《基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成》第一課時(shí)教學(xué)案例

邱俊杰

摘 要：科學(xué)史中蘊(yùn)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(guò)程中沿著科學(xué)家的探究軌跡開展思維活動(dòng)，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(shí)和證據(jù)運(yùn)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(guò)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(chǎng)所、原料、模板等，固然可以取得比較好的教學(xué)效果，但對(duì)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(guò)程中，合理假設(shè)、大膽推理、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、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(jì)為以遺傳密碼的破譯為切入口，用科學(xué)史設(shè)計(jì)思維活動(dòng)，引領(lǐng)學(xué)生逐步揭開遺傳信息的傳遞過(guò)程，讓學(xué)生在形成生命觀念的同時(shí)養(yǎng)成科學(xué)思維的習(xí)慣。在教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)上依據(jù)思維規(guī)律逐步提出問(wèn)題，在學(xué)生作出假設(shè)的基礎(chǔ)上再呈現(xiàn)科學(xué)史實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)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(guò)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(wèn)：你能說(shuō)出這些生活中的物品是什么嗎？學(xué)生七嘴八舌地說(shuō)完，教師再問(wèn)：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(wèn)：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(lái)，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(guò)程就像破譯電報(bào)密碼一樣，是個(gè)復(fù)雜的過(guò)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(chǔ)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(huì)不會(huì)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(guò)核孔。教師趕緊追問(wèn)：它們之間是否有一種物質(zhì)充當(dāng)“信使”呢？這個(gè)“信使”是什么呢？

思維活動(dòng)一：誰(shuí)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(shí)驗(yàn)。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(wèn)：根據(jù)以上科學(xué)實(shí)驗(yàn)，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(wèn)：可以用什么方式來(lái)驗(yàn)證這個(gè)假設(shè)呢？教室里陷入了沉默，顯然學(xué)生答不上來(lái)。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(dòng)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(dòng)軌跡呢？教室里恢復(fù)了生機(jī)，學(xué)生一下子反應(yīng)了過(guò)來(lái)：可以用放射性同位素標(biāo)記RNA，觀察放射性物質(zhì)的移動(dòng)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(guò)一段時(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)，并與DNA的分子結(jié)構(gòu)做比較。

思維活動(dòng)二：遺傳信息如何傳遞？

教師提問(wèn)：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(wèn)：RNA結(jié)構(gòu)上的這些特點(diǎn)使它如何能傳遞DNA的遺傳信息？學(xué)生回答不上來(lái)，教師趕緊轉(zhuǎn)換問(wèn)題：DNA是如何把遺傳信息傳給下一代DNA的？這個(gè)問(wèn)題學(xué)生能答上了：按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，進(jìn)行半保留復(fù)制。教師問(wèn)：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(shí)驗(yàn)，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(duì)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(duì)，證明新合成的RNA是由T2噬菌體DNA編碼的。

學(xué)生推測(cè)：RNA的合成類似于DNA分子的半保留復(fù)制，按照堿基互補(bǔ)配對(duì)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(dòng)畫，師生共同學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)錄的概念和過(guò)程。

思維活動(dòng)三：幾個(gè)核苷酸決定一個(gè)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(gè)核苷酸決定一個(gè)氨基酸呢？對(duì)此問(wèn)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(gè)核苷酸決定1個(gè)氨基酸就只能決定1種，如果2個(gè)核苷酸決定1個(gè)氨基酸就只能決定16種，如果3個(gè)核苷酸決定1個(gè)氨基酸就能決定64種。

學(xué)生反應(yīng)了過(guò)來(lái)：這不就是排列組合嗎，至少3個(gè)核苷酸決定一個(gè)氨基酸才能超過(guò)20種呀。教師追問(wèn)：那可能由四個(gè)或更多的核苷酸決定一個(gè)氨基酸嗎？學(xué)生說(shuō)必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(shí)候，發(fā)現(xiàn)控制這種酶的DNA片段大約有1000多個(gè)核苷酸的長(zhǎng)度，轉(zhuǎn)錄形成的mRNA具有1000個(gè)堿基，但合成的這種酶大約由280個(gè)氨基酸組成。學(xué)生推測(cè)：從比例關(guān)系來(lái)看，決定一個(gè)氨基酸的應(yīng)該是3個(gè)而不是4個(gè)核苷酸。教師繼續(xù)提出問(wèn)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(gè)核苷酸決定1個(gè)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(gè)或2個(gè)

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

思維活動(dòng)四：每種密碼子對(duì)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(guò)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(duì)應(yīng)哪種氨基酸呢？教師：尼倫伯格設(shè)計(jì)了一個(gè)精彩的實(shí)驗(yàn)，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(wèn)：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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shuō)明了什么？學(xué)生馬上說(shuō)道：UUU是苯丙氨酸的密碼子之一。教師：經(jīng)過(guò)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(guò)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(shí)驗(yàn)讓學(xué)生體驗(yàn)思維過(guò)程

本課設(shè)計(jì)時(shí)選用了幾個(gè)科學(xué)史上的實(shí)驗(yàn)，將科學(xué)家們對(duì)遺傳信息控制生物性狀的推理過(guò)程逐步呈現(xiàn)在了學(xué)生面前。教學(xué)過(guò)程上，用四個(gè)思維活動(dòng)提升學(xué)生思維品質(zhì)，發(fā)展學(xué)生的辨別、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造等高階思維能力。體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程，像科學(xué)家一樣提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、作出假設(shè)，驗(yàn)證假設(shè)，得出結(jié)論。同時(shí)，在探究的過(guò)程中，建構(gòu)起相關(guān)的知識(shí)框架，如RNA結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)錄的過(guò)程、密碼子等。

從課堂反饋來(lái)看，學(xué)生對(duì)這種教學(xué)設(shè)計(jì)很感興趣，從前半節(jié)課怕動(dòng)腦筋不知道如何下手到后半節(jié)課主動(dòng)問(wèn)老師科學(xué)家們是怎么做的，興趣越來(lái)越濃。特別是當(dāng)自己的假設(shè)得到科學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的時(shí)候，教室里常響起“你看看，我說(shuō)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(yàn)證遇到困難的時(shí)候也愿意和同學(xué)商討實(shí)驗(yàn)方法，或從科學(xué)家的設(shè)計(jì)中汲取營(yíng)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(guò)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(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問(wèn)題。

2.有效的問(wèn)題串幫助學(xué)生越過(guò)思維障礙

在科學(xué)史教學(xué)過(guò)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(wèn)題學(xué)生是答不上來(lái)的，于是及時(shí)變通，轉(zhuǎn)化問(wèn)題，用之前學(xué)習(xí)的知識(shí)為學(xué)生搭建臺(tái)階，順利地幫助學(xué)生越過(guò)了思維障礙。例如直接問(wèn)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(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)RNA與DNA分子結(jié)構(gòu)的類比，推測(cè)出RNA的合成過(guò)程可能類似于之前學(xué)習(xí)過(guò)的DNA的復(fù)制過(guò)程，再通過(guò)展示科學(xué)史實(shí)驗(yàn)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(shí)應(yīng)該注重用問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生的思維過(guò)程。高一的學(xué)生面對(duì)需要抽象思維的問(wèn)題時(shí)，大多會(huì)感覺(jué)茫然，無(wú)從下手，因此以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)探究，為學(xué)生搭臺(tái)子鋪路子就成為課堂上的重點(diǎn)。一方面要根據(jù)學(xué)生的反應(yīng)不斷更新問(wèn)題，另一面要幫助學(xué)生歸納總結(jié)他們想要表達(dá)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路。在逐步引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，完成對(duì)知識(shí)的建構(gòu)過(guò)程。

3.科學(xué)史教學(xué)中需要解決的問(wèn)題

首先是如何解決學(xué)生的思路和科學(xué)家不一致的問(wèn)題。因?yàn)槭情_放性的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，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(wèn)題看起來(lái)與課堂主題無(wú)關(guān)，實(shí)際卻是學(xué)生基于自身的知識(shí)基礎(chǔ)提出的實(shí)實(shí)在在的問(wèn)題。教師不應(yīng)該否定他們的觀點(diǎn)，而應(yīng)肯定他們的積極思維，同時(shí)引導(dǎo)他們回到預(yù)設(shè)的主線上來(lái)。與學(xué)生的思辨過(guò)程也是教師的進(jìn)步過(guò)程。

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

編輯 杜元元