基于科學史論證和模型建構的深度教學策略探究

田敏

摘 要 以“基因指導蛋白質的合成” （第1課時）為例，采用科學史論證和模型構建相結合的方式展開教學，對中間信使RNA相關的科學史資料進行論證，并引導學生自主構建、修正和完善轉錄模型，培養(yǎng)學生的生物學學科核心素養(yǎng)，達到深度學習的目的。

關鍵詞 科學史論證 模型構建 RNA 轉錄

中圖分類號 Ｇ633. 91 文獻標志碼 B

1 教材分析

“基因指導蛋白質的合成”是人教版高中生物學《必修2·遺傳與進化》第四章第一節(jié)的內容。在前一章中，學生已經論證出 DNA 是遺傳物質并構建出DNA的雙螺旋結構，梳理出基因、DNA與染色體之間的關系，從而掌握了基因的本質。在此基礎上，教師采用科學史論證和模型構建的教學策略，指導學生深度學習基因的表達過程。本節(jié)課為后續(xù)學習基因與性狀的關系、生物的進化和基因工程等奠定了理論基礎，在高中生物學中有舉足輕重的地位。

2 教學策略

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》 （以下簡稱《課程標準》）特別強調，讓學生獲得基礎的生物學知識的同時，要指導學生像生物學家一樣去思考，領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)成理性的科學思維，形成積極的科學態(tài)度，發(fā)展終身學習及創(chuàng)新實踐的能力。論證式教學是教師指導學生論證科學家研究過程的一種研究性教學，使學生經歷像科學家一樣提出問題、收集證據、得出觀點、再支持或辯駁、得出正確結論的論證過程，發(fā)展了學生演繹與推理、批判性與創(chuàng)造性等科學思維，促進學生掌握了科學探究的一般思路與方法，因此論證式教學有助于新課標強調的核心素養(yǎng)達成。模型構建幫助學生理解微觀的物質與過程，突破了學生主體思維的認知限制，培養(yǎng)了學生的空間想象力。下文以“基因指導蛋白質的合成” （第1課時）的教學為例，根據相關的科學史，采用論證式教學策略并進行模型構建，促進學生的深度學習。

3 教學目標

（1）通過科學史資料論證，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為媒介指導蛋白質合成，體會生命的信息觀；

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

（3）形成生命是物質、能量和信息的統一體的觀念，認識到生命科學的重要性，養(yǎng)成嚴謹的科學態(tài)度和不斷創(chuàng)新的科學精神。

4 教學過程

4.1 創(chuàng)設情境，導入新課

新冠疫情爆發(fā)以來，新冠病毒疫苗的研發(fā)備受關注。結合時代背景，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，為什么在細胞內導入的是基因，但得到的是S蛋白？② 基因與蛋白質有什么關系呢？③ mRNA疫苗研發(fā)中，為什么在細胞內導入的是RNA，得到的也是S蛋白？④ RNA和蛋白質又有什么關系呢？以問題串激發(fā)學生的好奇心，繼而展開本節(jié)課的內容，引導學生跟隨科學家的腳步，探究基因與蛋白質的關系。

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

4.2 科學史論證，獲取新知

4.2.1 論證中間信使的存在

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

4.2.2 論證中間信使的本質

教師提出問題：DNA間接控制蛋白質的合成，那中間信使是什么物質呢？學生的猜測可能是RNA、糖類、脂質等，同時，學生通過比較化學組成和結構組成，認為RNA是中間信使的最佳候選者。接著，教師展示科學史3，克里克同樣提出了RNA是中間信使的假說。這與學生的猜想不謀而合，激發(fā)了學生強烈的求知欲和自信心。

教師展示科學史4和科學史5，引導學生分析實驗得出：RNA在細胞核中合成，并由細胞核移動至細胞質中。最后教師展示科學史6，引導學生得出結論：RNA 以 DNA 的一條鏈為模板合成。通過這一系列科學史的實證，克里克提出的假說得到支持，即在細胞核中，以DNA的一條鏈為模板合成RNA，移動到細胞質中指導蛋白質的合成。

設計意圖：通過真實的科學史論證，帶領學生體會科學家探索科學本質的過程，使學生的思維與科學家的思維產生碰撞，激發(fā)學生的好奇心和求知欲?？茖W史中科學家運用假說演繹法、加法原理、減法原理和同位素標記法等，完整還原了RNA作為中間信使的發(fā)現過程，學生從中了解并掌握科學探究的一般思路和方法，培養(yǎng)了學生嚴謹務實的科學態(tài)度、批判性科學思維和分析討論等科學探究能力。從化學組成和結構組成兩方面分析比較 DNA 和RNA，幫助學生形成結構與功能相適應的觀念，并滲透一定的信息觀。

4.3 實踐探究，模型構建

4.3.1 閱讀文本，初構模型

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

教師引導學生根據教材中獲取的信息，以小組為單位嘗試模擬DNA轉錄過程的物理模型。教師首先介紹構建模型所需的教具，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）。

小組成員動手構建轉錄的模型，形成一條完整的RNA單鏈，并由兩個小組展示構建的模型。在模型初構的過程中，學生存在以下問題： （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）對轉錄過程中的RNA聚合酶的移動方向不清晰：無法根據轉錄的方向判斷以哪一條鏈為轉錄模板。

4.3.2 播放視頻，修正模型

教師播放轉錄過程的視頻，引導學生利用視頻中直觀生動的微觀分子變化，對其構建的模型中存在的問題進行進一步修正與完善。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行評價，促進學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基因的轉錄過程，學生講解轉錄步驟：解旋—配對—聚合—釋放，既鍛煉學生的語言表達能力，又檢測了學生對轉錄的掌握程度。

接著，由分別構建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上基因的轉錄情況。教師以問題串的形式引導學生深挖模型：（1）轉錄時，DNA鏈完全解開嗎？ （2）一個DNA分子中某個基因轉錄時，其他基因是否一定也在進行轉錄？ （3）一個基因的兩條鏈都能轉錄嗎？ （4）不同基因的模板鏈是否相同？ （5）轉錄方向如何判定？

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

4.4 比較歸納，提升思維

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

設計意圖：對比分析DNA復制和轉錄，引導學生運用比較、分析與綜合的方法進行歸納總結，提升歸納與概括、比較與分析等科學思維。

5 教學反思

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

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部. 普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂） ［S］. 北京：人民教育出版社，2020：56，19-21，77.

［2］ 王星喬，米廣春.論證式教學：科學探究教學的新圖景［J］.中國教育學刊，2010 （10）：50-52.

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