“假說(shuō)——演繹法”在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用

葉凱

【摘 要】在“遺傳密碼的破譯”的教學(xué)中，按照科學(xué)發(fā)現(xiàn)史的線索，采用“假說(shuō)——演繹法”對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法的教育，提高了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】假說(shuō)——演繹法;遺傳密碼的破譯;教學(xué)策略

1.教材分析與設(shè)計(jì)思路

本節(jié)內(nèi)容屬于選學(xué)，可用1課時(shí)，本節(jié)的主要內(nèi)容是遺傳密碼的破譯過(guò)程，是對(duì)本章第1節(jié)的重要補(bǔ)充。學(xué)生在第1節(jié)中學(xué)過(guò)遺傳密碼，但并不了解遺傳密碼的破譯方法，本節(jié)課引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)遺傳密碼的破譯過(guò)程，使學(xué)生通過(guò)這一研究過(guò)程，學(xué)習(xí)其中蘊(yùn)含的現(xiàn)代常用科學(xué)研究方法“假說(shuō)——演繹法”。采用“假說(shuō)——演繹法”可以提高學(xué)生分析材料、提煉關(guān)鍵信息以及邏輯推理能力。以分析“尼倫伯格和馬太實(shí)驗(yàn)”的設(shè)計(jì)思路為突破口，初步理解遺傳密碼的破譯方法，并在一定程度進(jìn)行思維延伸：霍拉納發(fā)明了一種新的RNA合成方法，合成的RNA可以是2個(gè)、3個(gè)或4個(gè)堿基為單位的重復(fù)序列，仍采用“假說(shuō)——演繹法”，進(jìn)一步破解了遺傳密碼的對(duì)應(yīng)規(guī)則。

2.教學(xué)目標(biāo)

2.1知識(shí)目標(biāo)

說(shuō)出遺傳密碼的閱讀方式及遺傳密碼的破譯過(guò)程，理解克里克設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的思路與尼倫伯格和馬太——體外蛋白質(zhì)合成實(shí)驗(yàn)的思路。

2.2能力目標(biāo)

通過(guò)學(xué)習(xí)克里克——移碼突變雜交實(shí)驗(yàn)過(guò)程與尼倫伯格和馬太——體外蛋白質(zhì)合成實(shí)驗(yàn)過(guò)程，體驗(yàn)科學(xué)研究的一般過(guò)程。以問(wèn)題為線索，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)質(zhì)疑和推理學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容，按照科學(xué)發(fā)現(xiàn)史的線索，采用“假說(shuō)——演繹法”對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法的教育，從而提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

2.3情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)

通過(guò)對(duì)“遺傳密碼的破譯”的學(xué)習(xí)，使學(xué)生明確科學(xué)的成功離不開堅(jiān)實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)、持之以恒的實(shí)驗(yàn)探究以及創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)方法。

3.教學(xué)過(guò)程

3.1遺傳密碼的閱讀方式

引導(dǎo)學(xué)生從排列組合的角度和最簡(jiǎn)原則進(jìn)行分析，最終推出：3個(gè)堿基編碼1個(gè)氨基酸最為合理，并用PPT展示非重疊和重疊的閱讀方式（教材74頁(yè)圖4—10），最終引導(dǎo)學(xué)生提出兩種關(guān)于遺傳密碼閱讀方式的假說(shuō)：假說(shuō)①：3個(gè)堿基編碼1個(gè)氨基酸，以非重疊方式閱讀;假說(shuō)②：3個(gè)堿基編碼1個(gè)氨基酸，以重疊方式閱讀。設(shè)疑：如何證明哪種假說(shuō)正確？引導(dǎo)學(xué)生思考，并引出教材74頁(yè)最著名的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)——克里克的移碼突變實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法：使用化學(xué)誘變劑在某個(gè)基因中刪除或插入1個(gè)、2個(gè)或3個(gè)堿基對(duì)，再觀察對(duì)其編碼的蛋白質(zhì)的影響。因此，需要對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演繹推理，首先在PPT中展示某基因轉(zhuǎn)錄形成的mRNA，然后設(shè)置明確的活動(dòng)內(nèi)容：若假說(shuō)①或②正確時(shí)，用紅筆標(biāo)出改變的密碼子，并根據(jù)標(biāo)識(shí)的結(jié)果判斷基因中增加幾個(gè)堿基，對(duì)其所編碼的蛋白質(zhì)中氨基酸序列影響最小？教師設(shè)疑：若要得到標(biāo)識(shí)結(jié)果的前提條件是什么？克里克移碼突變實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與演繹推理的結(jié)果（即預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果）中的哪一種相吻合呢？下一步再將標(biāo)識(shí)的結(jié)果與教材74頁(yè)克里克的移碼突變實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較，引導(dǎo)學(xué)生思考并得出結(jié)論：1.mRNA上3個(gè)相鄰堿基決定一個(gè)氨基酸（三聯(lián)體密碼子）;2.遺傳密碼從一個(gè)固定的起點(diǎn)開始，以非重疊的方式閱讀;3.編碼之間沒(méi)有分隔符。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)師生互動(dòng)及對(duì)克里克移碼突變實(shí)驗(yàn)的演繹推理活動(dòng)，使學(xué)生初步理解“假說(shuō)——演繹法”這種研究方法，并通過(guò)投影學(xué)生已標(biāo)識(shí)的學(xué)案，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析和總結(jié)：若要得到標(biāo)識(shí)結(jié)果，前提條件是遺傳密碼的閱讀起點(diǎn)固定不變。

3.2遺傳密碼對(duì)應(yīng)規(guī)則的發(fā)現(xiàn)

PPT上展示3個(gè)資料：資料1：1955年法國(guó)生化學(xué)家格倫伯格—馬納戈人工合成RNA（UUUUU……）、（GGGGG……）、（AAAAAA……）和（CCCCC……）;資料2：1957年查美尼克發(fā)現(xiàn)，核糖體是蛋白質(zhì)的合成場(chǎng)所;隨之又確定了tRNA的存在，每一個(gè)氨基酸至少有一個(gè)特殊的tRNA轉(zhuǎn)運(yùn);資料3：1960年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)第3種RNA：mRNA，并證實(shí)其為蛋白質(zhì)合成的模板，且許多細(xì)菌的mRNA都非常短命。設(shè)置問(wèn)題串，引導(dǎo)學(xué)生思考和分析：從資料中找出體外合成蛋白質(zhì)所需的條件，并比較生物體細(xì)胞內(nèi)mRNA與人工合成的RNA的區(qū)別是什么？大腸桿菌破碎細(xì)胞溶液含有哪些與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和物質(zhì)？為什么要除去破碎細(xì)胞溶液中存在的DNA和mRNA？如何除去破碎細(xì)胞溶液中存在的DNA和mRNA？能否使用RNA酶水解mRNA，并說(shuō)明理由，最終引導(dǎo)學(xué)生得出并理解體外蛋白質(zhì)合成實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)思路。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)資料歸納總結(jié)體外合成蛋白質(zhì)所需的條件。引導(dǎo)學(xué)生理解尼倫伯格和馬太設(shè)計(jì)的體外蛋白質(zhì)合成實(shí)驗(yàn)的思路，并將該實(shí)驗(yàn)思路進(jìn)一步應(yīng)用。

3.3思維延伸

PPT展示霍拉納發(fā)明了一種新的RNA合成方法，合成的RNA可以是2個(gè)、3個(gè)或4個(gè)堿基為單位的重復(fù)序列。例：實(shí)驗(yàn)一：加入人工合成的（GAA）體外合成蛋白質(zhì)，實(shí)驗(yàn)二：加入人工合成的（CAA）體外合成蛋白質(zhì)，實(shí)驗(yàn)三：加入人工合成的（CA）體外合成蛋白質(zhì)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)一設(shè)置問(wèn)題串，引導(dǎo)學(xué)生思考和分析：為什么加入谷氨酸，賴氨酸，精氨酸的3只試管中均產(chǎn)生多肽？推測(cè)可能的原因？并根據(jù)推測(cè)的原因提出假說(shuō)。引導(dǎo)學(xué)生分析和解決問(wèn)題并提出假說(shuō)：體外合成蛋白質(zhì)時(shí)，起點(diǎn)是隨機(jī)的，然后，教師利用PPT展示實(shí)驗(yàn)二并設(shè)置明確活動(dòng)：根據(jù)假說(shuō)對(duì)實(shí)驗(yàn)二進(jìn)行演繹推理得出預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并與教師提供的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（分別加入蘇氨酸，谷氨酰胺，天門冬酰胺的試管中產(chǎn)生多肽）進(jìn)行對(duì)比，最終引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：體外合成蛋白質(zhì)時(shí)，起點(diǎn)是隨機(jī)的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)三設(shè)疑：為什么實(shí)驗(yàn)三中每只試管中均無(wú)多肽產(chǎn)生？并明確活動(dòng)：請(qǐng)重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究（CA）重復(fù)序列中的密碼子與氨基酸的對(duì)應(yīng)關(guān)系并寫出實(shí)驗(yàn)思路？教師引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題，并提示學(xué)生可參考尼倫伯格和馬太實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)思路重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)重點(diǎn)提醒學(xué)生：實(shí)驗(yàn)思路的兩個(gè)要素——自變量和因變量，最后利用PPT展示實(shí)驗(yàn)一、二和三的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并引導(dǎo)學(xué)生從中發(fā)現(xiàn)遺傳密碼與氨基酸的對(duì)應(yīng)規(guī)律。

設(shè)計(jì)意圖：訓(xùn)練學(xué)生分析、解決問(wèn)題的能力，以問(wèn)題為線索，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)質(zhì)疑和推理，重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并書寫實(shí)驗(yàn)思路，培養(yǎng)學(xué)生尋找和總結(jié)規(guī)律的能力。

4.教學(xué)反思

本節(jié)課主要運(yùn)用“假說(shuō)——演繹法”的研究方法，通過(guò)問(wèn)題串和一系列演繹推理、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)思路活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)推理和想象，提出解釋問(wèn)題的假說(shuō)，并根據(jù)演繹推理，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)演繹推理的結(jié)論。以問(wèn)題為導(dǎo)向的教學(xué)模式充滿了無(wú)限可能，不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，學(xué)生的思維也能帶給我無(wú)限的驚喜和啟發(fā)，學(xué)生給我的啟發(fā)，使我不斷完善自己的教學(xué)體系，我又將總結(jié)的知識(shí)反哺給學(xué)生，我覺(jué)得這是一種良性循環(huán)，在如此高效的解決問(wèn)題中，還可以提高學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。