物理模型構(gòu)建在“基因表達(dá)”教學(xué)中的實(shí)踐探析

鄭世輝

摘 要 自制與教材匹配的物理模型，讓學(xué)生動(dòng)手操作和演練變換，能有效構(gòu)建前概念和后續(xù)概念間的知識(shí)體系，從分子和細(xì)胞水平理解“基因表達(dá)”的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程。

關(guān)鍵詞 物理模型構(gòu)建 基因表達(dá) 生物學(xué)教學(xué)

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

由于人教版《必修2·遺傳與進(jìn)化》中“基因表達(dá)”章節(jié)中的重要概念具有抽象性和動(dòng)態(tài)過程性，因此在以前的教學(xué)中筆者大多采用PPT和Flash動(dòng)畫演示相結(jié)合的方式來增強(qiáng)概念間的直觀性，但也難免會(huì)過分注重教師的主導(dǎo)和講授，結(jié)果是學(xué)生不能很好地辨別概念，建構(gòu)自己的知識(shí)體系，容易脫離生物學(xué)科本身的系統(tǒng)科學(xué)性和概念間的嚴(yán)密邏輯性，死記硬背大量的知識(shí)點(diǎn)。教學(xué)效果的時(shí)效性往往需要教師借助大量的習(xí)題演練去鞏固和強(qiáng)化，效果一般。

奧蘇貝爾在《教育心理學(xué)：一種認(rèn)知觀》中提到“當(dāng)新概念與頭腦中前概念間存在某種類屬關(guān)系時(shí)，若指導(dǎo)者能給予有效引導(dǎo)，使之進(jìn)行正確銜接，將有利于學(xué)習(xí)者將新概念同化到自己頭腦的已有概念體系中，從而習(xí)得概念”。“基因表達(dá)”的概念體系恰好符合這一認(rèn)知特點(diǎn)，若能將學(xué)生前期所學(xué)的“DNA分子結(jié)構(gòu)”與“基因轉(zhuǎn)錄和翻譯”兩大概念體系，借助模型構(gòu)建的方法進(jìn)行正確引導(dǎo)和銜接，或許會(huì)收到“事半功倍”的效果。下面以“基因表達(dá)模型”來探析如何利用物理模型，促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)概念體系。

1 物理模型構(gòu)建的理論依據(jù)和構(gòu)建的主體

1.1 理論依據(jù)

模型方法是以研究模型來揭示原型的形態(tài)、特征和本質(zhì)的方法。模型構(gòu)建中舍去了原型的一些次要的細(xì)節(jié)、非本質(zhì)的聯(lián)系，以簡化和理想化的形式去再現(xiàn)原型的各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)、功能和聯(lián)系，它能具體形象、生動(dòng)、深刻地反映事物的本質(zhì)和發(fā)展。

筆者將繁雜的核苷酸結(jié)構(gòu)加以主體式的簡化，與教材插圖接軌的同時(shí)，突出主干知識(shí)體系間的聯(lián)系。教師充分考慮到“基因表達(dá)”物理模型是個(gè)系統(tǒng)性的動(dòng)態(tài)模擬模型，嘗試讓學(xué)生在黑板上創(chuàng)設(shè)一個(gè)較為完整的“基因表達(dá)細(xì)胞環(huán)境”，并結(jié)合各模型單元間的組合性開展探析活動(dòng)。

1.2 構(gòu)建的主體對(duì)象和活動(dòng)組織策略

物理模型方法是用實(shí)物代替原物進(jìn)行研究的方法，教學(xué)中應(yīng)圍繞“面向全體學(xué)生、倡導(dǎo)探究式學(xué)習(xí)”的新課程理念展開。教學(xué)對(duì)象和可操作性不同，構(gòu)建者也應(yīng)有所差異?；虮磉_(dá)模型涉及的知識(shí)點(diǎn)多、內(nèi)在聯(lián)系性強(qiáng)，若教師放手讓學(xué)生在課后利用多種材料去制做，反而不利于“基因表達(dá)”教學(xué)過程的展開。

筆者采用主體由教師充當(dāng)，利用磁片貼紙事先按尺寸剪粘成“基因模板、原料、核糖體、tRNA”等可活動(dòng)模型。在閱讀教材和觀看Flash動(dòng)畫的基礎(chǔ)上，教師要求學(xué)生利用實(shí)物模型，以學(xué)生代表上黑板演練交流的方式創(chuàng)設(shè)“表達(dá)的細(xì)胞環(huán)境”情境，親身體會(huì)“基因表達(dá)”這一多層次多概念的動(dòng)態(tài)流程。

2 物理模型構(gòu)建的課前準(zhǔn)備

2.1 材料選擇及模擬對(duì)象（表1）

2.2 表達(dá)基因模板構(gòu)建

模型的構(gòu)建在充分考慮原型主體的同時(shí)，還應(yīng)與教材內(nèi)容有效接軌并適當(dāng)延伸。這樣才能既考慮了學(xué)生的認(rèn)知性，同時(shí)也適當(dāng)促進(jìn)了學(xué)生對(duì)主干知識(shí)內(nèi)容的遷移能力。因此，筆者結(jié)合人教版必修2圖4-6，加以延伸基因的5′、3′端的有關(guān)知識(shí)，從而銜接前概念（DNA分子結(jié)構(gòu)）和后概念間；同時(shí)為“轉(zhuǎn)錄和復(fù)制都有規(guī)律性方向”提供平臺(tái)，達(dá)到為后續(xù)內(nèi)容“起始和終止密碼子”的教學(xué)構(gòu)建完整知識(shí)體系的目的?；蚰０迦鐖D1所示。

2.3 無序擺放模型的各活動(dòng)模塊，嘗試讓學(xué)生創(chuàng)設(shè)“表達(dá)的細(xì)胞環(huán)境”情景

教師事先講解清楚自制各活動(dòng)模塊（如透明膠帶、三角推板）模擬的對(duì)象和基本含義，通過黑板無序擺放的形式請(qǐng)學(xué)生分別動(dòng)手創(chuàng)設(shè)“轉(zhuǎn)錄和翻譯的細(xì)胞環(huán)境”。教師應(yīng)講解清楚“核膜、原料、酶”在細(xì)胞中的分布、運(yùn)輸情況，尤其要突出“核膜”“堿基ATCG和U所在的核苷酸差異”，便于學(xué)生領(lǐng)悟“轉(zhuǎn)錄和翻譯”有時(shí)在不同場所進(jìn)行的原因。

3 教學(xué)實(shí)踐和學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)

3.1 話題引入

教師引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)前概念“DNA分子結(jié)構(gòu)、復(fù)制的方向和場所”及案例“轉(zhuǎn)基因鼠能表現(xiàn)出綠色熒光性狀”，并提出問題：“基因是如何對(duì)相應(yīng)蛋白進(jìn)行控制合成的？”展示黑板板畫“核糖體、核膜和染色體基因等活動(dòng)模式圖”。

學(xué)生思考：“① 基因的分布和蛋白質(zhì)的合成場所分別在哪？② 核孔是哪些分子運(yùn)輸?shù)耐ǖ溃俊睂W(xué)生代表在黑板構(gòu)建“轉(zhuǎn)錄”的細(xì)胞環(huán)境（圖2）。

學(xué)生代表講述：表達(dá)是以基因?yàn)閱挝坏?，各基因間的表達(dá)是相對(duì)獨(dú)立的。線粒體、葉綠體和原核細(xì)胞中由于沒有核膜，故基因轉(zhuǎn)錄和翻譯是在同一個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行的。基因所在的染色體只能分布在細(xì)胞核中，所以需要借助一種信息分子通過核孔將“指令”傳遞到細(xì)胞質(zhì)中去。

3.2 學(xué)習(xí)重點(diǎn)1：基因的轉(zhuǎn)錄過程

3.2.1 教學(xué)組織及學(xué)生演練實(shí)踐

學(xué)生閱讀教材“轉(zhuǎn)錄過程”后，結(jié)合教材插圖4-4，嘗試描述轉(zhuǎn)錄的大體過程。教師暫不作點(diǎn)評(píng)，在播放“基因轉(zhuǎn)錄”視頻后，展開小組討論該學(xué)生的描述，教師點(diǎn)撥指正。

教師以“基因轉(zhuǎn)錄”模型（圖3）為載體，故意放置一定量“胸腺嘧啶脫氧核苷酸、堿基AUCG”模型，請(qǐng)4名學(xué)生上講臺(tái)依次演練“解旋、配對(duì)、聚合、脫離復(fù)原”過程。教師著重點(diǎn)評(píng)：① 轉(zhuǎn)錄的原料是堿基，還是脫氧核苷酸？② 三角推板（DNA解旋酶）、透明膠帶（RNA聚合酶）的操作方向和作用結(jié)果是什么？③ mRNA和DNA雙鏈在堿基序列間存在哪些關(guān)系，所謂的“指令”其實(shí)是指什么？

教師用課件展示“基因轉(zhuǎn)錄過程”表格，以學(xué)生小組討論的方式，口頭填寫表格內(nèi)容，建構(gòu)“基因轉(zhuǎn)錄”這一重要概念。

3.2.2 教學(xué)延伸

教師提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考：（1） 如果用DNA的另一條鏈為模板，最后合成的mRNA和原分子的堿基序列一樣嗎？（2） 轉(zhuǎn)錄的方向是什么？（3） 分裂期細(xì)胞能進(jìn)行基因轉(zhuǎn)錄嗎？為什么？（4） 轉(zhuǎn)錄用的原料、酶、能量分別在什么地方合成的？（5） 如果mRNA不脫離轉(zhuǎn)錄鏈，會(huì)發(fā)生什么結(jié)果？

3.2.3 活動(dòng)評(píng)析

學(xué)生在教材和動(dòng)畫演示的認(rèn)知基礎(chǔ)上，通過動(dòng)手操作“轉(zhuǎn)錄”活動(dòng)模型，很好地克服動(dòng)畫的感官單一的局限性，同時(shí)規(guī)避以往教學(xué)中學(xué)生誤判“轉(zhuǎn)錄原料是堿基”的現(xiàn)象，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)提高了學(xué)習(xí)的效果，有利于將“轉(zhuǎn)錄”中各概念建立成一個(gè)正確、完整、動(dòng)態(tài)的知識(shí)體系。

3.3 重點(diǎn)2及難點(diǎn)：基因的翻譯過程

3.3.1 話題引入

教師提出問題，將英文“Genetics is a practical subject！”正確翻譯成中文，通常要借助什么工具？翻譯的實(shí)質(zhì)是借助某種規(guī)則或標(biāo)準(zhǔn)將一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式。那么“基因的翻譯過程”要遵循的規(guī)則或標(biāo)準(zhǔn)是什么？

學(xué)生閱讀教材“遺傳密碼表”后，小組討論回答問題：“色氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸、精氨酸”的密碼子有哪些？從中你能體會(huì)到哪些規(guī)律？密碼子是由什么成分組成的，有核糖和堿基T嗎？

教師設(shè)問：表中的“起始和終止密碼子”表示的含義是什么？密碼子的堿基是指何種核酸分子上的堿基？

教師出示“基因翻譯的細(xì)胞環(huán)境”板畫和活動(dòng)模型，再請(qǐng)1名學(xué)生代表上黑板創(chuàng)設(shè)好“基因翻譯的細(xì)胞環(huán)境”情境（圖4）。請(qǐng)4名學(xué)生講臺(tái)標(biāo)出mRNA上的密碼子，查閱教科書，寫出各密碼子對(duì)應(yīng)的氨基酸。教師引導(dǎo)學(xué)生著重體會(huì)每個(gè)相應(yīng)位點(diǎn)上氨基酸的名稱是隨機(jī)還是特定的。然后，教師提出問題各對(duì)應(yīng)氨基酸的是如何被運(yùn)輸?shù)絤RNA的相應(yīng)位點(diǎn)上的？

教師展示“tRNA、rRNA”模型，講解清楚制作意圖，明確核酸分子的組成情況，結(jié)合教材插圖4-5，請(qǐng)3位學(xué)生上講臺(tái)，自選3個(gè)tRNA模型，將相應(yīng)氨基酸放置在tRNA的相應(yīng)位點(diǎn)上裝載，并與其他同學(xué)分享“裝載”的配對(duì)方法。教師點(diǎn)評(píng)。

教師提出問題：“基因的翻譯”過程需要細(xì)胞中各結(jié)構(gòu)的分工配合，按一定的程序、方向有條不紊的進(jìn)行裝配，相當(dāng)于建立了一套嚴(yán)密的“多肽裝配生產(chǎn)線”。那么，這個(gè)“生產(chǎn)線”是怎么生產(chǎn)的？

教師連續(xù)播放“翻譯”動(dòng)畫視頻2遍。學(xué)生仔細(xì)觀察和體會(huì)“翻譯”的動(dòng)態(tài)流程，小組討論教師所提出的系列問題。教師請(qǐng)2名學(xué)生上講臺(tái)，協(xié)作演練“核糖體”和“tRNA”兩個(gè)活動(dòng)模型，嘗試用動(dòng)態(tài)的演練方法進(jìn)行操作，并口述對(duì)應(yīng)多肽是如何合成的（圖5）。其他學(xué)生閱讀教材內(nèi)容后，結(jié)合教科書插圖4-6，查表列出該多肽的氨基酸序列，與黑板上的成果進(jìn)行交流討論，重點(diǎn)體會(huì)：① “堿基互補(bǔ)配對(duì)原則”在“準(zhǔn)確翻譯”中的重要意義是什么？② 移動(dòng)的對(duì)象是誰？每一次的移動(dòng)距離為什么是3個(gè)堿基單位？③ 核糖體的任務(wù)是什么？你能根據(jù)多肽聚合中生成的水分子數(shù)大致推斷出基因或mRNA中堿基的數(shù)目嗎？

教師出示“多聚核糖體”模型及兩條長度不同的相似多肽，在標(biāo)明“5′、3′”的基礎(chǔ)上，請(qǐng)1名學(xué)生上講臺(tái)，將兩條多肽放在核糖體的相應(yīng)方位上，各小組對(duì)該學(xué)生的成果展開討論，見圖6。教師點(diǎn)評(píng)后指出：多聚核糖體現(xiàn)象能提高翻譯的效率，一條mRNA模板能在短時(shí)間內(nèi)合成大量的同種多肽或蛋白質(zhì)。

教師出示“基因轉(zhuǎn)錄和翻譯”表格，請(qǐng)學(xué)生結(jié)合之前所學(xué)，完善表格內(nèi)容。教師小結(jié)“基因表達(dá)”的完整過程。

3.3.2 教學(xué)遷移

教師隨機(jī)改變基因模板中的部分堿基序列，請(qǐng)學(xué)生上講臺(tái)利用多余的模型組件重新定位mRNA的模板并查表得出需要哪些tRNA運(yùn)輸，最終的多肽和原多肽是否存在區(qū)別。

教師改變起始和終止密碼子的對(duì)應(yīng)堿基序列，請(qǐng)學(xué)生回答接下來的“翻譯”會(huì)出現(xiàn)什么情況？

教師將一段“基因轉(zhuǎn)錄鏈（3）”和mRNA進(jìn)行配對(duì)雜交后，以核糖體為對(duì)象，請(qǐng)學(xué)生思考：“翻譯”還會(huì)如期進(jìn)行嗎？

3.3.3 活動(dòng)評(píng)析

相比轉(zhuǎn)錄而言，翻譯涉及的概念更多，層次和動(dòng)態(tài)流程更復(fù)雜，容易讓學(xué)生出現(xiàn)“聽著都懂，學(xué)完又糊涂”的窘境，所以教師合理利用好教材插圖，圖文并茂，用流程的理念理解加深“基因翻譯”的概念體系，是重中之重。采用先閱讀講解、觀看動(dòng)畫演示，后親手操作演練“翻譯”過程，能從多個(gè)角度使知識(shí)體系和教學(xué)流程有機(jī)結(jié)合起來?；顒?dòng)模型的遷移應(yīng)用便于從細(xì)胞水平提高學(xué)生對(duì)各種不正?！胺g”原因的分析能力。

4 實(shí)踐探析體會(huì)

教師在教學(xué)中運(yùn)用物理模型，能有效地縮短人眼對(duì)新知的反應(yīng)時(shí)間和識(shí)別時(shí)間，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)體系的理解和掌握，為知識(shí)點(diǎn)的運(yùn)用分析打下良好基礎(chǔ)。通過自制與教材內(nèi)容匹配的物理模型，嘗試讓學(xué)生從細(xì)胞層面創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境并動(dòng)手操作，能促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，形成正確的概念框架，并能自覺規(guī)避以往學(xué)習(xí)中容易出現(xiàn)的誤區(qū)。這樣教學(xué)能更直觀形象的將各層次概念生動(dòng)的展現(xiàn)在學(xué)生面前，將“基因表達(dá)”的分子層面和細(xì)胞層面有機(jī)結(jié)合在一起，以動(dòng)態(tài)的形式解決流程性知識(shí)體系中的諸多教學(xué)難題。

但模型性教學(xué)往往解決的是簡化的、主體式的知識(shí)體系，不能成為課堂教學(xué)的主角。所以在教學(xué)中，不能過分突出模型教學(xué)的輔助作用，而忽略了對(duì)教材本身新知新概念的學(xué)習(xí)交流，忽視了學(xué)生識(shí)圖、辨圖和分析釋圖的技能培養(yǎng)。教師把控好教學(xué)進(jìn)度的同時(shí)，采用讓學(xué)生先閱讀分析后動(dòng)畫演練、口述相結(jié)合的方式，能幫助學(xué)生了解各個(gè)知識(shí)點(diǎn)間的內(nèi)在關(guān)系，又能簡潔、清晰地概述轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程，讓學(xué)生感知基因表達(dá)是一個(gè)多層次的、動(dòng)態(tài)的、相互協(xié)調(diào)和配合的過程。

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