“基因指導蛋白質(zhì)的合成”一節(jié)的探究式教學設(shè)計

王吉文

(江蘇省南京市人民中學 210005)

1 教材分析

“基因指導蛋白質(zhì)的合成”是人教版高中生物學教材《遺傳與進化》第4章“基因的表達”第1節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容主要包括基因轉(zhuǎn)錄形成RNA和RNA通過翻譯形成蛋白質(zhì)這兩個相互聯(lián)系的生命反應(yīng)過程，而該過程發(fā)生于細胞內(nèi)部，內(nèi)容抽象難懂，既是重點也是難點。學生需要發(fā)展分析和綜合、歸納和概括等理性思維能力，以準確理解基因指導蛋白質(zhì)合成的過程以及建構(gòu)“轉(zhuǎn)錄”和“翻譯”的概念。闡明基因指導蛋白質(zhì)合成的過程依靠的是一系列構(gòu)思精巧的經(jīng)典實驗，也是引導學生探究性學習的良好素材。

筆者收集和梳理了若干經(jīng)典實驗，聯(lián)系課程標準和學生的實際情況，對這些實驗進行了符合學生認知特點和規(guī)律的處理，教學中通過引導學生分析實驗現(xiàn)象、綜合實驗結(jié)論、展開合理推理、大膽想象和發(fā)散思考，結(jié)合小組合作的模擬活動發(fā)展學生的理性思維能力、建構(gòu)概念，最終準確把握基因指導蛋白質(zhì)合成的過程。

2 教學目標

2.1 知識目標 總結(jié)經(jīng)典實驗結(jié)論，概述基因指導的轉(zhuǎn)錄與翻譯；理解基因指導的蛋白質(zhì)合成過程。

2.2 能力目標 進行小組合作，合理使用教具模擬核糖體上蛋白質(zhì)的合成過程，形成分析和綜合、抽象和概括的思維習慣。

2.3 情感態(tài)度和價值觀目標 認識生命活動的基本規(guī)律，樹立科學的世界觀。

3 教學過程

3.1 回顧舊知，創(chuàng)設(shè)探究情境 向?qū)W生展示噬菌體感染大腸桿菌示意圖，教師提出：噬菌體的DNA進入大腸桿菌的細胞內(nèi)，噬菌體用于合成自身蛋白質(zhì)的場所、原料和能量來源于何處？引導學生回顧：噬菌體利用大腸桿菌提供的環(huán)境和原料合成自身的蛋白質(zhì)。教師繼續(xù)提問：控制蛋白質(zhì)合成的是哪一種物質(zhì)？引導學生回答：噬菌體的DNA控制蛋白質(zhì)的合成。引出本節(jié)主題：DNA是如何控制蛋白質(zhì)的合成的。

設(shè)計意圖：通過引導學生聯(lián)系之前一節(jié)的內(nèi)容以及自身思維盲點，引發(fā)認知矛盾，激發(fā)探究學習的欲望。

3.2 通過分析、綜合、想象和發(fā)散構(gòu)建概念 教師以轉(zhuǎn)錄和翻譯研究過程中的幾組經(jīng)典實驗為線索，引導學生在分析實驗、做出正確結(jié)論的同時，展開想象、推理和發(fā)散思維，結(jié)合教材，建構(gòu)“轉(zhuǎn)錄”和“翻譯”的概念。

然后，讓學生根據(jù)一段具體的DNA序列，利用所提供的教具，小組合作概述基因指導蛋白質(zhì)合成的過程，以檢測學生對概念的理解。

3.2.1 分析實驗現(xiàn)象并綜合實驗結(jié)論，建構(gòu)“轉(zhuǎn)錄”概念 教師提出：DNA是直接控制蛋白質(zhì)合成的嗎？向?qū)W生展示經(jīng)典實驗①：35S標記半胱氨酸的大腸桿菌培養(yǎng)一段時間后，將大腸桿菌細胞破碎、離心、檢測放射性，發(fā)現(xiàn)核糖體上有高放射性；32P標記T2噬菌體DNA，再用噬菌體感染大腸桿菌，將大腸桿菌細胞破碎、離心、檢測放射性，發(fā)現(xiàn)核糖體上沒有放射性。讓學生分析實驗，嘗試看能得出什么結(jié)論？

教師提出：那么充當DNA和蛋白質(zhì)之間中間物質(zhì)的“信使”可能是什么呢？繼續(xù)展示經(jīng)典實驗②：先用T2噬菌體感染大腸桿菌，有新的RNA生成，再用32P標記新合成的RNA，將大腸桿菌細胞破碎、離心、檢測放射性，發(fā)現(xiàn)核糖體上有高放射性。讓學生分析實驗，引導學生猜想：RNA可能是基因指導蛋白質(zhì)合成的“信使”。并引導學生回顧RNA相關(guān)知識：堿基組成、組成單位和結(jié)構(gòu)特點。

教師提出：如何證明實驗②中的RNA和噬菌體DNA有關(guān)呢？即證明以噬菌體的DNA為模板合成RNA呢？接著展示經(jīng)典實驗③：將噬菌體DNA和大腸桿菌DNA加熱變性至雙螺旋解開，分別加入熒光標記的實驗②中提取的RNA，各自在適宜的溫度下保溫足夠的時間，用洗脫液洗脫，檢測放射性，發(fā)現(xiàn)噬菌體DNA這一組的實驗中出現(xiàn)放射性而大腸桿菌的沒有。仍然讓學生先思考分析實驗，引導學生得出：噬菌體以自身的DNA為模板指導合成RNA。

之后引導學生仔細分析轉(zhuǎn)錄過程示意圖、描述轉(zhuǎn)錄過程，總結(jié)歸納轉(zhuǎn)錄的場所、模板、原料、所需的酶、堿基配對原則。

設(shè)計意圖：引導學生學會分析實驗現(xiàn)象、綜合實驗結(jié)論構(gòu)來建“轉(zhuǎn)錄”概念，并且發(fā)展“分析和綜合”這一重要的理性思維能力。

3.2.2 展開想象和發(fā)散思維，構(gòu)建“翻譯”概念 教師提出：DNA和RNA上的信息都是以堿基的順序來編碼的，但是組成蛋白質(zhì)的是氨基酸，堿基的順序如何轉(zhuǎn)變成氨基酸的順序呢？(引出堿基和氨基酸之間的編碼問題，引導學生得出三個堿基決定一個氨基酸和密碼子的概念。)向?qū)W生展示遺傳密碼子表，幫助學生總結(jié)歸納出密碼子和氨基酸之間的關(guān)系：不是所有的密碼子都編碼氨基酸、一種密碼子編碼一種氨基酸而一種氨基酸可能不止一種密碼子。接著教師繼續(xù)引發(fā)新的認知矛盾：已知任何一種氨基酸都沒有同時能和三個堿基結(jié)合的位點。

引導學生認識：必然還存在一種能夠連接mRNA和氨基酸之間的物質(zhì)——連接物。這一連接物應(yīng)該具備能識別mRNA上的密碼子并且同時能連接氨基酸特點。

教師繼續(xù)引導學生猜想連接物的化學本質(zhì)可能是什么呢？并展示經(jīng)典實驗④：在大腸桿菌的細胞提取物中加入14C標記的氨基酸和其他必備物質(zhì),一段時間后檢測放射性強度，發(fā)現(xiàn)一種未知的小RNA中的放射性強度/蛋白質(zhì)中的放射性強度 = 489/30；再過一段時間，發(fā)現(xiàn)這種未知小RNA中的放射性強度/蛋白質(zhì)中的放射性強度 = 180/374。教師提出：分析實驗現(xiàn)象，從中能得出什么結(jié)論？(引導學生思考并說出：氨基酸在形成蛋白質(zhì)之前可能先和這種小RNA結(jié)合，即這種RNA可能就是“翻譯”時的連接物。)隨后引出tRNA的概念和示意圖，引導學生辨識密碼子和反密碼子的概念。

教師展示一幅大腸桿菌多聚核糖體的電鏡照片，并標識出其中的mRNA、核糖體和多肽鏈。讓學生結(jié)合之前展示的3組實驗，思考蛋白質(zhì)合成的過程大體是怎樣的？(對該圖片可以有多種解釋，可以利用此圖啟發(fā)和培養(yǎng)學生的想象力與發(fā)散思維能力。)引導學生想象出翻譯的可能過程：以DNA為模板轉(zhuǎn)錄形成mRNA，然后mRNA結(jié)合到核糖體上，tRNA轉(zhuǎn)運氨基酸到核糖體，mRNA和核糖體之間相對移動的過程中多肽逐漸合成。教師因勢導出翻譯的過程示意圖，引導學生仔細分析并概述翻譯的過程。

設(shè)計意圖：引導學生在分析、綜合實驗現(xiàn)象和結(jié)論的基礎(chǔ)上，展開大膽想象和發(fā)散思維，將靜態(tài)的信息在頭腦中轉(zhuǎn)化為動態(tài)的生命反應(yīng)過程，逐步構(gòu)建“翻譯”概念。

3.2.3 模擬蛋白質(zhì)合成過程，加深概念理解 教師將學生4人分為一組，每組1塊小黑板、1支記號筆，事先制作1塊核糖體形狀硬紙板、每種tRNA形狀(倒“L”形)的硬紙板若干、20種代表各種氨基酸的各種幾何形狀的硬紙板若干(臨時粘在模擬tRNA的硬紙板的一端)以及模擬mRNA的一長條狀的硬紙板，用磁鐵將這些教具固定在小黑板上。

教師在課件上按組號列出編號1～10各不相同的具有30對堿基對的DNA序列(提前在序列中設(shè)計好對應(yīng)于起始密碼子和終止密碼子的堿基序列)，讓每組根據(jù)組號，選擇其中指定的一條鏈為模板，在模擬mRNA的硬紙板上寫出mRNA序列，然后教師引導學生在組內(nèi)對照翻譯的過程示意圖和密碼子表，在黑板上利用教具模擬翻譯的過程。最后隨機選擇幾組在全班范圍內(nèi)展示，并寫出該組模擬翻譯過程而得出組成多肽的氨基酸序列。此過程便于學生在模擬和展示的過程中發(fā)現(xiàn)對“翻譯”過程理解不深入或錯誤的地方，并能及時糾正。

設(shè)計意圖：引導學生通過本活動，既加深對遺傳信息傳遞過程的理解，又檢查自己對構(gòu)建的“轉(zhuǎn)錄”和“翻譯”概念的理解是否準確，并對之前的學習過程進行及時評價。

3.3 表現(xiàn)性評價 除了傳統(tǒng)的紙筆測驗，本節(jié)課還采用多元化表現(xiàn)性的評價提高學生的學習效果和興趣。例如，教師讓學生對參加展示的小組評分，評出最佳小組和最佳組員，以鼓勵學生在課堂上敢于表現(xiàn)和珍惜發(fā)言的機會，教師還可以引導學生利用計算機技術(shù)制作轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程動畫，并進行評獎，對于制作出沒有科學性錯誤、動畫質(zhì)量優(yōu)異作品的學生及時地給予獎勵等。

4 教學反思

本節(jié)教學打破了以往生命活動過程的教學框架，即主要通過引導學生對照示意圖或者視頻概述生命反應(yīng)過程、總結(jié)反應(yīng)規(guī)律，而是以構(gòu)建概念和發(fā)展學生的理性思維能力為目標，精心地對科學家做過的經(jīng)典實驗進行了符合中學教學實際的選取和加工，引導學生充分利用經(jīng)典實驗進行合作、探究式學習，進而構(gòu)建概念、發(fā)展能力、形成良好的思維習慣。本節(jié)課也是以表現(xiàn)性的評價方式讓學生有多種機會在學習過程中發(fā)現(xiàn)自己對概念理解是否準確并能及時糾錯，調(diào)動了學生的積極性、創(chuàng)造性和學習的興趣，取得了良好的教學效果。