基于科學史意涵探究的高三復習課實踐研究

丁婷+曹燕波

摘 要 以“基因的表達”為例，闡述了在高三復習中通過深度挖掘科學史組織探究教學，通過物理模型建構實現重難點的突破，通過精選例題完善學生知識結構的一些做法。

關鍵詞 復習課習 生物科學史 探究教學 模型建構

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

生物科學史是高中生物教學中非常重要的組成部分，教育重演理論為生物科學史引入教學提供了重要的理論支撐。在高三復習課中以科學史為載體，整合生物學史上的經典實驗，深度挖掘其中的教育價值，開展以學生為主體的探究性教學，可以使學生在回顧舊知的同時體驗到知識的發生與發展過程，從而培養他們的生物科學素養。下面以“基因的表達”復習課為例，探討如何開展基于科學史的探究性教學。

1 憶海尋蹤，解讀生物的奧秘

教師展示一組自然界中不同生物的圖片，學生回憶生物多樣性的直接原因（蛋白質的多樣性）和根本原因（基因的多樣性），從而引出課題“基因控制蛋白質的合成”。然后，教師引導學生回憶基因（DNA）在細胞中的分布、蛋白質合成的場所、遺傳信息從細胞核傳到核糖體所需的媒介，提出本節課的核心概念：遺傳信息的轉錄和翻譯。

2 史海鉤沉，探尋生命的密碼

2.1 類比推理遺傳信息的轉錄過程

教師展示科學史資料1：羅杰·科恩伯格于20世紀70年代開始使用X射線衍射技術結合放射自顯影技術縝密研究真核細胞的轉錄過程，并最終制作出詳盡的檢晶儀圖片，描繪出生命體基因表達和調節的精細過程，為破譯生命的隱秘做出了重大貢獻。該研究發現轉錄和DNA復制有許多相似之處：都是酶促的核苷酸聚合過程；都以DNA為模板；都需要聚合酶；都遵從堿基互補配對規律。

學生結合資料1，回憶DNA的復制和轉錄過程，完成表1，明確兩個過程之間的主要異同點。

2.2 探究氨基酸與密碼子的對應關系

教師展示科學史資料2：1944年，奧地利物理學家薛定諤提出遺傳密碼（密碼子）的設想。1953年，美國物理學家伽莫夫了解到DNA分子的雙螺旋結構知識后，利用排列組合知識進行計算，推導出一個密碼子可能是由3個相鄰的堿基組成的，共有64種遺傳密碼，而氨基酸只有20種。

教師指導學生運用數學方法重溫伽莫夫的推論：假如1個堿基決定1種氨基酸，4種堿基可以決定4種氨基酸；假如2個堿基決定1種氨基酸，4種堿基可以決定16種氨基酸；假如3個堿基決定1種氨基酸，4種堿基可以決定64種氨基酸。教師提出這種理論推理沒有邏輯的必然性，實驗是檢驗真理的唯一標準。

教師展示科學史資料3：1961年，克里克和他的同事以T4噬菌體為實驗材料。研究發現，在某個基因的相關堿基中增加或減少1個堿基，無法產生正常功能的蛋白質；增加或刪除2個堿基，也不能產生正常功能的蛋白質；但增加或刪除3個堿基時，卻合成了正常功能的蛋白質。

學生分析實驗結果，說明克里克用實驗間接證明了密碼子由3個堿基組成。

教師提出問題：那到底是哪3個堿基決定哪種氨基酸呢？密碼子表是如何破譯的呢？

教師展示科學史資料4：1961～1962年，尼倫伯格和馬太采用了蛋白質的體外合成技術，破譯了第一個遺傳密碼。

（1） 實驗思路：利用蛋白質的體外合成技術，以人工合成的RNA作模板合成多肽，確定氨基酸與密碼子的對應關系。

（2） 實驗步驟（圖1）：

① 提取大腸桿菌的破碎細胞液加入試管（除去原DNA和mRNA）。

② 添加20種氨基酸。

③ 加入人工合成的RNA（多聚尿嘧啶核苷酸）。

④ 合成多肽（只在加入苯丙氨酸的試管中出現多肽鏈）。

（3） 實驗分析：實驗結果說明什么？（苯丙氨酸的密碼子是UUU）為什么要除去原DNA和mRNA？（細胞中原有的DNA可以合成mRNA，這些mRNA和原有的mRNA會作為蛋白質合成的模板干擾實驗結果）

教師小結：緊接著，他們用同樣的方法證明CCC為脯氨酸的密碼子，GGG為甘氨酸的密碼子，AAA為賴氨酸的密碼子。在此后的6～7年，科學家沿著蛋白質體外合成的思路，不斷改進實驗方法，終于破譯了所有的64個密碼子。

教師提供思考題：

1. 科學家將大腸桿菌破碎、離心獲得含DNA、RNA、核糖體及蛋白質合成所必需的各種因子的上清液。在一定溫度下保溫一段時間后，將上清液中的DNA和mRNA去除。將上清液分組，并加入不同外源mRNA（人工合成的重復序列多聚核苷酸）、高濃度Mg2+（可以使mRNA從任意起點合成肽鏈）、具有放射性標記的氨基酸、ATP等成分，實驗結果見表2。分析回答下列問題：

（1） 根據實驗1結果，可以確定密碼子不可能由2個或4個相鄰堿基組成，為什么？（因為（AC）n序列中2個相鄰堿基或4個相鄰堿基只能組成一種密碼子，但合成的肽鏈中有兩種氨基酸）

（2） 結合實驗1、2的結果，你能確定哪幾種氨基酸的密碼子？（ACA——蘇氨酸、CAC——組氨酸）

2. 如果mRNA上決定氨基酸的某個密碼子的一個堿基發生替換，則識別該密碼子的tRNA

（一定改變＼不一定改變）；轉運的氨基酸

（一定改變＼不一定改變）。

教師小結：通過重溫遺傳密碼的探索歷程，可以感受到科學的發展需要眾多科學家大膽推測，創新實踐，通力合作。64個密碼子中有2個編碼氨基酸的起始密碼和3個不編碼氨基酸的終止密碼，密碼子的有始有終彰顯了基因表達的邏輯美。

學生通過分析密碼子表，對于“轉運的氨基酸不一定改變”可以作出正確的判斷，但識別該密碼子的tRNA學生肯定會認為一定改變，于是教師可以出示科學史資料5。

教師展示科學史資料5：1966年，克里克根據立體化學原理提出了擺動假說。擺動假說提出，tRNA除了有4種普通堿基以外，還含有相當數目的稀有堿基，如次黃嘌呤（I）等。在核糖體上進行蛋白質合成時，反密碼子與mRNA上密碼子互補配對。密碼子的第三個堿基（3′端）與反密碼子的第一個堿基（5′端）的配對專一性相對較差，成為擺動配對，而密碼子的另外兩個堿基與相應tRNA上反密碼子的堿基嚴格互補配對，見表3。

學生分析表格，得出結論：如果mRNA上決定氨基酸的某個密碼子的一個堿基發生替換，則識別該密碼子的tRNA不一定改變，轉運的氨基酸不一定改變。

教師小結：密碼子的簡并性及其與反密碼子配對的擺動原則增加了對轉錄、翻譯過程出現差錯的寬容度，體現了基因表達的簡約美。

3 學海探趣，構建翻譯的模型

教師課前制作DNA、mRNA、tRNA、氨基酸和核糖體的模型。其中核糖體可以使用塑料泡沫，在上面剪一個窗口用于聚焦tRNA的兩個結合位點，兩側有mRNA插入的缺口，方便核糖體在mRNA上移動（圖2）。

教師引導學生回憶翻譯過程的場所、模板、原料等條件，然后請兩名學生代表上臺使用模型模擬操作翻譯過程。操作過程中要確定起始密碼子、終止密碼子，查找密碼子編碼的氨基酸，明確mRNA與核糖體的結合位點，tRNA進入兩個位點的機制和方式以及核糖體在mRNA上的移動方式。在學生的操作過程中，教師不要急于糾正學生的錯誤，要讓學生充分暴露問題。一組學生完成操作后，鼓勵其他學生根據已有知識糾錯；然后再請一組學生模擬操作，然后再糾錯。通過這種試錯教學加深學生的印象。

4 知海拾貝，完善知識的結構

教師展示以下思考題，要求學生討論回答。

1. 圖3為某種真菌線粒體中蛋白質的生物合成示意圖。請據圖回答下列問題：

（1） 結構I、Ⅱ、III代表的結構或物質分別為

、 、 。

（2） 完成過程①需要的物質是從細胞質進入細胞核的。它們是 。

（3） 從圖中分析，基因表達過程中轉錄的發生場所有 。

2. 圖4為細胞中多聚核糖體合成多肽鏈的示意圖，下列說法正確的是（ ）

A. 圖示表明一個信使RNA分子同時指導四條多肽鏈的合成

B. 圖示表明四個核糖體同時開始合成四條多肽鏈

C. 圖示4個核糖體合成完畢后的4條多肽鏈氨基酸的排列順序不同

D. 圖示核糖體的移動方向是自右至左

3. 圖5為原核細胞轉錄、翻譯的示意圖，據圖判斷，下列描述中正確的是（ ）

A. 圖中表示4條多肽鏈正在合成

B. 轉錄尚未結束，翻譯即已開始

C. 多個核糖體共同完成一條多肽鏈的翻譯

D. 一個DNA只能轉錄一條RNA，但可表達出多條多肽鏈

5 反思

學生通過高一的新課學習對基因表達相關的核心概念已經有了自己的理解，但他們的知識結構往往是模糊的、不完整的。因此，在高三復習課中，教師可以以核心知識的發生和發展過程為主線，通過重組教材內容、設置問題情境、開展學生活動等方式，幫助學生在梳理知識體系的同時暴露漏缺和錯誤認知，然后予以補充和糾正，使學生在知識、能力、情感上都有所收獲。

參考文獻：

[1] 劉朝進.概念辨析在“基因指導蛋白質的合成”復習課中的應用[J].生物學教學，2014.40（10）：11-12.

[2] 徐東方，孫運志.貫穿探究活動，滲透科學史——“遺傳信息的翻譯”教學設計[J].中學生物教學，2014.（4）：50-52.

[3] 張志文.基因指導蛋白質合成易錯、易混知識[J].中學生物學，2015.31（9）：5-6.