概念為本的科學(xué)思維進(jìn)階發(fā)展的教學(xué)設(shè)計

摘 要：本文介紹了“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”第一課時“遺傳信息的轉(zhuǎn)錄”的教學(xué)設(shè)計，創(chuàng)設(shè)半乳糖血癥這一情境，設(shè)計進(jìn)階性問題群，通過結(jié)合科學(xué)史引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入思考和科學(xué)論證，在“詢證”中逐步構(gòu)建“轉(zhuǎn)錄”的相關(guān)知識與概念，進(jìn)而實現(xiàn)學(xué)生科學(xué)思維的進(jìn)階發(fā)展。

關(guān)鍵詞：概念為本；科學(xué)思維；進(jìn)階發(fā)展；基因轉(zhuǎn)錄

文章編號：1003-7586（2024）11-0011-03 中圖分類號：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 教材分析及設(shè)計思路

“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”是人教版普通高中教科書《生物學(xué)·必修2·遺傳與進(jìn)化》第4章第1節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容建立在“基因的本質(zhì)”相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，需要學(xué)生從基因功能的視角進(jìn)行理解。本節(jié)內(nèi)容包括轉(zhuǎn)錄、翻譯、中心法則等，與學(xué)生已掌握的DNA分子的結(jié)構(gòu)、基因的本質(zhì)等知識的聯(lián)系較為緊密。對該內(nèi)容的學(xué)習(xí)能夠幫助學(xué)生更好地從分子水平上認(rèn)識基因與DNA的關(guān)聯(lián)、RNA的形成過程及基因控制蛋白質(zhì)合成的過程。該內(nèi)容既能為后續(xù)基因表達(dá)與性狀的關(guān)系等知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，也能為學(xué)生在未來學(xué)習(xí)基因工程做鋪墊。

本節(jié)內(nèi)容隸屬于大概念“3 遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”中的重要概念“3.1親代傳遞給子代的遺傳信息主要編碼在DNA分子上”中的次位概念“3.1.4概述DNA分子上的遺傳信息通過RNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，細(xì)胞分化的本質(zhì)是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果，生物的性狀主要通過蛋白質(zhì)表現(xiàn)”。對本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)有助于學(xué)生建立與完善遺傳學(xué)概念體系，同時也會促進(jìn)學(xué)生的獲取信息、解決問題等能力的發(fā)展。本節(jié)內(nèi)容在發(fā)展學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)方面?zhèn)戎亓丝茖W(xué)探究和科學(xué)思維能力的培養(yǎng)，并在一定程度上滲透了結(jié)構(gòu)與功能觀等生命觀念的內(nèi)容。

本節(jié)課的設(shè)計理念是在構(gòu)建概念體系的基礎(chǔ)上，以真實情境為切入點(diǎn)，設(shè)計本節(jié)課程的核心問題以及子問題。學(xué)生通過解答相關(guān)問題并完成任務(wù)凝練出相應(yīng)的次位概念，不僅促進(jìn)其科學(xué)思維的進(jìn)階發(fā)展，還能引導(dǎo)其像科學(xué)家一樣思考。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）能夠基于事實和證據(jù)，采用適當(dāng)?shù)奶骄糠椒ń沂綬NA適合做DNA信使的原因及遺傳信息的轉(zhuǎn)錄過程，在運(yùn)用多種科學(xué)方法解決問題的過程中實現(xiàn)科學(xué)思維的進(jìn)階發(fā)展。

（2）能夠從結(jié)構(gòu)與功能觀、生命的信息觀等生命觀念出發(fā)，理解RNA作為遺傳信使的結(jié)構(gòu)與功能特性及其在遺傳信息傳遞中的作用。

（3）通過對該內(nèi)容的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)尊重生命規(guī)律的生命觀念，更好地?zé)釔凵睿B(yǎng)成健康的生活習(xí)慣。

3 教學(xué)過程

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課

教師展示半乳糖血癥實例，邀請該病癥患者介紹自己的親身感受。教師引導(dǎo)學(xué)生對半乳糖血癥進(jìn)行初步分析，并思考基因與生物性狀有什么關(guān)系，由此引出本節(jié)要解決的問題，即建立起基因與蛋白質(zhì)之間的關(guān)系，明確其內(nèi)在的聯(lián)系。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)從真實情境出發(fā)，使學(xué)生產(chǎn)生很強(qiáng)的代入感，從而激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生能夠體會到此部分內(nèi)容與生活有著密切的聯(lián)系，在引發(fā)思考的同時能夠激發(fā)學(xué)生的探知欲。

3.2 做出假設(shè)，探尋關(guān)系

活動一：教師引導(dǎo)學(xué)生回顧DNA主要分布于細(xì)胞核內(nèi)，而蛋白質(zhì)的合成需要在核糖體上進(jìn)行，核膜將DNA與核糖體分隔開。教師提出問題：“細(xì)胞核中基因如何與核糖體建立起聯(lián)系？”并引導(dǎo)學(xué)生做出以下兩種假設(shè)。

（1）DNA從細(xì)胞核中通過核孔移出，進(jìn)入到細(xì)胞質(zhì)中與核糖體結(jié)合。

（2）DNA不能從細(xì)胞核中移出，需要由另一種物質(zhì)來傳遞信息。

學(xué)生討論得出可以利用同位素標(biāo)記技術(shù)探究物質(zhì)在細(xì)胞中的轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移，并設(shè)計實驗來證明假設(shè)是否成立。學(xué)生在展示自己實驗設(shè)計之后，進(jìn)行組內(nèi)和組間的點(diǎn)評，教師在此基礎(chǔ)上分析與評價。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過假說演繹的方法證明細(xì)胞核中的基因無法從核中移出，核糖體也不能進(jìn)入細(xì)胞核中，從而推測出可能存在一種物質(zhì)來傳遞DNA分子中的遺傳信息。結(jié)合結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念及類比推理的方法，教師可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步推測此類物質(zhì)可能性。

活動二：學(xué)生在類比推理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計實驗驗證RNA在蛋白質(zhì)合成中的作用。學(xué)生可以借助同位素標(biāo)記的尿嘧啶核糖核苷酸設(shè)計實驗，驗證RNA分子的合成是在細(xì)胞核中完成的，并能從細(xì)胞核中釋放、轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)中。教師在學(xué)生設(shè)計與分析實驗的基礎(chǔ)上，展示科學(xué)家的相關(guān)實驗。

1955年，布拉格（J. Brachet）曾用洋蔥根尖和變形蟲進(jìn)行實驗。如果加入RNA酶分解細(xì)胞中的RNA，蛋白質(zhì)合成就停止；如果再加進(jìn)了從酵母中提取出來的RNA，則又可重新合成一定數(shù)量的蛋白質(zhì)。

1955年，戈爾茨坦（J. L. Goldstein）等人用同位素標(biāo)記變形蟲RNA前體，發(fā)現(xiàn)標(biāo)記的RNA都在核內(nèi)，表明RNA是在細(xì)胞核中合成的。如果將該細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到?jīng)]有標(biāo)記的變形蟲內(nèi)，一段時間后能夠在細(xì)胞質(zhì)中檢測到被標(biāo)記的RNA。

學(xué)生通過分析能夠得出RNA具有傳遞信息的作用，并從結(jié)構(gòu)與功能的視角比較DNA與RNA的區(qū)別與聯(lián)系，運(yùn)用類比推理的方法，得出RNA具有傳遞信息作用的理論依據(jù)。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過設(shè)計實驗探究RNA的合成及轉(zhuǎn)移路徑，可以進(jìn)一步驗證先前提出的假說。教師在此基礎(chǔ)上展示科學(xué)家的研究，讓學(xué)生體會到科學(xué)家思考和解決問題的過程。

3.3 深入探究，構(gòu)建概念

活動三：探究RNA的合成所需的相關(guān)信息來自DNA分子。

教師引導(dǎo)學(xué)生探究DNA分子在RNA合成過程中是如何發(fā)揮作用的，學(xué)生嘗試設(shè)計實驗來探究DNA將遺傳信息傳遞給RNA的過程，結(jié)合思考與分析展示科學(xué)家的實驗研究。

1961年，布倫納的（S. Brenner）等人在噬菌體侵染細(xì)菌實驗培養(yǎng)基中添加含¹⁴C標(biāo)記的尿嘧啶，裂解細(xì)菌分離出RNA與核糖體。研究者將分離出來的RNA分別與細(xì)菌和噬菌體的DNA進(jìn)行雜交，發(fā)現(xiàn)RNA可與噬菌體的DNA形成雙鏈雜交分子，而無法與細(xì)菌的DNA結(jié)合。

學(xué)生結(jié)合分析和科學(xué)史料實證研究，進(jìn)一步證明了RNA作為信使的結(jié)論，并為后續(xù)學(xué)習(xí)基因的轉(zhuǎn)錄做好鋪墊。

設(shè)計意圖：教師通過分析資料幫助學(xué)生進(jìn)一步建立起基因與RNA間的聯(lián)系，從結(jié)構(gòu)與功能的視角，更好地理解RNA作為傳遞信息物質(zhì)的適宜性，初步形成信息觀。

活動四：探究RNA合成過程是以DNA分子的一條鏈作為模版，還是以DNA分子的兩條鏈作為模版。

在上述學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生推測RNA的合成過程。學(xué)生思考DNA分子中的兩條鏈?zhǔn)欠穸伎梢宰鳛槟０鎱⑴cRNA的合成，以及如何設(shè)計實驗驗證相關(guān)假設(shè)。

教師展示資料：馬默（Marmur）等人利用DNA-RNA雜合技術(shù)，采用侵染枯草桿菌的噬菌體SP8為材料進(jìn)行實驗。噬菌體SP8的DNA分子由兩條堿基含量不平均的鏈構(gòu)成，其中一條鏈富含嘌呤，另一條互補(bǔ)鏈則富含嘧啶。因為嘌呤比嘧啶重，因此富含嘌呤的“重”鏈與富含嘧啶的“輕”鏈在加熱變性后可用密度梯度離心將其分離。SP8侵染后，實驗人員從枯草桿菌中分離出RNA，分別與DNA的重鏈和輕鏈混合并緩慢冷卻，發(fā)現(xiàn)SP8侵染后形成的RNA只會與重鏈形成DNA-RNA的雜合分子。

學(xué)生通過對上述資料的思考與分析可以得出結(jié)論：RNA只能與DNA兩條鏈中的一條鏈堿基互補(bǔ)配對，即RNA在合成過程中只使用DNA分子的一條鏈作為模版。

設(shè)計意圖：該問題對于當(dāng)前水平的學(xué)生而言理解難度較大，教師可以在學(xué)生分析的基礎(chǔ)上給出科學(xué)家的研究結(jié)果，能夠有效幫助學(xué)生認(rèn)識科學(xué)思維在生物學(xué)研究中的重要作用。

活動五：探究RNA的合成具體過程及特點(diǎn)。

教師引導(dǎo)學(xué)生從結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的視角，類比DNA的復(fù)制過程，初步推測出RNA的合成過程。教師在此基礎(chǔ)上需要強(qiáng)調(diào)DNA解螺旋需要的是

RNA聚合酶，此酶具有解螺旋和聚合兩種功能，并配合動畫演示幫助學(xué)生理解。

設(shè)計意圖：從學(xué)生概念構(gòu)建的視角進(jìn)行設(shè)問，借助前概念進(jìn)行類比推理和遷移應(yīng)用，能夠比較好地構(gòu)建出轉(zhuǎn)錄的概念。這個過程有助于學(xué)生對知識理解與概念構(gòu)建，同時實現(xiàn)了對前概念的遷移與應(yīng)用，對凝練本單元的大概念起到至關(guān)重要的作用。

活動六：探究發(fā)揮信使作用的RNA類型

教師提出問題，激發(fā)學(xué)生思考，適時給出科學(xué)家的觀點(diǎn)及研究過程。

1958年，克里克（F. H. C. Crick）提出如下觀點(diǎn)：核糖體RNA是“信使”，不同核糖體RNA編碼不同的蛋白質(zhì)。

1961年，雅各布（F. Jacob）等人對該假說進(jìn)行了實驗論證。研究人員在實驗中發(fā)現(xiàn)噬菌體侵染細(xì)菌后，細(xì)菌的蛋白質(zhì)合成立即停止，轉(zhuǎn)而合成噬菌體的蛋白質(zhì)，在此過程中，細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)合成了新的噬菌體RNA。研究人員進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這種新合成的RNA先與大腸桿菌內(nèi)原先存在的“重”核糖體結(jié)合在一起，不久后便與該核糖體發(fā)生解離并降解。

設(shè)計意圖：教師提供不斷進(jìn)階的科學(xué)史資料，以此培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)質(zhì)疑精神，并學(xué)會通過相關(guān)的研究來證實自己的觀點(diǎn)的重要性。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課從學(xué)生認(rèn)知視角著手，進(jìn)行問題設(shè)計與概念構(gòu)建，通過環(huán)環(huán)相扣的問題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行邏輯推理，并運(yùn)用類比推理、假說演繹等科學(xué)方法逐步揭示出RNA在DNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成過程中發(fā)揮作用的過程。

教師在教學(xué)過程中適時引入科學(xué)史，讓學(xué)生體會科學(xué)家的研究過程，充分體驗思維的碰撞。學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)知識的構(gòu)建與前概念的遷移應(yīng)用，進(jìn)而逐步抽象、概括、凝練出轉(zhuǎn)錄的概念。整個學(xué)習(xí)過程從問題提出、實驗驗證到總結(jié)歸納，實現(xiàn)了學(xué)生科學(xué)思維的進(jìn)階發(fā)展。教師在過程中要關(guān)注到問題設(shè)置的遞進(jìn)性和學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展性，在教學(xué)過程中要依據(jù)學(xué)生的實際反饋對問題進(jìn)行微調(diào)與修正，保證問題的有效性，以確保其與學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展過程相匹配，從而有利于學(xué)生知識的構(gòu)建以及能力與素養(yǎng)的提升。