基于深度學習的模型教學嘗試

張殿彩

摘 ? 要：隨著普通高中生物課程改革的推進，促進學科核心素養(yǎng)的落實，不斷深入改革課堂組織模式，促進學生深度學習成為當前課堂教學關(guān)注的一個焦點。本文以高中生物必修二中 “遺傳信息的翻譯”一節(jié)為例，引導學生構(gòu)建物理模型進行基因表達的過程模擬，課堂上通過合作探究改進模型，以期有效促進學生的深度學習，為促進高中生物學深度學習提供教學策略，進行教學嘗試。

關(guān)鍵詞：深度學習;模型教學;翻譯

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020修訂）》聚焦大概念、重要概念和具體概念，要求學生通過主動學習，深刻理解和應(yīng)用重要的生物學概念，發(fā)展生物學學科核心素養(yǎng)，并強調(diào)學生學習的過程是主動參與的過程，通過探究性學習活動或完成工程任務(wù)，加深對生物學概念的理解，提升應(yīng)用知識的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。郭華教授指出深度學習是在教師引領(lǐng)下，學生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展的有意義的學習過程。在這個過程中，學生掌握學科的核心知識，理解學習的過程，把握學科的本質(zhì)及思想方法，形成積極的內(nèi)在學習動機、高級的社會性情感、積極的態(tài)度、正確的價值觀，成為既具獨立性、批判性、創(chuàng)造性，又有合作精神、基礎(chǔ)扎實的優(yōu)秀的學習者，成為未來社會歷史實踐的主人[ 1 ]?？梢姶龠M學生深度學習是課堂教學中培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的基本途徑，教師應(yīng)該在教學中采用各種方式和手段以促進學生對概念的理解。在人類的科學探究以及科學認知中，模型一直發(fā)揮著特有的不可替代的作用，其中物理模型正是一種非常有效的工具[ 2 ]。而讓學生親手構(gòu)建物理模型有助于培養(yǎng)學生思考問題、解決問題的能力。同時在構(gòu)建物理模型的過程中可以快速調(diào)動學生的學習積極性，在模型制作過程中學生需要對原型進行知識提取、呈現(xiàn)以及應(yīng)用，促進了學生的知識內(nèi)化和完善[ 3 ]。

本文選取人教版高中生物學必修2《遺傳與進化》（2019版）第四章“基因指導蛋白質(zhì)合成”中第2課時“遺傳信息的翻譯”為例，引導學生自制物理模型并利用物理模型的動態(tài)演示翻譯的過程，在掌握核心知識的同時提升科學思維以及知識應(yīng)用能力，提升科學思維等核心素養(yǎng)水平。以期為高中一線生物學教師在課堂中實現(xiàn)深度學習提供參考，獲得更好的教學效果。

1 ?教學目標解讀

本節(jié)課與“遺傳信息的轉(zhuǎn)錄”一起來說明基因如何指導蛋白質(zhì)的合成，2017版（2020年修訂）課標對本節(jié)的要求是“概述DNA 分子上的遺傳信息通過RNA 指導蛋白質(zhì)的合成”，即要求學生能夠概述翻譯的場所、模板、酶、原料、能量、動態(tài)過程及其意義等。

2 ?學情分析

本節(jié)課學習之前學生對“基因在DNA上”“DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)”“蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔者”“基因控制生物的性狀”以及“遺傳信息的轉(zhuǎn)錄”等知識已經(jīng)掌握，但學生對微觀過程存在一定理解障礙。傳統(tǒng)教學一般是教師講解過程并配以一定的圖片和動畫，實踐中發(fā)現(xiàn)精美生動的動畫演示雖然可以激發(fā)學生的興趣并直觀展示翻譯過程，但學生的學習仍然較為被動，而且動畫演示缺少課后使學生深度學習的延續(xù)性。故本節(jié)課前要求學生自制模型以便在課堂進行過程模擬，旨在使學習探究變被動為主動，激發(fā)學生學習興趣并為課后的繼續(xù)探究提供抓手。

3 ?課堂實施

3.1 ?課前準備

課前布置學生自制模型，包括核糖體、氨基酸，以及tRNA。具體分工為：班級42人分為7組，以6人小組進行分工合作，每個小組需要制作至少一個核糖體;相關(guān)氨基酸以及每人1-2個tRNA（教師統(tǒng)籌安排）。為方便學生制作以及課堂演示，教師課前自制一套模型進行板演以確定模型大小。mRNA以板書形式畫在黑板上，實踐表明，為便于操作以及學生觀看，采用卡紙（普通卡紙、加厚卡紙均可）進行制作：核糖體大小約20 cm（大小亞基接縫處），根據(jù)一個核糖體只能容納2個密碼子，即6個堿基，教師在板畫mRNA時，每兩個堿基需要間隔4 cm左右;按照堿基間隔4 cm設(shè)計tRNA大小，高度約15 cm左右。教師準備好雙面磁條。

3.2 ?課堂實施

3.2.1 ?堿基與氨基酸的對應(yīng)關(guān)系

新課引入：展示轉(zhuǎn)錄圖片，通過復習上節(jié)課遺傳信息轉(zhuǎn)錄的知識，從轉(zhuǎn)錄的結(jié)果是一條mRNA切入新課。mRNA合成以后會通過核孔進行細胞質(zhì)，最終mRNA中堿基序列翻譯成蛋白質(zhì)中的氨基酸序列。對比轉(zhuǎn)錄過程中，DNA的堿基序列轉(zhuǎn)錄到RNA的堿基序列中是根據(jù)堿基互補原則，那么mRNA中的堿基與氨基酸對應(yīng)關(guān)系是怎樣的？

設(shè)計意圖：緊密聯(lián)系轉(zhuǎn)錄知識引出新的學習問題，在復習舊知的同時幫助學生建立從DNA→mRNA→蛋白質(zhì)的知識框架，有利于學生整體掌握知識。

教師展示密碼子破譯的部分科學史（密碼子破譯的過程思維量較大，為防止加深難度以及合理分配課堂時間，教師在課堂上僅介紹三聯(lián)體密碼子的推理和閱讀方式的科學史），帶領(lǐng)學生一起分析密碼子表。由于上節(jié)課已經(jīng)介紹過tRNA，而且課前已經(jīng)布置學生制作tRNA，教師在介紹密碼子表如何查閱后，可以以互動游戲來考查學生對密碼子表的掌握。游戲如下：教師隨機說氨基酸，請學生寫出該氨基酸的密碼子，如果學生對查閱密碼子表無困難，可以提升難度，教師隨機說氨基酸，請可以攜帶該氨基酸的tRNA（同學根據(jù)自己制作的tRNA）站起來。

設(shè)計意圖：將枯燥的密碼子表查閱設(shè)計成課堂游戲，游戲一方面能夠集中學生學習的專注力，另一方面根據(jù)氨基酸書寫密碼子的過程讓學生更容易發(fā)現(xiàn)密碼子的簡并性以及其意義。在提升游戲中，氨基酸所對應(yīng)的tRNA頻頻出錯，也及時暴露出學生在密碼子、反密碼子以及tRNA攜帶氨基酸三者之間關(guān)系的認知問題，在學生求知若渴之時教師的分析與解答最有效果。

3.2.2 ?模擬翻譯過程

教師在黑板上板畫一條mRNA（若學生層次一般，可以按照教材P66頁的mRNA書寫，便于學生根據(jù)課本模擬）。學生根據(jù)教師黑板上展示的mRNA先在小組內(nèi)進行翻譯過程的模擬，并寫出所合成的多肽鏈的氨基酸序列。小組合作之后，教師組織全班學生一起進行板演，在板演過程中教師解答學生出現(xiàn)的問題。提升活動：小組間進行模擬，一個小組寫出一條mRNA，另一小組進行翻譯，合成出一條多肽鏈。教師提示學生可以向其他小組借所需的tRNA或者改造自己手中的tRNA。

設(shè)計意圖：學生在小組模擬翻譯的過程，既需要仔細閱讀課本還需要跟同學進行合作，在活動中對翻譯過程有了直觀的認識，為接下來的板演及翻譯過程的總結(jié)打好基礎(chǔ)。提升活動中采用小組間相互出題、模擬的方式，使課堂更具開放性和生成性，學生充分理解、應(yīng)用剛剛所學知識，在合作、討論、辨析中對翻譯過程有了更為深刻的理解。教師在巡視中及時收集課堂生成性的問題進行分析，如有兩個小組寫的mRNA不同，但是合成的多肽鏈的氨基酸序列相同;有的小組寫的mRNA的第一個密碼子不是起始密碼子或者沒有密碼子;有的寫出來的mRNA上的堿基數(shù)不是三的倍數(shù)等。

3.3 ?總結(jié)與討論

教師播放“DNA指導蛋白質(zhì)合成”的視頻，學生觀看視頻并思考討論老師提出的問題：（1）翻譯過程中一條mRNA上只能結(jié)合一個核糖體嗎？（2）在同一條mRNA上的每個核糖體上合成的肽鏈是一樣的嗎？（3）結(jié)合多個核糖體的意義是什么？

設(shè)計意圖：在學生動手模擬的基礎(chǔ)上播放視頻，學生對模擬過程中出現(xiàn)的細節(jié)觀察更為注意，也更容易發(fā)現(xiàn)、產(chǎn)生問題。

教師引導學生回顧DNA復制、轉(zhuǎn)錄以及翻譯的過程，介紹中心法則，并對本節(jié)課進行總結(jié)。

3.4 ?課后延伸

教師指導學生針對課堂中的模擬活動對自己的模型進行改進和完善，并對本節(jié)課內(nèi)容提出想繼續(xù)探究的問題，提示學生可以充分利用課外材料以及網(wǎng)絡(luò)資源輔助自己的學習。

4 ?教學反思

4.1 ?課堂實施反思與改進

遺傳信息的復制、轉(zhuǎn)錄與表達屬于分子生物學范疇，多年的教學實踐顯示，這部分知識微觀、抽象，學生在學習過程中普遍覺得枯燥且難于理解。本節(jié)課基于課程標準中所倡導的“教學過程重實踐”的理念，以小組為單位開展學習，教師創(chuàng)設(shè)特定的模擬環(huán)境，小組成員緊密配合、互相支持完成學習任務(wù)，因此教師對學習小組的組建尤為重要。經(jīng)過幾次課堂實踐，筆者發(fā)現(xiàn)學習小組人數(shù)不宜過多，結(jié)合班級座位排列，以四人組最為方便。教師在組建小組時可全面參考小組成員的思考能力、探究能力以及應(yīng)用能力，以便培養(yǎng)學生的合作學習能力。深度學習具有個性化和開放性，教師需要改變單一評價方式，對學生進行過程性、綜合性評價，同時結(jié)合小組成員間的互評和自我評價。

4.2 ?模型制作反思與改進

教師根據(jù)課前自制模型為學生提出建議，采用彩色卡紙進行制作并給出模型大小的范圍。實際中有個別學生仍然采用普通A4紙，模擬時容易折皺破損，有的學生采用瓦楞紙，邊緣粗糙且大小不一;絕大多數(shù)學生采用厚卡紙，模型既有型又剪裁光滑，模擬時貼上老師提供的磁條進行板演，顏色鮮艷，視覺效果很好。本節(jié)課結(jié)束后學生對自制模型主動進行了改進和完善，如課前幾乎大多數(shù)學生采用紙質(zhì)模型，而課后的模型改進中，有學生利用粘土制作了模型，用不同顏色以及形狀表示不同的堿基以及堿基的互補配對，在演示過程中鮮明直觀，比如堿基的組成、互補配對的規(guī)則等。還有學生覺得在模擬過程中需要3人甚至更多同學一起固定、移動進行模擬，比較麻煩，設(shè)計了可以獨立操作的動態(tài)模型，將核糖體和mRNA制作成上下層，在演示中以抽拉的方式模擬核糖體的沿著mRNA的移動。

5 ?總結(jié)

從本節(jié)課的教學實踐效果來看，模型教學相比于圖片和視頻的傳統(tǒng)教學，學生的學習更具有延續(xù)性，學生不僅可以在課下繼續(xù)利用模型學習，而且還可以隨著學習繼續(xù)改進模型。在此過程中學生從理解認知到利用高階思維分析、評價、創(chuàng)建并改進模型，將DNA的結(jié)構(gòu)、復制、轉(zhuǎn)錄以及翻譯等知識進行整體性聯(lián)通，還將知識有效地融入到原有的認知體系中進行構(gòu)建，正符合深度學習的特征[ 4 ]。本節(jié)課中模型教學使學生的想法更容易得到充分的展示，課堂的學習不僅收獲知識，更是一種成功的體驗，有效地激發(fā)了學生主動學習的積極性。學生通過探究活動加深對生物學概念的理解，提升了學生應(yīng)用知識的能力，更為有意義的是給學生提供了認識世界的知識、方法和工具，有助于提升學生解決實際問題的能力，很好地發(fā)展了學生的核心素養(yǎng)[ 5 ]。

參考文獻：

[1] 郭華.深度學習及其意義[J].中小學教育，2017（3）：70-77.

[2] 趙萍萍，劉恩山.科學教育中模型定義及其分類研究綜述[J].教育學報，2015，11（1）：46-52.

[3] 蘇惠.物理模型在高中生物學中的應(yīng)用[J].課程教育研究∶學法教法研究，2018（24）：155-156.

[4] 付亦寧.深度學習的教學范式[J].全球教育展望，2017，46（7）：47-56.

[5] 孫琦，卜慶梅.自制教具在高中生物學概念教學中的應(yīng)用——以“遺傳信息的翻譯”為例[J].中學生物學，2019，35（8）：78-80.