高中生物學(xué)項(xiàng)目式建模教學(xué)實(shí)踐與研究
——以“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”復(fù)習(xí)教學(xué)為例

石進(jìn)德 謝雪錦

（1.廈門市杏南中學(xué)，福建 廈門 361024；2.廈門市松柏中學(xué)，福建 廈門 361012）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》（下文簡稱課程標(biāo)準(zhǔn)）明確要求學(xué)生在高中生物學(xué)學(xué)習(xí)過程中逐步發(fā)展科學(xué)思維，能基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用模型與建模等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律”。［1］教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境引導(dǎo)學(xué)生開展建模活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生像科學(xué)家那樣，應(yīng)用模型與建模進(jìn)行思考、表達(dá)與交流。［2］項(xiàng)目式學(xué)習(xí)具有融合性，通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生以制作作品的形式，建立、理解與應(yīng)用重要概念及大概念，發(fā)展實(shí)踐創(chuàng)新能力。［3］根據(jù)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)理念及建模教學(xué)要求，在高中生物學(xué)教學(xué)中，筆者嘗試引導(dǎo)學(xué)生開展項(xiàng)目式建?；顒?dòng)，促進(jìn)學(xué)生深刻理解生命現(xiàn)象及其規(guī)律，提升科學(xué)思維能力與建模能力，發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。本文以“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”復(fù)習(xí)教學(xué)為例，探討高中生物學(xué)項(xiàng)目式建模教學(xué)策略。

一、概述高中生物學(xué)項(xiàng)目式建模教學(xué)策略

根據(jù)“核心素養(yǎng)為宗旨、內(nèi)容聚焦大概念、教學(xué)過程重實(shí)踐”等高中生物學(xué)課程基本理念，以及課程標(biāo)準(zhǔn)對有關(guān)“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”教學(xué)建議與學(xué)業(yè)要求，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生開展項(xiàng)目式建?；顒?dòng)，說出DNA 與RNA 分子的區(qū)別、RNA 的分類與作用；嘗試以DIY 制作尺度模型，概述遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程，樹立結(jié)構(gòu)與功能觀。通過比較分析DNA 的堿基、mRNA 的堿基與氨基酸之間的對應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，并解釋三者間的數(shù)量關(guān)系。建構(gòu)概念—過程模型，探究遺傳信息傳遞的一般過程，認(rèn)同科學(xué)是不斷發(fā)展的，建立生物進(jìn)化觀以及生命是物質(zhì)、能量和信息的相統(tǒng)一等生命觀念（圖1）。

圖1 “基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”項(xiàng)目式建模教學(xué)

二、例析高中生物學(xué)項(xiàng)目式建模教學(xué)策略

（一）明確項(xiàng)目式建模學(xué)習(xí)任務(wù)

以糖尿病患者需要每天注射一次胰島素的常規(guī)治療方法，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境：如何降低用藥頻次，解決糖尿病患者每天注射的不便？并介紹國內(nèi)已上市的每周注射一次、治療糖尿病的艾塞那肽，其是胰高血糖素樣肽-1（簡稱長效GLP-1）。為了生產(chǎn)長效GLP-1，應(yīng)通過基因修飾與改造，形成長效GLP-1 基因，運(yùn)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將GLP-1 基因?qū)虢湍妇虼竽c桿菌，使其在酵母菌或大腸桿菌中得到正確表達(dá)，實(shí)現(xiàn)快速、大量生產(chǎn)。

密切聯(lián)系現(xiàn)實(shí)生活，通過創(chuàng)設(shè)問題情境及研究背景介紹，促進(jìn)學(xué)生明確項(xiàng)目式建模學(xué)習(xí)任務(wù)，導(dǎo)入本節(jié)“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”復(fù)習(xí)教學(xué)。

（二）建構(gòu)項(xiàng)目式GLP-1 合成模型

根據(jù)有關(guān)尺度模型、數(shù)學(xué)模型、概念-過程模型等生物模型及其建模教學(xué)研究成果［4］，引導(dǎo)學(xué)生以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，在構(gòu)建系列GLP-1 合成模型過程中思考與討論：長效GLP-1 基因轉(zhuǎn)錄和翻譯所需的原料、場所、條件及產(chǎn)物，降血糖技術(shù)，DNA 堿基、RNA 堿基與氨基酸之間的數(shù)量關(guān)系等科學(xué)、技術(shù)及數(shù)學(xué)方面問題，幫助學(xué)生復(fù)習(xí)有關(guān)生物學(xué)知識(shí)與技術(shù)方法，提高建模能力。

1.建構(gòu)長效GLP-1 基因轉(zhuǎn)錄與翻譯尺度模型

尺度模型是依據(jù)一定的比例直觀地表征生物體某一結(jié)構(gòu)。［4］指導(dǎo)學(xué)生分四個(gè)階段建構(gòu)長效GLP-1 基因轉(zhuǎn)錄與翻譯尺度模型，目的是化抽象為具體，促進(jìn)學(xué)生比較分析遺傳信息復(fù)制、轉(zhuǎn)錄及翻譯，理解轉(zhuǎn)錄與復(fù)制的異同點(diǎn)。

（1）建構(gòu)長效GLP-1 基因轉(zhuǎn)錄與翻譯尺度模型配件。學(xué)生根據(jù)尺度模型建構(gòu)要求，繪制基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成模式圖，制作電腦動(dòng)畫，模擬長效GLP-1 基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程。接著，引導(dǎo)學(xué)生討論、發(fā)揮想象，選擇硬紙片、磁貼、雙面膠及黏合劑等材料，根據(jù)各自繪制的基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成模式圖，制作相應(yīng)的mRNA 鏈、tRNA、解旋酶、堿基等配件剪紙，并在剪紙后面粘上磁條備用。

（2）展示長效GLP-1 基因轉(zhuǎn)錄與翻譯尺度模型。學(xué)生代表以板書闡述長效GLP-1 基因指導(dǎo)長效GLP-1 合成過程，并利用自制的長效GLP-1 基因轉(zhuǎn)錄與翻譯尺度模型配件，展示DNA 雙鏈在解旋酶的作用下形成兩條DNA 單鏈，DNA 單鏈在RNA 聚合酶的作用下，根據(jù)堿基互補(bǔ)配對將游離的四種核糖核苷酸形成mRNA，mRNA 經(jīng)翻譯形成長效GLP-1。同時(shí)，展示自制的基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成動(dòng)畫模型，模擬長效GLP-1基因的轉(zhuǎn)錄與翻譯過程。

（3）討論與交流。創(chuàng)設(shè)問題情境：生物體保證蛋白質(zhì)快速合成的機(jī)制是什么？原核生物與真核生物在轉(zhuǎn)錄和翻譯方面有何異同？轉(zhuǎn)錄時(shí)mRNA 模板鏈?zhǔn)欠耠S機(jī)的？引導(dǎo)學(xué)生思考與討論。學(xué)生代表展示長效GLP-1 基因轉(zhuǎn)錄與翻譯尺度模型的同時(shí)，闡述一個(gè)mRNA 上可以相繼結(jié)合多個(gè)核糖體，并合成多個(gè)肽鏈，保證蛋白質(zhì)高效合成。促進(jìn)學(xué)生理解真核細(xì)胞是先轉(zhuǎn)錄后翻譯，而原核細(xì)胞是邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯的，并非隨機(jī)的。

（4）模型評價(jià)與修正。指導(dǎo)學(xué)生圍繞上述三個(gè)問題對展示的長效GLP-1 基因的轉(zhuǎn)錄與翻譯模型進(jìn)行評價(jià)與修正。有學(xué)生提出該模型主要存在以下五個(gè)方面錯(cuò)誤，如轉(zhuǎn)錄時(shí)DNA 片段全部進(jìn)行解旋；翻譯時(shí)僅一個(gè)核糖體移動(dòng)，沒有體現(xiàn)多個(gè)核糖體的移動(dòng)；沒有考慮tRNA 有長臂和短臂之分，無法確認(rèn)反密碼子的方向。沒考慮mRNA 進(jìn)入到細(xì)胞質(zhì)后的降解問題，以及轉(zhuǎn)錄和翻譯過程能量變化問題。并要求學(xué)生課后修正，下節(jié)課上檢查修正情況。

2.建構(gòu)長效GLP-1 基因轉(zhuǎn)錄與翻譯數(shù)學(xué)模型

高中生物數(shù)學(xué)模型是指應(yīng)用一定的數(shù)學(xué)形式描述生命本質(zhì)、生命規(guī)律、生物結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系。［5］構(gòu)建數(shù)學(xué)模型有利于啟迪學(xué)生的科學(xué)思維，學(xué)會(huì)應(yīng)用數(shù)學(xué)模型揭示事物本質(zhì)。

根據(jù)學(xué)生構(gòu)建、展示與評價(jià)長效GLP-1 基因轉(zhuǎn)錄與翻譯尺度模型存在的問題，創(chuàng)設(shè)問題情境：在基因表達(dá)過程中DNA 堿基、RNA 堿基與氨基酸之間存在怎么樣的數(shù)量關(guān)系？如果轉(zhuǎn)錄后的mRNA 第五個(gè)堿基為U，則其反密碼子、轉(zhuǎn)錄的肽鏈堿基、翻譯形成的蛋白質(zhì)中的氨基酸間存在怎樣的關(guān)系？指導(dǎo)學(xué)生討論分析，得出mRNA、反密碼子、肽鏈的堿基排序，同時(shí)推導(dǎo)出DNA 的堿基數(shù)：mRNA 的堿基數(shù)：氨基酸數(shù)=6:3:1。繼續(xù)追問：DNA 的堿基數(shù)：mRNA 的堿基數(shù)：氨基酸數(shù)=6:3:1 是否完全正確？引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑：該比例關(guān)系應(yīng)考慮有終止子的存在，DNA 的堿基數(shù)是＞6n，mRNA 是＞3n，應(yīng)表述為“至少”，從而構(gòu)建出數(shù)學(xué)模型：DNA 的堿基數(shù)：mRNA 的堿基數(shù)：蛋白質(zhì)中氨基酸數(shù)=6n（至少）:3n（至少）:n 促進(jìn)加深學(xué)生對DNA 分子結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)錄與翻譯機(jī)制的認(rèn)識(shí)，提高分析能力與解釋能力。

3.建構(gòu)長效GLP-1 基因轉(zhuǎn)錄與翻譯概念—過程模型

概念—過程模型是應(yīng)用文字、箭頭等表征生物學(xué)概念的過程性。［5］有助于學(xué)生深入理解轉(zhuǎn)錄與翻譯之間關(guān)系，提升對生命本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

指導(dǎo)學(xué)生依據(jù)長效GLP-1 基因轉(zhuǎn)錄與翻譯尺度模型，嘗試?yán)秒娔X制作長效GLP-1 基因轉(zhuǎn)錄與翻譯概念—過程模型（圖2）。并根據(jù)酶的專一性理解每種tRNA 只能識(shí)別并轉(zhuǎn)運(yùn)一種氨基酸，明確tRNA 如何與mRNA 相應(yīng)的密碼子結(jié)合、mRNA 如何決定翻譯的起始與終止及肽鏈氨基酸序列。同時(shí)，指導(dǎo)學(xué)生相互質(zhì)疑、評價(jià)長效GLP-1 基因轉(zhuǎn)錄與翻譯概念—過程模型存在的問題，促進(jìn)學(xué)生形成生物進(jìn)化觀、生命是物質(zhì)、能量和信息的相統(tǒng)一等生命觀念

圖2 長效GLP-1 基因轉(zhuǎn)錄與翻譯概念—過程模型

（三）GLP-1 合成模型拓展

模型構(gòu)建是一個(gè)復(fù)雜的、循環(huán)反復(fù)的過程，有必要拓展項(xiàng)目式建模教學(xué)成果，促進(jìn)學(xué)生發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

例如，創(chuàng)設(shè)問題情境：選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ头绞奖容^真核生物和原核生物在基因表達(dá)的過程中的異同？如果長效GLP-1 基因中一個(gè)堿基對發(fā)生替換,是否會(huì)改變療效？引導(dǎo)學(xué)生深入地思考與探討，歸納密碼子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，理解密碼子的簡并性，為復(fù)習(xí)基因突變的低頻性特點(diǎn)打下基礎(chǔ)。

應(yīng)用項(xiàng)目式建模教學(xué)策略，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的復(fù)習(xí)情境，指導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)長效GLP-1 基因轉(zhuǎn)錄與翻譯尺度模型、數(shù)學(xué)模型及概念—過程模型，促進(jìn)學(xué)生深度復(fù)習(xí)轉(zhuǎn)錄、翻譯及中心法則等生物學(xué)重要概念，認(rèn)識(shí)各種生物遺傳信息表達(dá)的共同特點(diǎn)，樹立生物進(jìn)化觀以及生命是物質(zhì)、能量和信息的相統(tǒng)一等生命觀念，發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

目前，項(xiàng)目式建模教學(xué)存在的主要問題是學(xué)生建模能力較弱、創(chuàng)新意識(shí)不強(qiáng)、知識(shí)儲(chǔ)備不足等。因此，教師課前應(yīng)充分準(zhǔn)備有關(guān)建模材料，課堂教學(xué)中適時(shí)指導(dǎo)與評價(jià)，加強(qiáng)模型與建模知識(shí)與能力的培養(yǎng)，促進(jìn)項(xiàng)目式建模教學(xué)高效、有序地進(jìn)行。