指向深度學(xué)習(xí)的單元整體教學(xué)實踐
——以“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”為例

徐 陽

(廣東省中山市第二中學(xué) 廣東中山 528429)

單元是基于一定的目標所構(gòu)成的教材與經(jīng)驗?zāi)K,即圍繞一定的主題,由若干節(jié)具有內(nèi)在聯(lián)系的課時所組成的一個整體教學(xué)單位。深度學(xué)習(xí)是指在教師引領(lǐng)下,學(xué)生圍繞有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題,全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過程。深度學(xué)習(xí)的發(fā)生既依賴教師精心提供結(jié)構(gòu)化、有教學(xué)意圖的教學(xué)材料,又需要學(xué)生在平等寬松的互動中主動探究,師生共同發(fā)展。本單元聚焦次位概念“DNA 分子上的遺傳信息通過RNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”進行單元整體設(shè)計,包含3 個課時。教師簡化整合相關(guān)科學(xué)史和社會議題,依托一系列活動,引導(dǎo)學(xué)生深入探究基因行使功能的機理。

1 單元設(shè)計思路

“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”位于人教版高中生物學(xué)教材《必修2·遺傳與進化》第四章第一節(jié),涉及遺傳信息的轉(zhuǎn)錄、翻譯和中心法則三部分內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容承接“基因的本質(zhì)”,為“生物的變異”和“基因工程”的教學(xué)埋下伏筆,知識內(nèi)容螺旋上升,是承上啟下的重要環(huán)節(jié),也是學(xué)生理解的重難點。

本單元遵循深度學(xué)習(xí)的五大步驟,以“提出教學(xué)主線→體驗轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程→建構(gòu)概念模型并引出變式→遷移應(yīng)用概念→評價解決社會議題”為學(xué)習(xí)路徑,教師通過豐富適切的素材和活動,對教學(xué)內(nèi)容進行推理論證,兼顧知識和素養(yǎng)兩個層面,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、形成生命觀念、提升探究能力(圖1)。

2 單元教學(xué)目標

①基于信使RNA 與轉(zhuǎn)運RNA 的發(fā)現(xiàn)史和遺傳密碼的破譯史,論證RNA 是DNA 的信使以及mRNA編碼并結(jié)合氨基酸的方式,理解轉(zhuǎn)錄與翻譯的內(nèi)涵及外延,提升深度探究能力,鍛煉分析綜合、演繹推理、批判性和創(chuàng)造性等科學(xué)思維。

②通過導(dǎo)學(xué)問題及圖文資料,概述轉(zhuǎn)錄、翻譯的具體過程;通過建構(gòu)概念模型,培養(yǎng)歸納概括的科學(xué)思維,理解基因表達的物質(zhì)基礎(chǔ)和信息傳遞過程,在分子水平形成生命的物質(zhì)、能量與信息觀。

③通過活動體驗不同的mRNA 翻譯出相同的多肽鏈過程,理解并闡釋密碼子的簡并性;基于幾乎所有生物共用一套遺傳密碼的事實,認同生物界的統(tǒng)一性;通過分析密碼子通用性的例外,理解機體與環(huán)境的協(xié)同進化,形成進化與適應(yīng)觀。

④通過對抗生素和囊性纖維病等社會性議題的分析,對抗生素濫用形成正確的價值評判,形成安全用藥的健康生活意識;提出疾病的可行性治療思路并評價其局限性,養(yǎng)成批判、理性的科學(xué)精神,感悟?qū)W科價值,提升社會責(zé)任。

3 單元教學(xué)過程

3.1 聯(lián)想與結(jié)構(gòu)——關(guān)聯(lián)現(xiàn)實情境,生成邏輯主線

教師展示圖文資料,介紹自然界的“基因大盜”綠葉海天牛能夠?qū)⒕幋a葉綠體關(guān)鍵酶的一系列藻類基因整合到核基因中,從而獲得維持光合作用的能力。教師提問:為什么轉(zhuǎn)入的是基因,獲得的卻是性狀?性狀主要通過什么表現(xiàn)?學(xué)生將情境與知識結(jié)構(gòu)性關(guān)聯(lián),歸納單元核心邏輯主線“DNA→蛋白質(zhì)→性狀”,初構(gòu)基因表達的概念。

設(shè)計意圖:教師從科普情境中歸納概括出單元主線,對知識體系補充與拓展,為學(xué)生創(chuàng)造性地展開科學(xué)論證和邏輯推理提供錨定點,激發(fā)興趣,清晰主線。

3.2 活動與體驗——開展論證推理,建構(gòu)次位概念

教師依據(jù)學(xué)情整合科學(xué)史,設(shè)計實驗探究,通過“激發(fā)問題→提出主張→分析證據(jù)→推理探究→得出結(jié)論”這一論證過程,體驗轉(zhuǎn)錄與翻譯的科學(xué)發(fā)展史,深化對概念的理解。

3.2.1 探究DNA 與蛋白質(zhì)之間的信使

(1)巧設(shè)沖突,激發(fā)問題

DNA 和蛋白質(zhì)的直徑分別約2 nm 和23 nm,核孔直徑只有0.9 nm,DNA 主要分布在細胞核,蛋白質(zhì)在細胞質(zhì)的核糖體合成。教師通過展示DNA 和蛋白質(zhì)的位置與大小相沖突的資料使學(xué)生認識到DNA 不能直接指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。

(2)發(fā)散整合,提出主張

學(xué)生大膽提出DNA 和蛋白質(zhì)之間存在信使,教師引導(dǎo)學(xué)生演繹信使應(yīng)具備的條件為既能與DNA 結(jié)合,又可以通過核孔,到達細胞質(zhì)參與蛋白質(zhì)的合成,繼而引出信使的存在。

(3)依托證據(jù),推理探究

教師引導(dǎo)學(xué)生對比DNA 與RNA 的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)差異,基于RNA 的結(jié)構(gòu)推測其功能,歸納RNA適合作信使的結(jié)構(gòu)證據(jù)。學(xué)生小組合作,繼續(xù)探究RNA 作信使的實驗證據(jù)。

教師呈現(xiàn)SP8 噬菌體侵染枯草桿菌實驗(圖2),并設(shè)置問題串:①用什么方法將噬菌體DNA 的重鏈和輕鏈分離?②噬菌體RNA 合成的原料有哪些?③新合成RNA 的模板是什么?學(xué)生小組交流討論,闡明RNA 合成的原料和模板,驗證RNA 能與DNA 結(jié)合。

圖2 SP8 噬菌體侵染枯草桿菌實驗

教師展示變形蟲放射性標記實驗(圖3),設(shè)置驅(qū)動性問題串:①用什么方法示蹤RNA 的去向?②選擇RNA 的哪種成分作標記,為什么?③RNA 的合成發(fā)生在細胞的什么部位?④細胞核交換后,D 組變形蟲的細胞質(zhì)為什么會有標記的RNA?學(xué)生通過探討,明確RNA 的合成場所,驗證RNA 能從細胞核轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)。

圖3 變形蟲放射性標記實驗

教師提出將變形蟲RNA 降解后重加入實驗,提示學(xué)生運用自變量控制的“加法和減法原理”,驗證RNA與蛋白質(zhì)的合成有關(guān)。學(xué)生寫出實驗思路和預(yù)期結(jié)果,在加入RNA 酶后蛋白質(zhì)合成停止,重新加入RNA后蛋白質(zhì)又繼續(xù)合成。預(yù)期與實際相符,觀點成立。

(4)重建認知,形成結(jié)論

學(xué)生解決認知沖突,論證RNA 是DNA 的信使(圖4),教師根據(jù)學(xué)生的回答將主線修正為“DNA→RNA→蛋白質(zhì)→性狀”,明確基因表達包括轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個過程。

3.2.2 探究mRNA 編碼并結(jié)合氨基酸的方式

翻譯過程抽象復(fù)雜,教師依據(jù)上述論證過程,滲透性點撥、解決該過程的邏輯障礙,如表1所示。

表1 mRNA 編碼并結(jié)合氨基酸的方式的論證過程

設(shè)計意圖:教師引導(dǎo)學(xué)生還原科學(xué)史進行論證,實現(xiàn)探究與思維雙輪驅(qū)動,既有助于學(xué)生理解基因表達的過程,又發(fā)展了學(xué)生的批判性與創(chuàng)造性思維和獲取信息、評價證據(jù)的能力,同時有助于學(xué)生形成科學(xué)本質(zhì)觀,建構(gòu)次位概念。

3.3 本質(zhì)與變式——剖析知識本質(zhì),靈活引出變式

教師展示轉(zhuǎn)錄與翻譯過程的動畫,提供導(dǎo)學(xué)問題:“時間、場所→產(chǎn)物→用恰當?shù)膭釉~概括步驟→歸納條件→建構(gòu)定義→分析物質(zhì)變化和信息傳遞”,引導(dǎo)學(xué)生概括轉(zhuǎn)錄與翻譯的過程。學(xué)生通過建構(gòu)基因表達的概念模型(圖5),理解知識的內(nèi)在聯(lián)系,掌握概念本質(zhì)。在此基礎(chǔ)上,教師進一步引導(dǎo)學(xué)生形成大概念“遺傳信息控制生物性狀,并代代相傳”。

圖5 基因表達的概念模型

學(xué)生觀察腸道EV-71 病毒和HIV 病毒侵染細胞的圖示,對基因表達的信息傳遞過程進行變式,補充遺傳信息從RNA 流向RNA 以及從RNA 流向DNA 的過程,認識遺傳信息流動的多樣性,歸納中心法則。學(xué)生闡明核酸和蛋白質(zhì)是遺傳信息的載體和表達產(chǎn)物,ATP 為其供能,領(lǐng)悟遺傳信息以物質(zhì)為載體,以能量為動力,進而認識到生命是物質(zhì)、能量與信息的高度統(tǒng)一體。

設(shè)計意圖:建構(gòu)概念模型有利于學(xué)生理解遺傳信息傳遞的本質(zhì),在重要概念建構(gòu)完成的基礎(chǔ)上,教師引導(dǎo)學(xué)生向上進階概念,形成大概念。教師通過引出變式,培養(yǎng)了學(xué)生深度加工知識的能力,加強單元知識的整體性,并使學(xué)生在此過程中體會中心法則是物質(zhì)、能量和信息的集中體現(xiàn)。

3.4 遷移與應(yīng)用——促進知識轉(zhuǎn)化,拓展概念外延

教師指導(dǎo)學(xué)生查閱密碼子表,寫出CUC AUG CGU ACG UAA GUA 和CUC AUG CGG ACG UAA GUA 這兩條mRNA 序列編碼的多肽鏈,學(xué)生在試錯過程中修改認知,區(qū)分起始密碼子、終止密碼子和同義密碼子,并通過教材“思考討論”部分分析密碼子的特點。

教師提供資料,在人的線粒體和纖毛蟲中,通用密碼子的編碼出現(xiàn)了例外。師生共同分析支持該現(xiàn)象的證據(jù),引導(dǎo)學(xué)生基于進化和適應(yīng)觀解釋其原因,學(xué)生逐步理解環(huán)境改變迫使生物調(diào)整至適應(yīng)才有利于生存,機體與環(huán)境協(xié)同進化,適應(yīng)是進化的結(jié)果,生存是適應(yīng)的結(jié)果。

教師提出密碼子與反密碼子之間并不嚴格遵守堿基互補配對,如反密碼子5′端U 與密碼子3′端的A 或G 均能配對,引導(dǎo)學(xué)生基于密碼子、反密碼子和tRNA之間的關(guān)系推測反密碼子和tRNA 的種類(圖6)。

設(shè)計意圖:基于密碼子和反密碼子概念進行體驗式教學(xué),學(xué)生透過表層事實提煉生命觀念,教師既檢驗了學(xué)習(xí)效果,又有助于學(xué)生將所學(xué)知識轉(zhuǎn)化為綜合實踐能力,實現(xiàn)了概念的外化、拓展。

3.5 價值與評價——倡導(dǎo)學(xué)以致用,承擔(dān)社會責(zé)任

3.5.1 基于抗生素機制安全用藥,健康生活

教師提供利福平和鏈霉素的抗菌機制圖示(圖7),學(xué)生分析得出這兩種抗生素分別特異性阻礙細菌的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程而實現(xiàn)抗菌,鏈霉素Ⅰ、Ⅱ機制導(dǎo)致細菌無法合成蛋白質(zhì),Ⅲ導(dǎo)致合成錯誤的蛋白質(zhì)。教師追問抗生素是否對病毒起作用,學(xué)生聯(lián)系病毒無細胞結(jié)構(gòu),病毒內(nèi)不能轉(zhuǎn)錄和翻譯,因此抗生素不能對病毒起作用,建立避免抗生素濫用的健康觀念。

3.5.2 基于蛋白質(zhì)合成攻克疾病,關(guān)愛他人

教師展示資料:囊性纖維病是一種常見的遺傳病,70%患者的CFTR 基因缺失3 個堿基,10%的患者因該基因突變使終止密碼子提前,生成功能不全的的蛋白質(zhì)。教師提供問題串:①如何針對這兩類患者提供不同的RNA 療法?②采用什么技術(shù)可以將RNA 送入人體細胞?③RNA 療法有何優(yōu)缺點?④對RNA 療法你存在怎樣的疑惑?學(xué)生討論,得出分別設(shè)計正常的CFTR 基因的mRNA 和能與終止密碼子結(jié)合并攜帶正確氨基酸的tRNA,并利用病毒將RNA 導(dǎo)入人體細胞,能夠翻譯出正常功能的蛋白質(zhì)。學(xué)生分析RNA 沒有整合基因組的風(fēng)險但易降解,提出RNA 療法價值的追問,如異常mRNA 依然存在,改造后的tRNA 可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)無法正常終止等問題。教師鼓勵學(xué)生課后查詢資料,關(guān)注RNA療法的發(fā)展。

設(shè)計意圖:教師引導(dǎo)學(xué)生運用生物學(xué)原理去客觀評判、解決社會性議題,有助于學(xué)生深刻理解基因表達背后的邏輯與價值,養(yǎng)成積極討論并嘗試解決生活問題的習(xí)慣,形成正確的價值觀,實現(xiàn)自我成長。

4 單元教學(xué)反思

4.1 單元整體設(shè)計應(yīng)有高度

本單元首先提出基因與性狀“遺傳”如何聯(lián)系的單元邏輯主線,凝練拓展不同版本生物學(xué)教材的相關(guān)內(nèi)容,以連貫性的活動為驅(qū)動,引導(dǎo)學(xué)生循序漸進地理解基因表達的細節(jié),逐漸形成次位概念,最終指向大概念,教學(xué)過程主干清晰,邏輯遞進。

4.2 論證推理過程應(yīng)重信度

科學(xué)思維是理論和證據(jù)相互協(xié)調(diào)的過程,無法直接傳遞,需要學(xué)生在主動探究地過程中實現(xiàn)自我升華。本單元以“提主張-析證據(jù)-展推理”這一路徑探索概念的發(fā)展和運用,促進學(xué)生養(yǎng)成重實證、敢質(zhì)疑的科學(xué)精神,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

4.3 價值引領(lǐng)過程應(yīng)講溫度

教師引入社會議題,將生物學(xué)概念向課外延伸,引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用、感悟所學(xué)知識,有利于培養(yǎng)學(xué)生積極討論社會熱點、主動宣傳健康生活觀念的意識,鼓勵學(xué)生為解決社會問題和促進未來發(fā)展獻言獻策,增進社會使命感和責(zé)任感。