基于學習進階的生物學概念學習路徑設計

雒微

摘要：文章以人教版高中生物學教材必修2“遺傳與進化”第4章第1節(jié)“基因指導蛋白質(zhì)的合成”為例，借助北京師范大學郭玉英教授團隊提出的科學概念理解發(fā)展的層級模型，構(gòu)建基于學習進階的生物學概念的學習路徑，促進學生認知水平的提升。

關(guān)鍵詞：高中生物學；學習進階；概念學習

一、確定生物學概念

核心概念可以統(tǒng)籌一門學科知識的核心內(nèi)容。相對于核心概念，一般概念是下位概念。人教版高中生物學教材必修2“遺傳與進化”第4章第1節(jié)“基因指導蛋白質(zhì)的合成”的教學要求是說明DNA（脫氧核糖核酸）通過轉(zhuǎn)錄和翻譯過程來進行基因表達。教材中“基因指導蛋白質(zhì)的合成”包括遺傳信息的轉(zhuǎn)錄、翻譯和中心法則三部分，其中轉(zhuǎn)錄和翻譯屬于“基因指導蛋白質(zhì)合成”的下位概念。同時，《2022年普通高等學校招生全國統(tǒng)一考試大綱（生物）》將生物學科的考試內(nèi)容以知識內(nèi)容表的形式呈現(xiàn)，分別用Ⅰ和Ⅱ表示知識內(nèi)容要求掌握的程度，其中對“遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯”的要求標注為Ⅱ，表明學生要在更高程度上掌握這一內(nèi)容。因此，本節(jié)課的核心概念為基因指導蛋白質(zhì)的合成，一般概念為轉(zhuǎn)錄是遺傳信息從DNA流向RNA（核糖核酸）的過程，翻譯是形成有特定氨基酸序列的蛋白質(zhì)的過程。

二、分析進階起點

進階起點要根據(jù)學生已有的知識、能力水平和學習內(nèi)容確定?；蛑笇У鞍踪|(zhì)的合成是遺傳學模塊的重要基礎(chǔ)知識，此前學生已經(jīng)掌握基因、遺傳物質(zhì)、DNA等概念及其關(guān)聯(lián)知識，具備了學習本節(jié)生物學概念的基礎(chǔ)。通過對DNA結(jié)構(gòu)及復制過程的探究，學生的思維和探究能力得到了一定鍛煉，同時對基因產(chǎn)生了探究欲望。但轉(zhuǎn)錄和翻譯是學生首次接觸的知識，又是發(fā)生在微觀結(jié)構(gòu)中的不可見事件，比較抽象。因此，基于進階設計的概念學習路徑，教師應從進階起點逐級升“階”至終點，幫助學生厘清思路，掌握知識主干。

三、預設進階目標

進階目標的預設要以教材分析和學情分析結(jié)果為依據(jù)。根據(jù)前期確定的生物學概念和進階起點，進階目標包括三個方面：①學生通過分析相關(guān)實驗，對比DNA與RNA的結(jié)構(gòu)和功能，能夠得出RNA是基因指導蛋白質(zhì)合成信使的結(jié)論；②學生通過回憶DNA分子的復制過程及分析圖文資料，可以描述轉(zhuǎn)錄和翻譯的全過程；③學生通過分析中心法則的生成過程，認同科學是動態(tài)的，是不斷更新和發(fā)展的，并逐步提高批判性思維。

四、預設進階點和進階層級

根據(jù)科學概念理解發(fā)展的層級模型，筆者對“基因指導蛋白質(zhì)合成”這一核心概念包含的一般概念進行層級劃分，并設計概念進階圖，如圖1所示；相鄰近階層級間的跨度要適中，遺傳信息轉(zhuǎn)錄和翻譯的學習分別設置進階點如表1所示，并依據(jù)預設的進階點設計本節(jié)課的學習進階活動。

（一）遺傳信息的轉(zhuǎn)錄進階活動設計

1.進階點：RNA適合做DNA的信使的探究

教師播放電影《侏羅紀公園》中的片段，引導學生討論“利用滅絕生物的DNA可以復活物種的原因是什么”，由此引出課題“基因指導蛋白質(zhì)的合成”。然后，教師向?qū)W生提問：“基因指導蛋白質(zhì)合成可以通過哪些方式？”學生通過討論和分析教師提供的事實資料得出結(jié)論：DNA與蛋白質(zhì)之間存在信使。教師繼續(xù)提問：“充當遺傳信息的信使會是什么物質(zhì)呢？該物質(zhì)為什么可以充當信使呢？”

教師引導學生提出RNA充當信使的假設，并尋找依據(jù)論證假設是否正確。對比DNA與RNA的化學組成、結(jié)構(gòu)及功能，推知RNA能夠儲存遺傳信息，且其結(jié)構(gòu)一般是單鏈，能夠通過核孔從細胞核轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)中。教師再提供科學家探究遺傳信使的實驗資料：在洋蔥根尖和變形蟲實驗中，加入RNA酶分解RNA后，蛋白質(zhì)就不再合成，而把從酵母中提取的RNA加入細胞后，蛋白質(zhì)合成又恢復了。由此得出結(jié)論：RNA是基因指導蛋白質(zhì)合成的信使。

設計意圖：以科幻電影引出課題，引導學生回顧已知的基因與蛋白質(zhì)知識，引發(fā)學生的認知沖突；通過提出問題、作出假設、解決問題的教學方式，引導學生解決“基因指導蛋白質(zhì)合成的方式”“RNA可以作為信使的原因”兩大問題。

2.進階點：轉(zhuǎn)錄的概念

教師播放轉(zhuǎn)錄過程的視頻，讓學生在觀看視頻資料和教材中的圖文資料后回答以下問題：遺傳信息的轉(zhuǎn)錄過程是怎樣的？轉(zhuǎn)錄的過程與DNA復制的過程有什么關(guān)系？轉(zhuǎn)錄的場所、條件、原料、產(chǎn)物、特點是什么？你可以給遺傳信息的轉(zhuǎn)錄下一個定義嗎？通過回答以上問題，學生能夠說出轉(zhuǎn)錄的過程。最后，教師引導學生總結(jié)出轉(zhuǎn)錄的概念。

設計意圖：轉(zhuǎn)錄過程是微觀的、抽象的、難以理解的，教師通過視頻動態(tài)呈現(xiàn)這一過程，能夠有效突破這一難點。教師以DNA分子的復制過程為鋪墊，讓學生學習轉(zhuǎn)錄過程，是知識的遷移過程；以問題串的形式實現(xiàn)這一進階點的目標，學生更清晰地了解這一部分的知識層次。

3.進階點：轉(zhuǎn)錄的實質(zhì)

教師用多媒體設備展示轉(zhuǎn)錄過程的示意圖，如圖2所示，并提出問題：轉(zhuǎn)錄的實質(zhì)是什么？學生在教師的引導下得出轉(zhuǎn)錄的實質(zhì)是遺傳信息從DNA流向了mRNA。

設計意圖：轉(zhuǎn)錄是基因指導蛋白質(zhì)合成的第一個環(huán)節(jié)，以示意圖的形式將其展示出來，既能使轉(zhuǎn)錄過程更加明晰，又能引出對翻譯過程的學習。

（二）遺傳信息的翻譯進階活動設計

1.進階點：mRNA上密碼子與氨基酸的對應關(guān)系

教師引導學生回顧轉(zhuǎn)錄的結(jié)果是遺傳信息從基因傳遞到了mRNA，并提出問題：“mRNA上的遺傳信息是怎樣傳遞到蛋白質(zhì)中的？mRNA上的堿基序列與蛋白質(zhì)中氨基酸的種類、數(shù)量、排列順序有什么關(guān)系？”學生回答：“RNA的堿基種類有4種，氨基酸的種類有21種?！苯處熥穯枺骸?種堿基是怎么決定21種氨基酸的呢？堿基與氨基酸之間的對應關(guān)系是什么？”這些問題能引導學生采用數(shù)學方法推測得出三個堿基可以決定一個氨基酸。

設計意圖：教師在出示科學史料的基礎(chǔ)上，通過設問的方式層層遞進，然后采用數(shù)學方法一步步引導學生分析mRNA上密碼子與氨基酸的對應關(guān)系，為學習翻譯的過程作好鋪墊。

2.進階點：tRNA識別與轉(zhuǎn)運氨基酸的過程

教師提問：“蛋白質(zhì)是在核糖體上合成的，那么組成蛋白質(zhì)的氨基酸是如何到達核糖體的？”學生討論tRNA結(jié)構(gòu)的特點，總結(jié)密碼子與反密碼子遵循堿基互補配對的規(guī)律，由此證明tRNA是將氨基酸運送到核糖體上的轉(zhuǎn)運工具。

設計意圖：教師結(jié)合學生已經(jīng)學習的蛋白質(zhì)的相關(guān)知識引出新問題，有利于學生的知識遷移，為新知的鞏固和內(nèi)化奠定堅實基礎(chǔ)。

3.進階點：翻譯的概念

教師播放翻譯過程的視頻，引導學生閱讀教材中蛋白質(zhì)合成的示意圖，然后提出問題：“mRNA翻譯蛋白質(zhì)的過程是怎樣的？翻譯的場所、條件、原料、產(chǎn)物以及特點是怎樣的？你可以給遺傳信息的翻譯下一個定義嗎？”

設計意圖：視頻動畫有助于學生理解翻譯的過程，突破本節(jié)課的教學難點。教師鼓勵學生用自己的話給翻譯下定義，有助于提高學生的總結(jié)歸納能力和表達能力，也能考查學生的學習效果。

4.進階點：翻譯的實質(zhì)

教師用多媒體設備展示翻譯過程示意圖，如圖3所示，并提出問題：“翻譯的實質(zhì)是什么？”學生在教師的引導下得出翻譯的實質(zhì)是遺傳信息mRNA流向了蛋白質(zhì)。

設計意圖：從信息傳遞的角度畫出示意圖，能夠為后續(xù)中心法則的學習作好鋪墊，也是對基因指導蛋白質(zhì)的合成整個過程的提煉，有利于學生更好地把握本節(jié)課的核心概念和一般概念。

5.進階點：中心法則

教師可以讓學生從遺傳信息的傳遞過程總結(jié)中心法則，并結(jié)合教材補充中心法則，歸納遺傳信息的一般規(guī)律，最后總結(jié)基因的表達概念。

設計意圖：教師引導學生采用示意圖的方式厘清學習內(nèi)容，并通過對科學家逐步完善中心法則過程的了解，激發(fā)學生對生命科學的探究欲，使學生認識到科學是一個動態(tài)的、不斷修正的過程。

五、總結(jié)與討論

教師可以將學習進階理論融入概念教學，符合學生的認知規(guī)律，真正培養(yǎng)學生的科學思維，提高學生的生物學科素養(yǎng)。

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