指向深度學(xué)習(xí)的單元整體教學(xué)實(shí)踐
——以“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”為例

徐 陽

(廣東省中山市第二中學(xué) 廣東中山 528429)

單元是基于一定的目標(biāo)所構(gòu)成的教材與經(jīng)驗(yàn)?zāi)K,即圍繞一定的主題,由若干節(jié)具有內(nèi)在聯(lián)系的課時(shí)所組成的一個(gè)整體教學(xué)單位。深度學(xué)習(xí)是指在教師引領(lǐng)下,學(xué)生圍繞有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題,全身心積極參與、體驗(yàn)成功、獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過程。深度學(xué)習(xí)的發(fā)生既依賴教師精心提供結(jié)構(gòu)化、有教學(xué)意圖的教學(xué)材料,又需要學(xué)生在平等寬松的互動(dòng)中主動(dòng)探究,師生共同發(fā)展。本單元聚焦次位概念“DNA 分子上的遺傳信息通過RNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”進(jìn)行單元整體設(shè)計(jì),包含3 個(gè)課時(shí)。教師簡化整合相關(guān)科學(xué)史和社會(huì)議題,依托一系列活動(dòng),引導(dǎo)學(xué)生深入探究基因行使功能的機(jī)理。

1 單元設(shè)計(jì)思路

“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”位于人教版高中生物學(xué)教材《必修2·遺傳與進(jìn)化》第四章第一節(jié),涉及遺傳信息的轉(zhuǎn)錄、翻譯和中心法則三部分內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容承接“基因的本質(zhì)”,為“生物的變異”和“基因工程”的教學(xué)埋下伏筆,知識(shí)內(nèi)容螺旋上升,是承上啟下的重要環(huán)節(jié),也是學(xué)生理解的重難點(diǎn)。

本單元遵循深度學(xué)習(xí)的五大步驟,以“提出教學(xué)主線→體驗(yàn)轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程→建構(gòu)概念模型并引出變式→遷移應(yīng)用概念→評價(jià)解決社會(huì)議題”為學(xué)習(xí)路徑,教師通過豐富適切的素材和活動(dòng),對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行推理論證,兼顧知識(shí)和素養(yǎng)兩個(gè)層面,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、形成生命觀念、提升探究能力(圖1)。

2 單元教學(xué)目標(biāo)

①基于信使RNA 與轉(zhuǎn)運(yùn)RNA 的發(fā)現(xiàn)史和遺傳密碼的破譯史,論證RNA 是DNA 的信使以及mRNA編碼并結(jié)合氨基酸的方式,理解轉(zhuǎn)錄與翻譯的內(nèi)涵及外延,提升深度探究能力,鍛煉分析綜合、演繹推理、批判性和創(chuàng)造性等科學(xué)思維。

②通過導(dǎo)學(xué)問題及圖文資料,概述轉(zhuǎn)錄、翻譯的具體過程;通過建構(gòu)概念模型,培養(yǎng)歸納概括的科學(xué)思維,理解基因表達(dá)的物質(zhì)基礎(chǔ)和信息傳遞過程,在分子水平形成生命的物質(zhì)、能量與信息觀。

③通過活動(dòng)體驗(yàn)不同的mRNA 翻譯出相同的多肽鏈過程,理解并闡釋密碼子的簡并性;基于幾乎所有生物共用一套遺傳密碼的事實(shí),認(rèn)同生物界的統(tǒng)一性;通過分析密碼子通用性的例外,理解機(jī)體與環(huán)境的協(xié)同進(jìn)化,形成進(jìn)化與適應(yīng)觀。

④通過對抗生素和囊性纖維病等社會(huì)性議題的分析,對抗生素濫用形成正確的價(jià)值評判,形成安全用藥的健康生活意識(shí);提出疾病的可行性治療思路并評價(jià)其局限性,養(yǎng)成批判、理性的科學(xué)精神,感悟?qū)W科價(jià)值,提升社會(huì)責(zé)任。

3 單元教學(xué)過程

3.1 聯(lián)想與結(jié)構(gòu)——關(guān)聯(lián)現(xiàn)實(shí)情境,生成邏輯主線

教師展示圖文資料,介紹自然界的“基因大盜”綠葉海天牛能夠?qū)⒕幋a葉綠體關(guān)鍵酶的一系列藻類基因整合到核基因中,從而獲得維持光合作用的能力。教師提問:為什么轉(zhuǎn)入的是基因,獲得的卻是性狀?性狀主要通過什么表現(xiàn)?學(xué)生將情境與知識(shí)結(jié)構(gòu)性關(guān)聯(lián),歸納單元核心邏輯主線“DNA→蛋白質(zhì)→性狀”,初構(gòu)基因表達(dá)的概念。

設(shè)計(jì)意圖:教師從科普情境中歸納概括出單元主線,對知識(shí)體系補(bǔ)充與拓展,為學(xué)生創(chuàng)造性地展開科學(xué)論證和邏輯推理提供錨定點(diǎn),激發(fā)興趣,清晰主線。

3.2 活動(dòng)與體驗(yàn)——開展論證推理,建構(gòu)次位概念

教師依據(jù)學(xué)情整合科學(xué)史,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究,通過“激發(fā)問題→提出主張→分析證據(jù)→推理探究→得出結(jié)論”這一論證過程,體驗(yàn)轉(zhuǎn)錄與翻譯的科學(xué)發(fā)展史,深化對概念的理解。

3.2.1 探究DNA 與蛋白質(zhì)之間的信使

(1)巧設(shè)沖突,激發(fā)問題

DNA 和蛋白質(zhì)的直徑分別約2 nm 和23 nm,核孔直徑只有0.9 nm,DNA 主要分布在細(xì)胞核,蛋白質(zhì)在細(xì)胞質(zhì)的核糖體合成。教師通過展示DNA 和蛋白質(zhì)的位置與大小相沖突的資料使學(xué)生認(rèn)識(shí)到DNA 不能直接指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。

(2)發(fā)散整合,提出主張

學(xué)生大膽提出DNA 和蛋白質(zhì)之間存在信使,教師引導(dǎo)學(xué)生演繹信使應(yīng)具備的條件為既能與DNA 結(jié)合,又可以通過核孔,到達(dá)細(xì)胞質(zhì)參與蛋白質(zhì)的合成,繼而引出信使的存在。

(3)依托證據(jù),推理探究

教師引導(dǎo)學(xué)生對比DNA 與RNA 的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)差異,基于RNA 的結(jié)構(gòu)推測其功能,歸納RNA適合作信使的結(jié)構(gòu)證據(jù)。學(xué)生小組合作,繼續(xù)探究RNA 作信使的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

教師呈現(xiàn)SP8 噬菌體侵染枯草桿菌實(shí)驗(yàn)(圖2),并設(shè)置問題串:①用什么方法將噬菌體DNA 的重鏈和輕鏈分離?②噬菌體RNA 合成的原料有哪些?③新合成RNA 的模板是什么?學(xué)生小組交流討論,闡明RNA 合成的原料和模板,驗(yàn)證RNA 能與DNA 結(jié)合。

圖2 SP8 噬菌體侵染枯草桿菌實(shí)驗(yàn)

教師展示變形蟲放射性標(biāo)記實(shí)驗(yàn)(圖3),設(shè)置驅(qū)動(dòng)性問題串:①用什么方法示蹤RNA 的去向?②選擇RNA 的哪種成分作標(biāo)記,為什么?③RNA 的合成發(fā)生在細(xì)胞的什么部位?④細(xì)胞核交換后,D 組變形蟲的細(xì)胞質(zhì)為什么會(huì)有標(biāo)記的RNA?學(xué)生通過探討,明確RNA 的合成場所,驗(yàn)證RNA 能從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)。

圖3 變形蟲放射性標(biāo)記實(shí)驗(yàn)

教師提出將變形蟲RNA 降解后重加入實(shí)驗(yàn),提示學(xué)生運(yùn)用自變量控制的“加法和減法原理”,驗(yàn)證RNA與蛋白質(zhì)的合成有關(guān)。學(xué)生寫出實(shí)驗(yàn)思路和預(yù)期結(jié)果,在加入RNA 酶后蛋白質(zhì)合成停止,重新加入RNA后蛋白質(zhì)又繼續(xù)合成。預(yù)期與實(shí)際相符,觀點(diǎn)成立。

(4)重建認(rèn)知,形成結(jié)論

學(xué)生解決認(rèn)知沖突,論證RNA 是DNA 的信使(圖4),教師根據(jù)學(xué)生的回答將主線修正為“DNA→RNA→蛋白質(zhì)→性狀”,明確基因表達(dá)包括轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個(gè)過程。

3.2.2 探究mRNA 編碼并結(jié)合氨基酸的方式

翻譯過程抽象復(fù)雜,教師依據(jù)上述論證過程,滲透性點(diǎn)撥、解決該過程的邏輯障礙,如表1所示。

表1 mRNA 編碼并結(jié)合氨基酸的方式的論證過程

設(shè)計(jì)意圖:教師引導(dǎo)學(xué)生還原科學(xué)史進(jìn)行論證,實(shí)現(xiàn)探究與思維雙輪驅(qū)動(dòng),既有助于學(xué)生理解基因表達(dá)的過程,又發(fā)展了學(xué)生的批判性與創(chuàng)造性思維和獲取信息、評價(jià)證據(jù)的能力,同時(shí)有助于學(xué)生形成科學(xué)本質(zhì)觀,建構(gòu)次位概念。

3.3 本質(zhì)與變式——剖析知識(shí)本質(zhì),靈活引出變式

教師展示轉(zhuǎn)錄與翻譯過程的動(dòng)畫,提供導(dǎo)學(xué)問題:“時(shí)間、場所→產(chǎn)物→用恰當(dāng)?shù)膭?dòng)詞概括步驟→歸納條件→建構(gòu)定義→分析物質(zhì)變化和信息傳遞”,引導(dǎo)學(xué)生概括轉(zhuǎn)錄與翻譯的過程。學(xué)生通過建構(gòu)基因表達(dá)的概念模型(圖5),理解知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系,掌握概念本質(zhì)。在此基礎(chǔ)上,教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生形成大概念“遺傳信息控制生物性狀,并代代相傳”。

圖5 基因表達(dá)的概念模型

學(xué)生觀察腸道EV-71 病毒和HIV 病毒侵染細(xì)胞的圖示,對基因表達(dá)的信息傳遞過程進(jìn)行變式,補(bǔ)充遺傳信息從RNA 流向RNA 以及從RNA 流向DNA 的過程,認(rèn)識(shí)遺傳信息流動(dòng)的多樣性,歸納中心法則。學(xué)生闡明核酸和蛋白質(zhì)是遺傳信息的載體和表達(dá)產(chǎn)物,ATP 為其供能,領(lǐng)悟遺傳信息以物質(zhì)為載體,以能量為動(dòng)力,進(jìn)而認(rèn)識(shí)到生命是物質(zhì)、能量與信息的高度統(tǒng)一體。

設(shè)計(jì)意圖:建構(gòu)概念模型有利于學(xué)生理解遺傳信息傳遞的本質(zhì),在重要概念建構(gòu)完成的基礎(chǔ)上,教師引導(dǎo)學(xué)生向上進(jìn)階概念,形成大概念。教師通過引出變式,培養(yǎng)了學(xué)生深度加工知識(shí)的能力,加強(qiáng)單元知識(shí)的整體性,并使學(xué)生在此過程中體會(huì)中心法則是物質(zhì)、能量和信息的集中體現(xiàn)。

3.4 遷移與應(yīng)用——促進(jìn)知識(shí)轉(zhuǎn)化,拓展概念外延

教師指導(dǎo)學(xué)生查閱密碼子表,寫出CUC AUG CGU ACG UAA GUA 和CUC AUG CGG ACG UAA GUA 這兩條mRNA 序列編碼的多肽鏈,學(xué)生在試錯(cuò)過程中修改認(rèn)知,區(qū)分起始密碼子、終止密碼子和同義密碼子,并通過教材“思考討論”部分分析密碼子的特點(diǎn)。

教師提供資料,在人的線粒體和纖毛蟲中,通用密碼子的編碼出現(xiàn)了例外。師生共同分析支持該現(xiàn)象的證據(jù),引導(dǎo)學(xué)生基于進(jìn)化和適應(yīng)觀解釋其原因,學(xué)生逐步理解環(huán)境改變迫使生物調(diào)整至適應(yīng)才有利于生存,機(jī)體與環(huán)境協(xié)同進(jìn)化,適應(yīng)是進(jìn)化的結(jié)果,生存是適應(yīng)的結(jié)果。

教師提出密碼子與反密碼子之間并不嚴(yán)格遵守堿基互補(bǔ)配對,如反密碼子5′端U 與密碼子3′端的A 或G 均能配對,引導(dǎo)學(xué)生基于密碼子、反密碼子和tRNA之間的關(guān)系推測反密碼子和tRNA 的種類(圖6)。

設(shè)計(jì)意圖:基于密碼子和反密碼子概念進(jìn)行體驗(yàn)式教學(xué),學(xué)生透過表層事實(shí)提煉生命觀念,教師既檢驗(yàn)了學(xué)習(xí)效果,又有助于學(xué)生將所學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為綜合實(shí)踐能力,實(shí)現(xiàn)了概念的外化、拓展。

3.5 價(jià)值與評價(jià)——倡導(dǎo)學(xué)以致用,承擔(dān)社會(huì)責(zé)任

3.5.1 基于抗生素機(jī)制安全用藥,健康生活

教師提供利福平和鏈霉素的抗菌機(jī)制圖示(圖7),學(xué)生分析得出這兩種抗生素分別特異性阻礙細(xì)菌的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程而實(shí)現(xiàn)抗菌,鏈霉素Ⅰ、Ⅱ機(jī)制導(dǎo)致細(xì)菌無法合成蛋白質(zhì),Ⅲ導(dǎo)致合成錯(cuò)誤的蛋白質(zhì)。教師追問抗生素是否對病毒起作用,學(xué)生聯(lián)系病毒無細(xì)胞結(jié)構(gòu),病毒內(nèi)不能轉(zhuǎn)錄和翻譯,因此抗生素不能對病毒起作用,建立避免抗生素濫用的健康觀念。

3.5.2 基于蛋白質(zhì)合成攻克疾病,關(guān)愛他人

教師展示資料:囊性纖維病是一種常見的遺傳病,70%患者的CFTR 基因缺失3 個(gè)堿基,10%的患者因該基因突變使終止密碼子提前,生成功能不全的的蛋白質(zhì)。教師提供問題串:①如何針對這兩類患者提供不同的RNA 療法?②采用什么技術(shù)可以將RNA 送入人體細(xì)胞?③RNA 療法有何優(yōu)缺點(diǎn)?④對RNA 療法你存在怎樣的疑惑?學(xué)生討論,得出分別設(shè)計(jì)正常的CFTR 基因的mRNA 和能與終止密碼子結(jié)合并攜帶正確氨基酸的tRNA,并利用病毒將RNA 導(dǎo)入人體細(xì)胞,能夠翻譯出正常功能的蛋白質(zhì)。學(xué)生分析RNA 沒有整合基因組的風(fēng)險(xiǎn)但易降解,提出RNA 療法價(jià)值的追問,如異常mRNA 依然存在,改造后的tRNA 可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)無法正常終止等問題。教師鼓勵(lì)學(xué)生課后查詢資料,關(guān)注RNA療法的發(fā)展。

設(shè)計(jì)意圖:教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用生物學(xué)原理去客觀評判、解決社會(huì)性議題,有助于學(xué)生深刻理解基因表達(dá)背后的邏輯與價(jià)值,養(yǎng)成積極討論并嘗試解決生活問題的習(xí)慣,形成正確的價(jià)值觀,實(shí)現(xiàn)自我成長。

4 單元教學(xué)反思

4.1 單元整體設(shè)計(jì)應(yīng)有高度

本單元首先提出基因與性狀“遺傳”如何聯(lián)系的單元邏輯主線,凝練拓展不同版本生物學(xué)教材的相關(guān)內(nèi)容,以連貫性的活動(dòng)為驅(qū)動(dòng),引導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)地理解基因表達(dá)的細(xì)節(jié),逐漸形成次位概念,最終指向大概念,教學(xué)過程主干清晰,邏輯遞進(jìn)。

4.2 論證推理過程應(yīng)重信度

科學(xué)思維是理論和證據(jù)相互協(xié)調(diào)的過程,無法直接傳遞,需要學(xué)生在主動(dòng)探究地過程中實(shí)現(xiàn)自我升華。本單元以“提主張-析證據(jù)-展推理”這一路徑探索概念的發(fā)展和運(yùn)用,促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成重實(shí)證、敢質(zhì)疑的科學(xué)精神,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

4.3 價(jià)值引領(lǐng)過程應(yīng)講溫度

教師引入社會(huì)議題,將生物學(xué)概念向課外延伸,引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用、感悟所學(xué)知識(shí),有利于培養(yǎng)學(xué)生積極討論社會(huì)熱點(diǎn)、主動(dòng)宣傳健康生活觀念的意識(shí),鼓勵(lì)學(xué)生為解決社會(huì)問題和促進(jìn)未來發(fā)展獻(xiàn)言獻(xiàn)策,增進(jìn)社會(huì)使命感和責(zé)任感。