邱俊杰

摘 要：科學(xué)史中蘊含了豐富的教學(xué)資源。在學(xué)習(xí)《基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成》的過程中沿著科學(xué)家的探究軌跡開展思維活動，有助于學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：科學(xué)史;科學(xué)思維;教學(xué)案例

具備科學(xué)思維的學(xué)生能夠基于生物學(xué)事實和證據(jù)運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律。在生物學(xué)科學(xué)史中有著豐富的案例，合理選用可很好地發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力。

一、案例背景

《基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成》一課介紹了基因中的遺傳信息控制生物性狀的過程。教師在教學(xué)中，依次介紹轉(zhuǎn)錄、翻譯的概念，分析各自的場所、原料、模板等，固然可以取得比較好的教學(xué)效果，但對于學(xué)生的科學(xué)思維訓(xùn)練不足。科學(xué)家在揭秘基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成的過程中，合理假設(shè)、大膽推理、設(shè)計實驗、得出結(jié)論，這些都是發(fā)展學(xué)生思維能力的良好素材。

因此，本課設(shè)計為以遺傳密碼的破譯為切入口，用科學(xué)史設(shè)計思維活動，引領(lǐng)學(xué)生逐步揭開遺傳信息的傳遞過程，讓學(xué)生在形成生命觀念的同時養(yǎng)成科學(xué)思維的習(xí)慣。在教學(xué)活動的設(shè)計上依據(jù)思維規(guī)律逐步提出問題，在學(xué)生作出假設(shè)的基礎(chǔ)上再呈現(xiàn)科學(xué)史實驗加以驗證，引導(dǎo)學(xué)生得出與科學(xué)家相近的結(jié)論，從而激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，鍛煉其科學(xué)思維能力。

二、案例過程

1.創(chuàng)設(shè)情境

教師播放一組圖片：袋裝淀粉酶、肌肉、雞蛋白、胰島素。提問：你能說出這些生活中的物品是什么嗎？學(xué)生七嘴八舌地說完，教師再問：他們主要都是由什么化合物構(gòu)成的？這次學(xué)生的意見很統(tǒng)一：蛋白質(zhì)。教師繼續(xù)提問：為什么都是蛋白質(zhì)，但表現(xiàn)出的形態(tài)和功能各不相同呢？這是由什么決定的呢？教室里安靜了下來，學(xué)生在思考。教師揭曉答案：蛋白質(zhì)的多樣性是由DNA中的遺傳信息決定的，科學(xué)史上破譯遺傳信息的過程就像破譯電報密碼一樣，是個復(fù)雜的過程，今天就讓我們當(dāng)一次小小科學(xué)家，沿著前人的足跡一起探索。

2.像科學(xué)家一樣思考

教師：我們知道攜帶有遺傳信息的DNA主要儲存于細(xì)胞的

細(xì)胞核中，蛋白質(zhì)主要在細(xì)胞質(zhì)中，那么細(xì)胞核中的遺傳信息會不會直接跑到細(xì)胞質(zhì)中指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成？學(xué)生討論后給出答案：DNA主要位于細(xì)胞核中的染色體上，染色體體積較大不能穿過核孔。教師趕緊追問：它們之間是否有一種物質(zhì)充當(dāng)“信使”呢？這個“信使”是什么呢？

思維活動一：誰是信使？

教師提供科學(xué)史一：1955年布拉奇特（Brachet）用洋蔥根尖細(xì)胞和變形蟲進(jìn)行了實驗。若加入RNA酶降解細(xì)胞中的RNA，則蛋白質(zhì)合成就停止。若再加入從酵母菌中提取的RNA，則又可以重新合成一些蛋白質(zhì)。教師提問：根據(jù)以上科學(xué)實驗，你能提出何種假設(shè)呢？

學(xué)生分小組展開熱烈的討論，并作出假設(shè)：RNA可能是傳遞遺傳信息的物質(zhì)。教師繼續(xù)提問：可以用什么方式來驗證這個假設(shè)呢？教室里陷入了沉默，顯然學(xué)生答不上來。教師提示：如果的確是RNA在傳遞遺傳信息，它在細(xì)胞中的移動軌跡應(yīng)該是什么方向呢？我們有什么方法看到RNA在細(xì)胞中的移動軌跡呢？教室里恢復(fù)了生機(jī)，學(xué)生一下子反應(yīng)了過來：可以用放射性同位素標(biāo)記RNA，觀察放射性物質(zhì)的移動軌跡是否從細(xì)胞核到細(xì)胞質(zhì)。

教師提供科學(xué)史二：1955年戈德斯坦（Goldstein）和普勞特

（Plaut）用同位素標(biāo)記RNA前體，發(fā)現(xiàn)放射性同位素都在細(xì)胞核內(nèi)。經(jīng)過一段時間，發(fā)現(xiàn)放射性同位素出現(xiàn)在細(xì)胞質(zhì)中。學(xué)生看到自己的設(shè)想被科學(xué)家們用實驗驗證了都很滿足，并得出結(jié)論：這表明RNA在細(xì)胞核中合成，之后轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，RNA成為在DNA和蛋白質(zhì)之間傳遞信息的最佳候選者。于是師生共同學(xué)習(xí)了RNA分子結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識，并與DNA的分子結(jié)構(gòu)做比較。

思維活動二：遺傳信息如何傳遞？

教師提問：RNA與DNA的結(jié)構(gòu)有何相似和不同？學(xué)生仔細(xì)觀看DNA和RNA的結(jié)構(gòu)示意圖后回答：RNA和DNA的基本單位都是核苷酸，區(qū)別在于核苷酸種類不同，另外DNA是雙鏈結(jié)構(gòu)，RNA是單鏈結(jié)構(gòu)。

教師繼續(xù)提問：RNA結(jié)構(gòu)上的這些特點使它如何能傳遞DNA的遺傳信息？學(xué)生回答不上來，教師趕緊轉(zhuǎn)換問題：DNA是如何把遺傳信息傳給下一代DNA的？這個問題學(xué)生能答上了：按照堿基互補配對原則，進(jìn)行半保留復(fù)制。教師問：那RNA的合成有可能類似嗎？學(xué)生表示有可能，但希望看到證據(jù)。

教師提供科學(xué)史三：施皮格爾曼（S.Spiegeman）的分子雜交實驗，大腸桿菌被T2噬菌體感染后新合成的RNA只能與噬菌體的DNA相配對形成“雜種”鏈，細(xì)胞內(nèi)的其他RNA則不能與T2噬菌體DNA雜交。學(xué)生分析：能配對，證明新合成的RNA是由T2噬菌體DNA編碼的。

學(xué)生推測：RNA的合成類似于DNA分子的半保留復(fù)制，按照堿基互補配對原則進(jìn)行，因此可以獲得DNA的“編碼”。于是教師播放轉(zhuǎn)錄動畫，師生共同學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)錄的概念和過程。

思維活動三：幾個核苷酸決定一個氨基酸？

教師：遺傳信息從DNA傳遞到RNA再傳遞到蛋白質(zhì)，基本單位由4種核苷酸變?yōu)榱?0種氨基酸。那么幾個核苷酸決定一個氨基酸呢？對此問題學(xué)生有些茫然，不知從何下手。

教師提供科學(xué)史四：伽莫夫（Gamow）的假設(shè)，如果1個核苷酸決定1個氨基酸就只能決定1種，如果2個核苷酸決定1個氨基酸就只能決定16種，如果3個核苷酸決定1個氨基酸就能決定64種。

學(xué)生反應(yīng)了過來：這不就是排列組合嗎，至少3個核苷酸決定一個氨基酸才能超過20種呀。教師追問：那可能由四個或更多的核苷酸決定一個氨基酸嗎？學(xué)生說必須通過實驗才能分析。

教師提供科學(xué)史五：五十年代中期，斯坦福大學(xué)的耶洛夫斯基在研究某種酶的時候，發(fā)現(xiàn)控制這種酶的DNA片段大約有1000多個核苷酸的長度，轉(zhuǎn)錄形成的mRNA具有1000個堿基，但合成的這種酶大約由280個氨基酸組成。學(xué)生推測：從比例關(guān)系來看，決定一個氨基酸的應(yīng)該是3個而不是4個核苷酸。教師繼續(xù)提出問題：核苷酸與氨基酸的比例不是嚴(yán)格的3∶1，如何確定的確是3個核苷酸決定1個氨基酸？

教師提供科學(xué)史六：克里克發(fā)現(xiàn)在mRNA上添加1個或2個

核苷酸會使得整條肽鏈出錯，而添加3個核苷酸只會使得肽鏈多一個氨基酸而不會改變其他位置的順序。學(xué)生：由此推斷，一個氨基酸是由mRNA的3個核苷酸決定的。師生共同學(xué)習(xí)密碼子的概念。

思維活動四：每種密碼子對應(yīng)哪種氨基酸？

學(xué)生提出疑惑：我們知道了遺傳信息由DNA傳遞至mRNA的過程，也知道了mRNA上的密碼子可以決定蛋白質(zhì)中的氨基酸，但是每種密碼子分別對應(yīng)哪種氨基酸呢？教師：尼倫伯格設(shè)計了一個精彩的實驗，讓我們一起閱讀教材。想一想，多聚U相當(dāng)于什么？多聚U上的密碼子是什么？學(xué)生討論后表述：多聚U相當(dāng)于mRNA，其上的密碼子為UUU。教師追問：如果UUU為密碼子，那么多聚U控制合成的多肽鏈應(yīng)由多種氨基酸構(gòu)成還是同種氨基酸構(gòu)成？

學(xué)生熱烈的討論后作出假設(shè)：密碼子相同，氨基酸也應(yīng)該相同。教師：尼倫博格的實驗驗證了大家的假設(shè)，多聚U只在含苯丙氨酸的試管中合成了多肽，說明了什么？學(xué)生馬上說道：UUU是苯丙氨酸的密碼子之一。教師：經(jīng)過科學(xué)家們的不懈努力，1967年20種氨基酸的密碼子全部破譯。師生共同學(xué)習(xí)密碼子表。

教師：由mRNA上的密碼子控制的多肽鏈的形成過程，我們將在下節(jié)課沿著科學(xué)家們的足跡，繼續(xù)學(xué)習(xí)。

三、案例反思

1.科學(xué)史實驗讓學(xué)生體驗思維過程

本課設(shè)計時選用了幾個科學(xué)史上的實驗，將科學(xué)家們對遺傳信息控制生物性狀的推理過程逐步呈現(xiàn)在了學(xué)生面前。教學(xué)過程上，用四個思維活動提升學(xué)生思維品質(zhì)，發(fā)展學(xué)生的辨別、評價、創(chuàng)造等高階思維能力。體驗科學(xué)探究的過程，像科學(xué)家一樣提出問題、分析問題、作出假設(shè)，驗證假設(shè)，得出結(jié)論。同時，在探究的過程中，建構(gòu)起相關(guān)的知識框架，如RNA結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)錄的過程、密碼子等。

從課堂反饋來看，學(xué)生對這種教學(xué)設(shè)計很感興趣，從前半節(jié)課怕動腦筋不知道如何下手到后半節(jié)課主動問老師科學(xué)家們是怎么做的，興趣越來越濃。特別是當(dāng)自己的假設(shè)得到科學(xué)實驗驗證的時候，教室里常響起“你看看，我說的吧”“所以啊，我的推理是正確的”等聲音，學(xué)生的滿足溢于言表。在驗證遇到困難的時候也愿意和同學(xué)商討實驗方法，或從科學(xué)家的設(shè)計中汲取營養(yǎng)，恍然大悟。

這種科學(xué)史引領(lǐng)思維的課堂在遺傳與進(jìn)化模塊中許多地方可以使用，如探索遺傳物質(zhì)的過程、DNA的分子結(jié)構(gòu)、基因突變等。合理地使用科學(xué)史可以使學(xué)生更認(rèn)同科學(xué)家的工作，運用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物、解決實際問題。

2.有效的問題串幫助學(xué)生越過思維障礙

在科學(xué)史教學(xué)過程中，教師發(fā)現(xiàn)受認(rèn)知水平的限制，有些預(yù)設(shè)的問題學(xué)生是答不上來的，于是及時變通，轉(zhuǎn)化問題，用之前學(xué)習(xí)的知識為學(xué)生搭建臺階，順利地幫助學(xué)生越過了思維障礙。例如直接問學(xué)生RNA怎樣合成，學(xué)生不知如何回答。教師于是趕緊轉(zhuǎn)換問題，引導(dǎo)學(xué)生通過RNA與DNA分子結(jié)構(gòu)的類比，推測出RNA的合成過程可能類似于之前學(xué)習(xí)過的DNA的復(fù)制過程，再通過展示科學(xué)史實驗使學(xué)生的思維得到了最有力的肯定。

引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論固然是教學(xué)的根本，但同時應(yīng)該注重用問題引導(dǎo)學(xué)生的思維過程。高一的學(xué)生面對需要抽象思維的問題時，大多會感覺茫然，無從下手，因此以問題驅(qū)動探究，為學(xué)生搭臺子鋪路子就成為課堂上的重點。一方面要根據(jù)學(xué)生的反應(yīng)不斷更新問題，另一面要幫助學(xué)生歸納總結(jié)他們想要表達(dá)的實驗設(shè)計思路。在逐步引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗的過程中，完成對知識的建構(gòu)過程。

3.科學(xué)史教學(xué)中需要解決的問題

首先是如何解決學(xué)生的思路和科學(xué)家不一致的問題。因為是開放性的設(shè)計實驗，學(xué)生在課堂中也提出了一些自己的想法，如為什么只有一條DNA鏈能作為轉(zhuǎn)錄模板，想探究另一條鏈的作用;如想研究各種酶在傳遞遺傳信息中的作用等。這些問題看起來與課堂主題無關(guān)，實際卻是學(xué)生基于自身的知識基礎(chǔ)提出的實實在在的問題。教師不應(yīng)該否定他們的觀點，而應(yīng)肯定他們的積極思維，同時引導(dǎo)他們回到預(yù)設(shè)的主線上來。與學(xué)生的思辨過程也是教師的進(jìn)步過程。

其次是課堂參與度的問題，在引導(dǎo)學(xué)生思維的過程中也發(fā)現(xiàn)有部分學(xué)生參與思維活動的積極性不高，引導(dǎo)小組討論的過程中不愿參與活動的學(xué)生參與討論，調(diào)動班級整體活力，是需要不斷思考和嘗試的問題。

編輯 杜元元