錄的同時核糖體進(jìn)入細(xì)胞核啟動遺傳信息的翻譯

5E教學(xué)模式注重學(xué)生在課堂上的主動參與，積極構(gòu)建活動，以生為本，要求學(xué)生在與學(xué)習(xí)內(nèi)容、教師和其他同學(xué)互動過程中構(gòu)建、重組與修正自己對生物學(xué)概念的認(rèn)識，這種互動不僅僅是動手活動，還包括動腦思考，最終達(dá)到提高學(xué)生生物學(xué)素養(yǎng)這一核心目標(biāo)。