田敏

摘 要 以“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成” （第1課時）為例，采用科學(xué)史論證和模型構(gòu)建相結(jié)合的方式展開教學(xué)，對中間信使RNA相關(guān)的科學(xué)史資料進(jìn)行論證，并引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建、修正和完善轉(zhuǎn)錄模型，培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，達(dá)到深度學(xué)習(xí)的目的。

關(guān)鍵詞 科學(xué)史論證 模型構(gòu)建 RNA 轉(zhuǎn)錄

中圖分類號 Ｇ633. 91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

1 教材分析

“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”是人教版高中生物學(xué)《必修2·遺傳與進(jìn)化》第四章第一節(jié)的內(nèi)容。在前一章中，學(xué)生已經(jīng)論證出 DNA 是遺傳物質(zhì)并構(gòu)建出DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，梳理出基因、DNA與染色體之間的關(guān)系，從而掌握了基因的本質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，教師采用科學(xué)史論證和模型構(gòu)建的教學(xué)策略，指導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)基因的表達(dá)過程。本節(jié)課為后續(xù)學(xué)習(xí)基因與性狀的關(guān)系、生物的進(jìn)化和基因工程等奠定了理論基礎(chǔ)，在高中生物學(xué)中有舉足輕重的地位。

2 教學(xué)策略

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》 （以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）特別強(qiáng)調(diào)，讓學(xué)生獲得基礎(chǔ)的生物學(xué)知識的同時，要指導(dǎo)學(xué)生像生物學(xué)家一樣去思考，領(lǐng)悟其研究過程中所持有的觀點以及解決問題的思路和方法，養(yǎng)成理性的科學(xué)思維，形成積極的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展終身學(xué)習(xí)及創(chuàng)新實踐的能力。論證式教學(xué)是教師指導(dǎo)學(xué)生論證科學(xué)家研究過程的一種研究性教學(xué)，使學(xué)生經(jīng)歷像科學(xué)家一樣提出問題、收集證據(jù)、得出觀點、再支持或辯駁、得出正確結(jié)論的論證過程，發(fā)展了學(xué)生演繹與推理、批判性與創(chuàng)造性等科學(xué)思維，促進(jìn)學(xué)生掌握了科學(xué)探究的一般思路與方法，因此論證式教學(xué)有助于新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)的核心素養(yǎng)達(dá)成。模型構(gòu)建幫助學(xué)生理解微觀的物質(zhì)與過程，突破了學(xué)生主體思維的認(rèn)知限制，培養(yǎng)了學(xué)生的空間想象力。下文以“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成” （第1課時）的教學(xué)為例，根據(jù)相關(guān)的科學(xué)史，采用論證式教學(xué)策略并進(jìn)行模型構(gòu)建，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。

3 教學(xué)目標(biāo)

（1）通過科學(xué)史資料論證，運用歸納與概括、演繹與推理的方法，概述 DNA 分子上的遺傳信息是以RNA為媒介指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成，體會生命的信息觀；

（2）基于科學(xué)史論證，運用模型與建模的方法，小組合作動手構(gòu)建、完善并制作轉(zhuǎn)錄的模型，提升實踐能力和團(tuán)隊協(xié)作能力，解釋DNA如何將遺傳信息傳遞到RNA，建立批判性和創(chuàng)造性的科學(xué)思維；

（3）形成生命是物質(zhì)、能量和信息的統(tǒng)一體的觀念，認(rèn)識到生命科學(xué)的重要性，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和不斷創(chuàng)新的科學(xué)精神。

4 教學(xué)過程

4.1 創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課

新冠疫情爆發(fā)以來，新冠病毒疫苗的研發(fā)備受關(guān)注。結(jié)合時代背景，教師以新冠病毒疫苗為例，播放幾款已上市的新冠病毒疫苗研發(fā)路線的視頻，提出問題：① 在DNA疫苗研發(fā)中，為什么在細(xì)胞內(nèi)導(dǎo)入的是基因，但得到的是S蛋白？② 基因與蛋白質(zhì)有什么關(guān)系呢？③ mRNA疫苗研發(fā)中，為什么在細(xì)胞內(nèi)導(dǎo)入的是RNA，得到的也是S蛋白？④ RNA和蛋白質(zhì)又有什么關(guān)系呢？以問題串激發(fā)學(xué)生的好奇心，繼而展開本節(jié)課的內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生跟隨科學(xué)家的腳步，探究基因與蛋白質(zhì)的關(guān)系。

設(shè)計意圖：新冠疫情的爆發(fā)給人類的生活帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，教師在高中生物學(xué)教學(xué)中通過生物學(xué)知識解讀新冠疫情，將知識靈活運用到實際生活中，激發(fā)了學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲，促進(jìn)了學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解，學(xué)生的愛國主義情懷得到升華。

4.2 科學(xué)史論證，獲取新知

4.2.1 論證中間信使的存在

教師針對遺傳物質(zhì)的產(chǎn)生場所和蛋白質(zhì)的合成場所提出問題：細(xì)胞核中的基因如何指導(dǎo)核糖體上蛋白質(zhì)的合成？接著，教師引導(dǎo)學(xué)生積極思考提出兩種假說，假說一：DNA直接控制蛋白質(zhì)的合成；假說二：DNA間接控制蛋白質(zhì)的合成，并且由提出兩種不同假說的學(xué)生代表闡述理由。接著，教師先展示科學(xué)史1及其觀點：DNA作為蛋白質(zhì)合成的直接模板。在此基礎(chǔ)上，教師展示科學(xué)史2的實證，引導(dǎo)學(xué)生從空間水平上排除假說一，得出結(jié)論：轉(zhuǎn)錄需要中間信使的參與。

4.2.2 論證中間信使的本質(zhì)

教師提出問題：DNA間接控制蛋白質(zhì)的合成，那中間信使是什么物質(zhì)呢？學(xué)生的猜測可能是RNA、糖類、脂質(zhì)等，同時，學(xué)生通過比較化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)組成，認(rèn)為RNA是中間信使的最佳候選者。接著，教師展示科學(xué)史3，克里克同樣提出了RNA是中間信使的假說。這與學(xué)生的猜想不謀而合，激發(fā)了學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲和自信心。

教師展示科學(xué)史4和科學(xué)史5，引導(dǎo)學(xué)生分析實驗得出：RNA在細(xì)胞核中合成，并由細(xì)胞核移動至細(xì)胞質(zhì)中。最后教師展示科學(xué)史6，引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：RNA 以 DNA 的一條鏈為模板合成。通過這一系列科學(xué)史的實證，克里克提出的假說得到支持，即在細(xì)胞核中，以DNA的一條鏈為模板合成RNA，移動到細(xì)胞質(zhì)中指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。

設(shè)計意圖：通過真實的科學(xué)史論證，帶領(lǐng)學(xué)生體會科學(xué)家探索科學(xué)本質(zhì)的過程，使學(xué)生的思維與科學(xué)家的思維產(chǎn)生碰撞，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲。科學(xué)史中科學(xué)家運用假說演繹法、加法原理、減法原理和同位素標(biāo)記法等，完整還原了RNA作為中間信使的發(fā)現(xiàn)過程，學(xué)生從中了解并掌握科學(xué)探究的一般思路和方法，培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實的科學(xué)態(tài)度、批判性科學(xué)思維和分析討論等科學(xué)探究能力。從化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)組成兩方面分析比較 DNA 和RNA，幫助學(xué)生形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀念，并滲透一定的信息觀。

4.3 實踐探究，模型構(gòu)建

4.3.1 閱讀文本，初構(gòu)模型

教師提出問題：轉(zhuǎn)錄的場所，原料、模板、能量和酶等是什么？學(xué)生根據(jù)問題針對性地閱讀教材，分析討論后回答問題，并得出轉(zhuǎn)錄的概念：在細(xì)胞核中，通過RNA聚合酶以DNA的一條鏈為模板合成RNA的過程叫做轉(zhuǎn)錄。

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)教材中獲取的信息，以小組為單位嘗試模擬DNA轉(zhuǎn)錄過程的物理模型。教師首先介紹構(gòu)建模型所需的教具，小白板上是已解旋的基因圖片，有基因A和基因B兩種（圖3）；袋子里的小卡片代表游離的核苷酸，包含若干個不同的堿基A、T、C、G、U（圖4）。

小組成員動手構(gòu)建轉(zhuǎn)錄的模型，形成一條完整的RNA單鏈，并由兩個小組展示構(gòu)建的模型。在模型初構(gòu)的過程中，學(xué)生存在以下問題： （1）對DNA和RNA的特有組成不明確：形成的RNA上含有堿基T，并與DNA上的堿基A配對； （2）對轉(zhuǎn)錄過程中的RNA聚合酶的移動方向不清晰：無法根據(jù)轉(zhuǎn)錄的方向判斷以哪一條鏈為轉(zhuǎn)錄模板。

4.3.2 播放視頻，修正模型

教師播放轉(zhuǎn)錄過程的視頻，引導(dǎo)學(xué)生利用視頻中直觀生動的微觀分子變化，對其構(gòu)建的模型中存在的問題進(jìn)行進(jìn)一步修正與完善。接著，由兩到三個小組派代表演示修正后的模型，其他小組成員對模型進(jìn)行評價，促進(jìn)學(xué)生之間的合作與交流。

4.3.3 動畫演示，深挖模型

由一個小組以動畫的形式演示A基因的轉(zhuǎn)錄過程，學(xué)生講解轉(zhuǎn)錄步驟：解旋—配對—聚合—釋放，既鍛煉學(xué)生的語言表達(dá)能力，又檢測了學(xué)生對轉(zhuǎn)錄的掌握程度。

接著，由分別構(gòu)建A基因和B基因的兩個小組代表將A基因和B基因連接，比較分析DNA上基因的轉(zhuǎn)錄情況。教師以問題串的形式引導(dǎo)學(xué)生深挖模型：（1）轉(zhuǎn)錄時，DNA鏈完全解開嗎？ （2）一個DNA分子中某個基因轉(zhuǎn)錄時，其他基因是否一定也在進(jìn)行轉(zhuǎn)錄？ （3）一個基因的兩條鏈都能轉(zhuǎn)錄嗎？ （4）不同基因的模板鏈?zhǔn)欠裣嗤?（5）轉(zhuǎn)錄方向如何判定？

設(shè)計意圖：轉(zhuǎn)錄是一個微觀變化的過程，學(xué)生通過親手構(gòu)建模型將微觀動態(tài)形象生動化，有助于幫助學(xué)生熟悉每種分子的特點、作用以及相互關(guān)系，促進(jìn)學(xué)生對生命現(xiàn)象本質(zhì)的掌握。通過對比A基因和B基因的轉(zhuǎn)錄模型，對其差異進(jìn)行思考，學(xué)生加深理解了結(jié)構(gòu)與其功能相適應(yīng)的觀念。由一個基因的轉(zhuǎn)錄上升到DNA上多個基因的轉(zhuǎn)錄，使學(xué)生層層深入地理解基因選擇性表達(dá)的本質(zhì)。在整個構(gòu)建模型過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和探討問題，提升學(xué)生解決問題的能力，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

4.4 比較歸納，提升思維

教師引導(dǎo)學(xué)生以表格的形式比較DNA復(fù)制與轉(zhuǎn)錄的異同及意義，明確兩者之間的細(xì)微差異，如DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄中都存在解旋，但作用的酶種類存在差異，DNA復(fù)制中為解旋酶，轉(zhuǎn)錄中為RNA聚合酶，這既是對本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容的總結(jié)，又是對上一章中DNA復(fù)制的檢測。

設(shè)計意圖：對比分析DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，引導(dǎo)學(xué)生運用比較、分析與綜合的方法進(jìn)行歸納總結(jié)，提升歸納與概括、比較與分析等科學(xué)思維。

5 教學(xué)反思

本節(jié)課以高中生物學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的落實為核心，運用科學(xué)史論證和模型構(gòu)建等方式展開教學(xué)。教師帶領(lǐng)學(xué)生梳理科學(xué)史資料，找到中間信使RNA，并結(jié)合模型構(gòu)建，將抽象的生物學(xué)分子動態(tài)變化轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷦涌梢姷膶嵨锬Ｐ?。在模型?gòu)建的過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、思考并解決問題，加深了對轉(zhuǎn)錄本質(zhì)的理解，體驗了科學(xué)探究的奇妙過程，感悟到生命科學(xué)之美。整節(jié)課學(xué)生積極主動參與，從簡入難，學(xué)生逐步達(dá)到深度學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)：

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［3］ 李金赫.高中生生物建模能力培養(yǎng)研究［J］.教育科學(xué)發(fā)展，2021，3 （10）：169-170+177.