基于學習進階的生物學概念學習路徑設計

雒微

摘要：文章以人教版高中生物學教材必修2“遺傳與進化”第4章第1節“基因指導蛋白質的合成”為例，借助北京師范大學郭玉英教授團隊提出的科學概念理解發展的層級模型，構建基于學習進階的生物學概念的學習路徑，促進學生認知水平的提升。

關鍵詞：高中生物學；學習進階；概念學習

一、確定生物學概念

核心概念可以統籌一門學科知識的核心內容。相對于核心概念，一般概念是下位概念。人教版高中生物學教材必修2“遺傳與進化”第4章第1節“基因指導蛋白質的合成”的教學要求是說明DNA（脫氧核糖核酸）通過轉錄和翻譯過程來進行基因表達。教材中“基因指導蛋白質的合成”包括遺傳信息的轉錄、翻譯和中心法則三部分，其中轉錄和翻譯屬于“基因指導蛋白質合成”的下位概念。同時，《2022年普通高等學校招生全國統一考試大綱（生物）》將生物學科的考試內容以知識內容表的形式呈現，分別用Ⅰ和Ⅱ表示知識內容要求掌握的程度，其中對“遺傳信息的轉錄和翻譯”的要求標注為Ⅱ，表明學生要在更高程度上掌握這一內容。因此，本節課的核心概念為基因指導蛋白質的合成，一般概念為轉錄是遺傳信息從DNA流向RNA（核糖核酸）的過程，翻譯是形成有特定氨基酸序列的蛋白質的過程。

二、分析進階起點

進階起點要根據學生已有的知識、能力水平和學習內容確定。基因指導蛋白質的合成是遺傳學模塊的重要基礎知識，此前學生已經掌握基因、遺傳物質、DNA等概念及其關聯知識，具備了學習本節生物學概念的基礎。通過對DNA結構及復制過程的探究，學生的思維和探究能力得到了一定鍛煉，同時對基因產生了探究欲望。但轉錄和翻譯是學生首次接觸的知識，又是發生在微觀結構中的不可見事件，比較抽象。因此，基于進階設計的概念學習路徑，教師應從進階起點逐級升“階”至終點，幫助學生厘清思路，掌握知識主干。

三、預設進階目標

進階目標的預設要以教材分析和學情分析結果為依據。根據前期確定的生物學概念和進階起點，進階目標包括三個方面：①學生通過分析相關實驗，對比DNA與RNA的結構和功能，能夠得出RNA是基因指導蛋白質合成信使的結論；②學生通過回憶DNA分子的復制過程及分析圖文資料，可以描述轉錄和翻譯的全過程；③學生通過分析中心法則的生成過程，認同科學是動態的，是不斷更新和發展的，并逐步提高批判性思維。

四、預設進階點和進階層級

根據科學概念理解發展的層級模型，筆者對“基因指導蛋白質合成”這一核心概念包含的一般概念進行層級劃分，并設計概念進階圖，如圖1所示；相鄰近階層級間的跨度要適中，遺傳信息轉錄和翻譯的學習分別設置進階點如表1所示，并依據預設的進階點設計本節課的學習進階活動。

（一）遺傳信息的轉錄進階活動設計

1.進階點：RNA適合做DNA的信使的探究

教師播放電影《侏羅紀公園》中的片段，引導學生討論“利用滅絕生物的DNA可以復活物種的原因是什么”，由此引出課題“基因指導蛋白質的合成”。然后，教師向學生提問：“基因指導蛋白質合成可以通過哪些方式？”學生通過討論和分析教師提供的事實資料得出結論：DNA與蛋白質之間存在信使。教師繼續提問：“充當遺傳信息的信使會是什么物質呢？該物質為什么可以充當信使呢？”

教師引導學生提出RNA充當信使的假設，并尋找依據論證假設是否正確。對比DNA與RNA的化學組成、結構及功能，推知RNA能夠儲存遺傳信息，且其結構一般是單鏈，能夠通過核孔從細胞核轉移到細胞質中。教師再提供科學家探究遺傳信使的實驗資料：在洋蔥根尖和變形蟲實驗中，加入RNA酶分解RNA后，蛋白質就不再合成，而把從酵母中提取的RNA加入細胞后，蛋白質合成又恢復了。由此得出結論：RNA是基因指導蛋白質合成的信使。

設計意圖：以科幻電影引出課題，引導學生回顧已知的基因與蛋白質知識，引發學生的認知沖突；通過提出問題、作出假設、解決問題的教學方式，引導學生解決“基因指導蛋白質合成的方式”“RNA可以作為信使的原因”兩大問題。

2.進階點：轉錄的概念

教師播放轉錄過程的視頻，讓學生在觀看視頻資料和教材中的圖文資料后回答以下問題：遺傳信息的轉錄過程是怎樣的？轉錄的過程與DNA復制的過程有什么關系？轉錄的場所、條件、原料、產物、特點是什么？你可以給遺傳信息的轉錄下一個定義嗎？通過回答以上問題，學生能夠說出轉錄的過程。最后，教師引導學生總結出轉錄的概念。

設計意圖：轉錄過程是微觀的、抽象的、難以理解的，教師通過視頻動態呈現這一過程，能夠有效突破這一難點。教師以DNA分子的復制過程為鋪墊，讓學生學習轉錄過程，是知識的遷移過程；以問題串的形式實現這一進階點的目標，學生更清晰地了解這一部分的知識層次。

3.進階點：轉錄的實質

教師用多媒體設備展示轉錄過程的示意圖，如圖2所示，并提出問題：轉錄的實質是什么？學生在教師的引導下得出轉錄的實質是遺傳信息從DNA流向了mRNA。

設計意圖：轉錄是基因指導蛋白質合成的第一個環節，以示意圖的形式將其展示出來，既能使轉錄過程更加明晰，又能引出對翻譯過程的學習。

（二）遺傳信息的翻譯進階活動設計

1.進階點：mRNA上密碼子與氨基酸的對應關系

教師引導學生回顧轉錄的結果是遺傳信息從基因傳遞到了mRNA，并提出問題：“mRNA上的遺傳信息是怎樣傳遞到蛋白質中的？mRNA上的堿基序列與蛋白質中氨基酸的種類、數量、排列順序有什么關系？”學生回答：“RNA的堿基種類有4種，氨基酸的種類有21種。”教師追問：“4種堿基是怎么決定21種氨基酸的呢？堿基與氨基酸之間的對應關系是什么？”這些問題能引導學生采用數學方法推測得出三個堿基可以決定一個氨基酸。

設計意圖：教師在出示科學史料的基礎上，通過設問的方式層層遞進，然后采用數學方法一步步引導學生分析mRNA上密碼子與氨基酸的對應關系，為學習翻譯的過程作好鋪墊。

2.進階點：tRNA識別與轉運氨基酸的過程

教師提問：“蛋白質是在核糖體上合成的，那么組成蛋白質的氨基酸是如何到達核糖體的？”學生討論tRNA結構的特點，總結密碼子與反密碼子遵循堿基互補配對的規律，由此證明tRNA是將氨基酸運送到核糖體上的轉運工具。

設計意圖：教師結合學生已經學習的蛋白質的相關知識引出新問題，有利于學生的知識遷移，為新知的鞏固和內化奠定堅實基礎。

3.進階點：翻譯的概念

教師播放翻譯過程的視頻，引導學生閱讀教材中蛋白質合成的示意圖，然后提出問題：“mRNA翻譯蛋白質的過程是怎樣的？翻譯的場所、條件、原料、產物以及特點是怎樣的？你可以給遺傳信息的翻譯下一個定義嗎？”

設計意圖：視頻動畫有助于學生理解翻譯的過程，突破本節課的教學難點。教師鼓勵學生用自己的話給翻譯下定義，有助于提高學生的總結歸納能力和表達能力，也能考查學生的學習效果。

4.進階點：翻譯的實質

教師用多媒體設備展示翻譯過程示意圖，如圖3所示，并提出問題：“翻譯的實質是什么？”學生在教師的引導下得出翻譯的實質是遺傳信息mRNA流向了蛋白質。

設計意圖：從信息傳遞的角度畫出示意圖，能夠為后續中心法則的學習作好鋪墊，也是對基因指導蛋白質的合成整個過程的提煉，有利于學生更好地把握本節課的核心概念和一般概念。

5.進階點：中心法則

教師可以讓學生從遺傳信息的傳遞過程總結中心法則，并結合教材補充中心法則，歸納遺傳信息的一般規律，最后總結基因的表達概念。

設計意圖：教師引導學生采用示意圖的方式厘清學習內容，并通過對科學家逐步完善中心法則過程的了解，激發學生對生命科學的探究欲，使學生認識到科學是一個動態的、不斷修正的過程。

五、總結與討論

教師可以將學習進階理論融入概念教學，符合學生的認知規律，真正培養學生的科學思維，提高學生的生物學科素養。

參考文獻：

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