基于建模教學策略發(fā)展學生科學思維的教學設計

尹佳欣

［摘 要］在“基因指導蛋白質的合成”第一課時的教學中，采用建模教學策略，引導學生選擇、制作、修改以及評價模型；通過模型的建構過程來模擬轉錄的過程，以此達到在建構“轉錄”概念的同時培養(yǎng)學生的科學思維的目的。

［關鍵詞］建模教學；科學思維；教學設計

［中圖分類號］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2024）11-0090-03

一、教材分析

“基因指導蛋白質的合成”一節(jié)在人教版高中生物學教材中的位置設計是很巧妙的——在必修2第四章的第一節(jié)，不難看出該節(jié)內容的重要性。第四章圍繞著基因的表達開展學習，“基因指導蛋白質的合成”即是基因的表達的開始，且在前一章的學習中，學生已經掌握了“DNA是主要的遺傳物質”這一概念并構建了DNA的雙螺旋結構模型，梳理了基因的概念，理解了DNA與染色體之間的關系，為學習基因的表達打下了堅實的基礎?！盎蛑笇У鞍踪|的合成”一節(jié)在高中生物學教材中具有承上啟下的作用，既對學生之前所學習的基因與蛋白質知識進行了總結提升，又為后續(xù)學習基因與性狀的關系、生物的變異和進化以及基因工程等知識奠定了理論基礎。

二、學情分析

學生在必修1已經系統(tǒng)地學習了蛋白質、核酸這些生物大分子，也知道了DNA是主要的遺傳物質，在剛學完DNA的自我復制之后，學生對DNA是如何指導蛋白質的合成十分感興趣。鑒于高中生的思維水平以及動手能力相較于初中生有一定的提升，同時考慮到“基因指導蛋白質的合成”是比較抽象的過程。因此，使用直觀的模型去模擬轉錄的過程是個很好的選擇，能在加深學生對基因表達的理解的同時鍛煉學生的動手能力。

三、教學策略

新課程改革要求生物學教學要能夠幫助學生獲得生物學基本事實、概念、原理、規(guī)律和模型等方面的基礎知識。為什么生物學教學要能夠幫助學生獲得模型的基礎知識？如何幫助學生獲得有關模型的基礎知識？想要回答這些問題，就要與生物學知識的特質聯(lián)系起來。在高中生物學中，有許多微觀且十分不易理解的結構、物質以及反應過程，比如細胞的結構、染色體的合成過程以及基因指導蛋白質的合成的過程等。學生主體思維的認知會限制他們去理解這些微觀的物質與反應過程，而模型建構可以幫助學生更好地理解微觀的物質和反應過程。建模教學正是以建構模型為核心內容的一種教學策略。模型的種類較多，主要包括物理模型、概念模型和數(shù)學模型，在本節(jié)課的教學中將會使用到物理模型。本節(jié)課的建模教學的基本步驟包括明確模型建構的目的、選擇和使用合理的模型表征方式、建構模型、檢驗和評價模型、修正模型。

四、教學目標

1.通過展示科學史料，運用歸納與概括、演繹與推理的方法，引導學生得出RNA是DNA分子的信使，并通過科學史料的學習使學生認識到科學研究的嚴謹與不易。

2.運用模型與建模的方法，以小組為單位，引導學生制作、運用、修正以及評價模型，理解DNA是如何將遺傳信息傳遞到RNA的，總結出轉錄的概念。

3.通過轉錄過程的學習，認識細胞生命活動的基本規(guī)律和科學研究的重要性，在建構模型的過程形成批判性思維和創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)嚴謹創(chuàng)新的科學態(tài)度與精神。

五、教學過程

（一）創(chuàng)設真實情境，導入新課

教師給學生介紹我國是世界上最大的棉花生產國和消費國并展示棉花遭受病蟲害的圖片，以此為背景向學生科普科學家將蘇云金桿菌抗蟲蛋白基因轉入普通棉花植株中，會產生Bt抗蟲蛋白，并表現(xiàn)出相應的性狀。教師提問：“為什么我們導入的是基因卻得到了蛋白質呢？基因與蛋白質之間又有什么樣的關系呢？”結合初中學過的生物學知識，學生知道生物的性狀是由基因控制的，此時教師再次提問：“基因是如何控制生物的性狀的？”學生結合課前預習的教材知識，得出基因通過指導蛋白質的合成進而實現(xiàn)對生物的性狀的控制，由此展開本節(jié)課的學習。

設計意圖：以現(xiàn)實生活中的轉基因抗蟲棉導入新課，吸引學生的注意力和激發(fā)學生的學習興趣。學生本身就覺得轉基因作物是很神秘的存在，教師通過生物學知識將學生眼中“神秘”的知識真實化，在充分激發(fā)學生求知欲和學習興趣的同時也明確了本節(jié)課的學習目的。而轉基因作物在后面的學習中也會接觸到，該情境為基因工程的學習奠定了基礎。

（二）論證RNA是DNA分子的信使

首先，教師引導學生回顧知識，讓學習知道DNA分子主要存在于細胞核中，而蛋白質是在細胞質中合成的。其次，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：“細胞核基因中的遺傳信息是如何傳遞到核糖體的？”最后，教師引導學生積極思考，小組討論并提出自己的主張。主張1：DNA從細胞核移出到核糖體指導蛋白質的合成。主張2：核糖體進入細胞核，DNA直接指導蛋白質的合成。主張3：存在某種物質作為中間信使，將DNA的遺傳信息傳遞給核糖體。教師就各小組提出的主張進行分析，引導學生回憶之前學過的蛋白質與核酸部分知識，并為學生展示資料1：DNA分子的直徑約為2 nm，核糖體是圓形顆粒，直徑約23 nm，細胞核的核孔只有0.9 nm。學生借助資料1整理修正自己的主張：DNA與蛋白質之間一定存在某種中間物質，其將遺傳信息傳出細胞核。

通過以往的學習，學生不難推測出該中間物質是RNA，教師為學生展示資料2：克里克向RNA Tie Club分發(fā)了一份題為“退化模板和適配器假說”的說明，并在論文《論蛋白質合成》中提出了RNA 是信使物質的假說。這則材料肯定學生的推測。教師繼續(xù)提問：“我們如何證明RNA是DNA的信使呢？”待學生小組討論之后，教師為學生展示資料3：1955年，布拉切特以洋蔥根尖和變形蟲為材料進行實驗，用RNA酶分解細胞中的RNA，蛋白質的合成就停止了；如果再加入酵母中提取的RNA，蛋白質又開始合成了。引導學生得出結論：蛋白質的合成與RNA有關。

教師展示資料4：1961年，布倫納等科學家經過實驗發(fā)現(xiàn)，用噬菌體侵染細菌，在培養(yǎng)基中添加含14 C 標記的尿嘧啶，培養(yǎng)一段時間后，把細菌裂解離心，分離出RNA與核糖體，分離出來的RNA有14 C 標記；將分離得到的RNA分別與細菌的DNA和噬菌體DNA混合在一起，慢慢冷卻，發(fā)現(xiàn) RNA 只能與噬菌體DNA中的一條單鏈結合形成DNA—RNA雙鏈雜交分子。教師提問：“為什么14 C 標記的RNA只能與噬菌體DNA中的一條單鏈結合形成DNA—RNA雙鏈雜交分子呢？”學生經小組討論之后得出結論：RNA是以DNA的一條鏈為模板合成的。

由此，教師通過以上資料逐步證明RNA確實是DNA分子的信使，證實了學生的假設是正確的。

設計意圖：該部分的重點在于如何證明RNA是DNA分子的信使，要讓學生切實體會任何假說與推測都是需要大量的證據(jù)去證明的，而通過展示真實的科學史料，學生能感受到科學家探索科學本質時所運用的思維方式，明白科學的嚴謹性。同時，通過一步步地論證，可以很好地培養(yǎng)學生的邏輯思維能力以及辯證思維能力，提升學生的核心素養(yǎng)。

（三）建構模型，歸納轉錄的概念，理解轉錄的過程

1.閱讀教材內容，初步建構模型

首先，教師帶領學生回憶DNA復制的知識點，借此提出問題：“轉錄的場所、原料、模板、能量和酶又是什么呢？”學生帶著問題去閱讀教材，小組討論得出答案。通過類比推理，教師與學生共同得出轉錄的概念：RNA是在細胞核中，通過RNA聚合酶以DNA的一條鏈為模板合成的，這一過程叫作轉錄。

其次，教師拿出事先準備好的已解旋的Bt基因片段、不同顏色及形狀的小卡片所代表的五種核苷酸（A、G、C、U、T）以及橢圓形狀的RNA聚合酶，讓學生回憶DNA復制的過程，閱讀教材第65頁的圖4-4，并以小組為單位用手中的材料模擬Bt抗蟲蛋白基因轉錄出Bt信使RNA的過程，即嘗試用模型建構的方式去表達轉錄的過程。在學生分組建模的過程中，教師及時觀察各小組建模的情況，對有問題的小組給予適當?shù)奶崾九c指導。

最后，教師讓兩個學生代表在黑板上展示各自小組得到的Bt信使RNA單鏈，并讓其他小組的學生提出問題，教師再進行總結：（1）在轉錄過程中遵循的堿基互補配對原則是怎樣的？A應該與誰配對？（2）轉錄過程中RNA聚合酶的移動方向是怎么樣的？

2.觀看視頻，尋找答案，修正模型

教師播放轉錄過程的視頻，學生帶著問題去觀看視頻。通過觀看視頻，學生得出答案：A與U配對而不是與T配對；RNA聚合酶的移動方向就是轉錄的方向，以3′—5′方向沿著DNA的模板鏈移動。

學生從視頻以及其他同學的回答中發(fā)現(xiàn)自己小組所制作的模型存在的問題，并對所建構的模型進行修正與完善。

教師先請不同的小組展示自己的模型，簡述轉錄的過程，說出得到的mRNA的堿基序列，然后與學生共同總結出轉錄的一般步驟：解旋—配對—連接—釋放。教師再次提問：“DNA雙鏈中的任意一條鏈都可以成為模板鏈嗎？哪一條鏈才能指導相應的Bt抗蟲蛋白基因的合成呢？”

3.小組討論，加深對轉錄的理解

各小組學生就教師提出的問題進行思考討論，進而得出結論：對于一個確定的DNA分子，轉錄的模板鏈是確定的，一般是以位于啟動分子下游的3′—5′方向的鏈為模板鏈；只有模板鏈才能轉錄出具有相應遺傳信息的mRNA，進而指導相應的Bt抗蟲蛋白基因的合成。

最后，教師提示學生在課后繼續(xù)查找其他種類的轉基因作物，在拓寬學生知識面的同時，為基因工程的學習打下堅實的知識基礎。

設計意圖：教師運用類比與推理的方法，通過類比DNA的自我復制時所需要的場所、原料、模板、能量和酶來引導學生總結出轉錄所需要的場所、原料、模板、能量和酶，進而歸納概述出轉錄的概念。轉錄的過程是比較抽象的動態(tài)變化過程，而模型的建構可以將抽象的過程具象化，通過模型的建構，模擬Bt抗蟲蛋白基因轉錄出Bt信使RNA的過程，加深學生對轉錄的過程和實質的理解。在學生不斷展示模型的過程中，教師引導學生對模型進行修正與完善，使學生層層深入地理解基因表達的本質。而在教師引導學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程中，學生的批判性思維和學科素養(yǎng)得到了很好的發(fā)展。

六、教學反思

“基因指導蛋白質的合成”是在第三章“基因在哪里”以及“基因是什么”的問題的基礎上提出的。在“轉錄”一節(jié)的教學中，學生通過動手模擬轉錄的過程，將抽象的生物學知識轉變?yōu)檎鎸嵖梢姷哪Ｐ停粚W生發(fā)現(xiàn)問題，通過小組合作思考討論并解決問題，建構轉錄的概念，加深對轉錄過程的理解，從而完成本節(jié)課的學習目標。實施建模教學可以有效鍛煉學生的動手能力，培養(yǎng)學生的科學思維。在建模教學策略的實施中，首先，教師要改變邊講邊做的傳統(tǒng)教學模式，要注重設計建模方案，掌握建模教學策略。其次，除了需注意模型的科學性、嚴謹性，教師還要重點關注學生的學習情況，小組合作學習中不免有學生出現(xiàn)注意力不集中的情況，沒有真正參與到學習中，因此教師需要引導學生積極主動地參與建構模型、修正模型及評價模型等活動。最后，教師要對有問題的小組及時進行正確的引導，不能讓建模過程中出現(xiàn)的錯誤概念留在學生的腦海中，影響學生對正確知識內容的學習。只有這樣才能夠讓學生由淺入深，逐步建構知識框架，促進學生的深度學習。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

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（責任編輯 黃春香）