5E教學模式在高中生物學核心概念教學中的實踐

陶楊娟

(浙江省紹興市柯橋區(qū)柯橋中學 312030)

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

1 分析教學內(nèi)容，把握核心概念

“遺傳信息的表達——RNA 和蛋白質(zhì)的合成”是浙科版高中生物學教材《遺傳和進化》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?？蓪⒈竟?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：真核細胞中，細胞核中DNA上的遺傳信息指導蛋白質(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 應用5E教學模式，開展核心概念教學

2.1 激發(fā)學生參與學習 學生參與教學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，吸引學生的注意力和激發(fā)學生學習興趣。學生通過對前面幾節(jié)內(nèi)容“核酸是遺傳物質(zhì)的證據(jù)”和“遺傳信息的傳遞”的學習，已經(jīng)明確基因和遺傳信息的概念和關(guān)系，但這兩個概念在學習“轉(zhuǎn)錄”概念時存在隱蔽性，所以教師在教學中應該讓學生主動發(fā)現(xiàn)并暴露這些已有知識。

教師可用情境導入法，以對轉(zhuǎn)基因熒光鼠的介紹引起學生的注意力，激發(fā)學生的學習興趣，導入課題。學生對基因主要位于細胞核內(nèi)而蛋白質(zhì)的合成在細胞質(zhì)中已經(jīng)有了一定的認識，必定產(chǎn)生疑問：細胞核中的基因如何控制細胞質(zhì)中蛋白質(zhì)的合成呢？然后以預設的問題組織學生開展課堂討論，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，學生無法開展對DNA指導蛋白質(zhì)合成的探究實驗，可以問題驅(qū)動引發(fā)學生的學習興趣，再加資料講解的形式重現(xiàn)當年的研究過程，讓學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”，將遺傳信息的表達過程分為轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個過程。讓學生帶著問題去閱讀教材：①轉(zhuǎn)錄和翻譯的場所在哪里？②細胞核中DNA上的基因在指導細胞質(zhì)中蛋白質(zhì)的合成過程中，是DNA出來還是核糖體進去？③轉(zhuǎn)錄和翻譯的產(chǎn)物是什么？

引發(fā)學生思考，學生結(jié)合已學細胞器知識，細胞核中沒有核糖體的分布及DNA主要存在于細胞核中，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，鞏固學生的認知，并為活動2作鋪墊。

活動2：教師布置任務：整理從DNA指導蛋白質(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行實驗，他用核糖核酸酶(RNA酶)分解細胞中的核糖核酸(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。同年，戈爾德斯坦(Goldstein)和普勞特(Plaut)觀察到用放射性標記的RNA從細胞核轉(zhuǎn)移到細胞質(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)標記的RNA首先在A組細胞核中出現(xiàn)，過一段時間在其細胞質(zhì)中也出現(xiàn)，而B組中均未出現(xiàn)相應標記。隨后取A組變形蟲的細胞核移植到未標記的B組去核變形蟲的細胞質(zhì)中，得到重組變形蟲(C組)，用未標記的尿嘧啶核糖核苷酸培養(yǎng)液中培養(yǎng)，結(jié)果原先沒有標記的細胞質(zhì)中出現(xiàn)了有標記的RNA。此資料表明：是RNA在細胞核中合成并將核中DNA的遺傳信息帶到細胞質(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？

讓學生復習教材課外讀“DNA和RNA的化學成分比較”，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及進行氨基酸結(jié)合等反應。

問題4：請你猜測DNA指導蛋白質(zhì)合成過程。

學生通過對上述提示的思考，初步認定RNA是在DNA指導下合成，穿過核孔到達細胞質(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。教師可引導學生觀看遺傳信息表達過程視頻，并指導學生閱讀教材，對文中的語句表述進行解釋。

隨后，師生共同梳理這個過程：在細胞核中，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在細胞核中加工后，通過核孔與細胞質(zhì)中的核糖體結(jié)合，進行翻譯。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家莫夫(G.Gamow)應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。教師指導學生閱讀教材內(nèi)容，介紹同樣在細胞核中合成，經(jīng)加工進入細胞質(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。

為幫助學生梳理對所學知識的理解，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)問題進行對比，還可以跟DNA復制作比較，加深對遺傳信息表達過程的理解。

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

對于①，學生可利用教材關(guān)于基因表達的概念，“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”，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 促進概念遷移 學生初步掌握了真核細胞中轉(zhuǎn)錄和翻譯過程涉及到的幾個核心概念后，創(chuàng)設問題情境，教師應將教材中的幾個材料整合并呈現(xiàn)于學案中，讓學生明確核心概念的內(nèi)涵和外延，促進概念的應用與遷移。

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行工作(必修2教材中的內(nèi)容)。

材料2：(在原核細胞中)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)。

教師引導學生對材料進行分析，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，除原核細胞的mRNA，其他RNA分子，包括真核細胞的3種RNA和原核細胞的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”。

通過引導學生閱讀教材材料，幫助學生實現(xiàn)概念的遷移。

2.5 評價概念學習 經(jīng)過上述4個環(huán)節(jié)的教學，學生對于遺傳信息的表達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題觀察學生對所學概念的理解，并綜合評價，一方面保證概念教學目標的達成；另一方面也有助于改進概念教學。

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

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