物理模型構建在“基因表達”教學中的實踐探析

鄭世輝

摘 要 自制與教材匹配的物理模型，讓學生動手操作和演練變換，能有效構建前概念和后續概念間的知識體系，從分子和細胞水平理解“基因表達”的動態發展過程。

關鍵詞 物理模型構建 基因表達 生物學教學

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

由于人教版《必修2·遺傳與進化》中“基因表達”章節中的重要概念具有抽象性和動態過程性，因此在以前的教學中筆者大多采用PPT和Flash動畫演示相結合的方式來增強概念間的直觀性，但也難免會過分注重教師的主導和講授，結果是學生不能很好地辨別概念，建構自己的知識體系，容易脫離生物學科本身的系統科學性和概念間的嚴密邏輯性，死記硬背大量的知識點。教學效果的時效性往往需要教師借助大量的習題演練去鞏固和強化，效果一般。

奧蘇貝爾在《教育心理學：一種認知觀》中提到“當新概念與頭腦中前概念間存在某種類屬關系時，若指導者能給予有效引導，使之進行正確銜接，將有利于學習者將新概念同化到自己頭腦的已有概念體系中，從而習得概念”。“基因表達”的概念體系恰好符合這一認知特點，若能將學生前期所學的“DNA分子結構”與“基因轉錄和翻譯”兩大概念體系，借助模型構建的方法進行正確引導和銜接，或許會收到“事半功倍”的效果。下面以“基因表達模型”來探析如何利用物理模型，促進學生建構概念體系。

1 物理模型構建的理論依據和構建的主體

1.1 理論依據

模型方法是以研究模型來揭示原型的形態、特征和本質的方法。模型構建中舍去了原型的一些次要的細節、非本質的聯系，以簡化和理想化的形式去再現原型的各種復雜結構、功能和聯系，它能具體形象、生動、深刻地反映事物的本質和發展。

筆者將繁雜的核苷酸結構加以主體式的簡化，與教材插圖接軌的同時，突出主干知識體系間的聯系。教師充分考慮到“基因表達”物理模型是個系統性的動態模擬模型，嘗試讓學生在黑板上創設一個較為完整的“基因表達細胞環境”，并結合各模型單元間的組合性開展探析活動。

1.2 構建的主體對象和活動組織策略

物理模型方法是用實物代替原物進行研究的方法，教學中應圍繞“面向全體學生、倡導探究式學習”的新課程理念展開。教學對象和可操作性不同，構建者也應有所差異。基因表達模型涉及的知識點多、內在聯系性強，若教師放手讓學生在課后利用多種材料去制做，反而不利于“基因表達”教學過程的展開。

筆者采用主體由教師充當，利用磁片貼紙事先按尺寸剪粘成“基因模板、原料、核糖體、tRNA”等可活動模型。在閱讀教材和觀看Flash動畫的基礎上，教師要求學生利用實物模型，以學生代表上黑板演練交流的方式創設“表達的細胞環境”情境，親身體會“基因表達”這一多層次多概念的動態流程。

2 物理模型構建的課前準備

2.1 材料選擇及模擬對象（表1）

2.2 表達基因模板構建

模型的構建在充分考慮原型主體的同時，還應與教材內容有效接軌并適當延伸。這樣才能既考慮了學生的認知性，同時也適當促進了學生對主干知識內容的遷移能力。因此，筆者結合人教版必修2圖4-6，加以延伸基因的5′、3′端的有關知識，從而銜接前概念（DNA分子結構）和后概念間；同時為“轉錄和復制都有規律性方向”提供平臺，達到為后續內容“起始和終止密碼子”的教學構建完整知識體系的目的。基因模板如圖1所示。

2.3 無序擺放模型的各活動模塊，嘗試讓學生創設“表達的細胞環境”情景

教師事先講解清楚自制各活動模塊（如透明膠帶、三角推板）模擬的對象和基本含義，通過黑板無序擺放的形式請學生分別動手創設“轉錄和翻譯的細胞環境”。教師應講解清楚“核膜、原料、酶”在細胞中的分布、運輸情況，尤其要突出“核膜”“堿基ATCG和U所在的核苷酸差異”，便于學生領悟“轉錄和翻譯”有時在不同場所進行的原因。

3 教學實踐和學生活動設計

3.1 話題引入

教師引導學生復習前概念“DNA分子結構、復制的方向和場所”及案例“轉基因鼠能表現出綠色熒光性狀”，并提出問題：“基因是如何對相應蛋白進行控制合成的？”展示黑板板畫“核糖體、核膜和染色體基因等活動模式圖”。

學生思考：“① 基因的分布和蛋白質的合成場所分別在哪？② 核孔是哪些分子運輸的通道？”學生代表在黑板構建“轉錄”的細胞環境（圖2）。

學生代表講述：表達是以基因為單位的，各基因間的表達是相對獨立的。線粒體、葉綠體和原核細胞中由于沒有核膜，故基因轉錄和翻譯是在同一個地點進行的。基因所在的染色體只能分布在細胞核中，所以需要借助一種信息分子通過核孔將“指令”傳遞到細胞質中去。

3.2 學習重點1：基因的轉錄過程

3.2.1 教學組織及學生演練實踐

學生閱讀教材“轉錄過程”后，結合教材插圖4-4，嘗試描述轉錄的大體過程。教師暫不作點評，在播放“基因轉錄”視頻后，展開小組討論該學生的描述，教師點撥指正。

教師以“基因轉錄”模型（圖3）為載體，故意放置一定量“胸腺嘧啶脫氧核苷酸、堿基AUCG”模型，請4名學生上講臺依次演練“解旋、配對、聚合、脫離復原”過程。教師著重點評：① 轉錄的原料是堿基，還是脫氧核苷酸？② 三角推板（DNA解旋酶）、透明膠帶（RNA聚合酶）的操作方向和作用結果是什么？③ mRNA和DNA雙鏈在堿基序列間存在哪些關系，所謂的“指令”其實是指什么？

教師用課件展示“基因轉錄過程”表格，以學生小組討論的方式，口頭填寫表格內容，建構“基因轉錄”這一重要概念。

3.2.2 教學延伸

教師提出問題，引導學生思考：（1） 如果用DNA的另一條鏈為模板，最后合成的mRNA和原分子的堿基序列一樣嗎？（2） 轉錄的方向是什么？（3） 分裂期細胞能進行基因轉錄嗎？為什么？（4） 轉錄用的原料、酶、能量分別在什么地方合成的？（5） 如果mRNA不脫離轉錄鏈，會發生什么結果？

3.2.3 活動評析

學生在教材和動畫演示的認知基礎上，通過動手操作“轉錄”活動模型，很好地克服動畫的感官單一的局限性，同時規避以往教學中學生誤判“轉錄原料是堿基”的現象，激發了學習興趣，促進提高了學習的效果，有利于將“轉錄”中各概念建立成一個正確、完整、動態的知識體系。

3.3 重點2及難點：基因的翻譯過程

3.3.1 話題引入

教師提出問題，將英文“Genetics is a practical subject！”正確翻譯成中文，通常要借助什么工具？翻譯的實質是借助某種規則或標準將一種形式轉換成另一種形式。那么“基因的翻譯過程”要遵循的規則或標準是什么？

學生閱讀教材“遺傳密碼表”后，小組討論回答問題：“色氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸、精氨酸”的密碼子有哪些？從中你能體會到哪些規律？密碼子是由什么成分組成的，有核糖和堿基T嗎？

教師設問：表中的“起始和終止密碼子”表示的含義是什么？密碼子的堿基是指何種核酸分子上的堿基？

教師出示“基因翻譯的細胞環境”板畫和活動模型，再請1名學生代表上黑板創設好“基因翻譯的細胞環境”情境（圖4）。請4名學生講臺標出mRNA上的密碼子，查閱教科書，寫出各密碼子對應的氨基酸。教師引導學生著重體會每個相應位點上氨基酸的名稱是隨機還是特定的。然后，教師提出問題各對應氨基酸的是如何被運輸到mRNA的相應位點上的？

教師展示“tRNA、rRNA”模型，講解清楚制作意圖，明確核酸分子的組成情況，結合教材插圖4-5，請3位學生上講臺，自選3個tRNA模型，將相應氨基酸放置在tRNA的相應位點上裝載，并與其他同學分享“裝載”的配對方法。教師點評。

教師提出問題：“基因的翻譯”過程需要細胞中各結構的分工配合，按一定的程序、方向有條不紊的進行裝配，相當于建立了一套嚴密的“多肽裝配生產線”。那么，這個“生產線”是怎么生產的？

教師連續播放“翻譯”動畫視頻2遍。學生仔細觀察和體會“翻譯”的動態流程，小組討論教師所提出的系列問題。教師請2名學生上講臺，協作演練“核糖體”和“tRNA”兩個活動模型，嘗試用動態的演練方法進行操作，并口述對應多肽是如何合成的（圖5）。其他學生閱讀教材內容后，結合教科書插圖4-6，查表列出該多肽的氨基酸序列，與黑板上的成果進行交流討論，重點體會：① “堿基互補配對原則”在“準確翻譯”中的重要意義是什么？② 移動的對象是誰？每一次的移動距離為什么是3個堿基單位？③ 核糖體的任務是什么？你能根據多肽聚合中生成的水分子數大致推斷出基因或mRNA中堿基的數目嗎？

教師出示“多聚核糖體”模型及兩條長度不同的相似多肽，在標明“5′、3′”的基礎上，請1名學生上講臺，將兩條多肽放在核糖體的相應方位上，各小組對該學生的成果展開討論，見圖6。教師點評后指出：多聚核糖體現象能提高翻譯的效率，一條mRNA模板能在短時間內合成大量的同種多肽或蛋白質。

教師出示“基因轉錄和翻譯”表格，請學生結合之前所學，完善表格內容。教師小結“基因表達”的完整過程。

3.3.2 教學遷移

教師隨機改變基因模板中的部分堿基序列，請學生上講臺利用多余的模型組件重新定位mRNA的模板并查表得出需要哪些tRNA運輸，最終的多肽和原多肽是否存在區別。

教師改變起始和終止密碼子的對應堿基序列，請學生回答接下來的“翻譯”會出現什么情況？

教師將一段“基因轉錄鏈（3）”和mRNA進行配對雜交后，以核糖體為對象，請學生思考：“翻譯”還會如期進行嗎？

3.3.3 活動評析

相比轉錄而言，翻譯涉及的概念更多，層次和動態流程更復雜，容易讓學生出現“聽著都懂，學完又糊涂”的窘境，所以教師合理利用好教材插圖，圖文并茂，用流程的理念理解加深“基因翻譯”的概念體系，是重中之重。采用先閱讀講解、觀看動畫演示，后親手操作演練“翻譯”過程，能從多個角度使知識體系和教學流程有機結合起來。活動模型的遷移應用便于從細胞水平提高學生對各種不正常“翻譯”原因的分析能力。

4 實踐探析體會

教師在教學中運用物理模型，能有效地縮短人眼對新知的反應時間和識別時間，促進學生對知識體系的理解和掌握，為知識點的運用分析打下良好基礎。通過自制與教材內容匹配的物理模型，嘗試讓學生從細胞層面創設學習情境并動手操作，能促進學生對知識的理解，形成正確的概念框架，并能自覺規避以往學習中容易出現的誤區。這樣教學能更直觀形象的將各層次概念生動的展現在學生面前，將“基因表達”的分子層面和細胞層面有機結合在一起，以動態的形式解決流程性知識體系中的諸多教學難題。

但模型性教學往往解決的是簡化的、主體式的知識體系，不能成為課堂教學的主角。所以在教學中，不能過分突出模型教學的輔助作用，而忽略了對教材本身新知新概念的學習交流，忽視了學生識圖、辨圖和分析釋圖的技能培養。教師把控好教學進度的同時，采用讓學生先閱讀分析后動畫演練、口述相結合的方式，能幫助學生了解各個知識點間的內在關系，又能簡潔、清晰地概述轉錄和翻譯的過程，讓學生感知基因表達是一個多層次的、動態的、相互協調和配合的過程。

參考文獻：

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