科學思維核心素養提升導向的生物課堂教學設計

王魏然

摘要 以“遺傳信息的轉錄”為例，以生物學科研成果為主要資料，利用邏輯問題串，引導學生通過歸納概括、演繹推理及模型構建等科學思維方式分析實驗原理和結果等，從而理解轉錄過程，并提升科學思維等核心素養水平。

關鍵詞 轉錄 科研成果 科學思維 核心素養

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱課標）明確指出生物學是實驗學科，是研究者進行實驗設計、實施和結果分析等進而得出結論和發現規律的學科，并提出了生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任四大生物學核心素養，其中科學思維即指通過實驗事實和證據，經過歸納概括、演繹推理和模型構建等過程，闡釋生命現象及規律的過程。

本教學設計以“遺傳信息的轉錄”為例，利用相關科學研究的結果與數據，引導、啟發學生通過分析研究結果中的信息逐漸探索并理解轉錄的場所、模板、酶、原料、能量和動態過程等，借此體會根據實驗事實，通過概括和推理等過程解釋生命現象和規律的思維方式，提升科學思維等核心素養水平。

1 教材分析

本節和“mRNA的翻譯”集中說明基因如何指導蛋白質的合成，對“基因控制性狀”和“蛋白質是生命活動主要承擔者”等概念起銜接作用。課標對本節教學的要求是“概述DNA分子上的遺傳信息通過RNA指導蛋白質的合成”，即要求學生能夠概述轉錄的場所、模板、酶、原料、能量、動態過程及其意義等，這也是本部分內容的重難點。

2 學情分析

在本節學習前，學生己構建出“基因控制性狀”“蛋白質是生命活動的主要承擔者”和“基因是有遺傳效應的DNA片段”等概念，這是本部分內容學習的基礎。

但學生對微觀過程存在一定理解障礙，純粹的概念教學不僅難以幫助其深刻理解轉錄，也無法激發學習熱情和動機。故本節教學時，教師可利用科研成果這一頗具挑戰性的材料，激發學生的學習興趣，并通過深度分析實驗，幫助其理解轉錄概念，同時在分析過程中提升科學思維等核心素養水平。

3 教學目標

①通過歸納實驗結果，推理出轉錄的場所、模板、酶、能量、原料和過程等，形成“結構與功能觀”和“進化與適應觀”等生命觀念。

②通過對實驗目的、實驗設計的原理和實驗結果的意義等進行歸納概括、演繹推理和模型構建，養成利用實驗結果解釋生命現象并得出普遍規律的科學思維方式。

4 教學過程（圖1）

4.1 導入

教師展示2張老虎的照片，介紹老虎毛色機理：普通老虎真黑色素和褐黑色素都可正常合成，表現為黃虎。若S基因突變，S蛋白不能正常行使功能，褐黑色素合成受阻，則表現為白虎。并提出問題：決定老虎毛色的直接和根本原因是什么？二者如何發生聯系？

設計意圖：教師引導學生分析老虎毛色和基因的區別，得出基因指導蛋白質合成這一結論，引出本節內容。

4.2 基因轉錄重要概念的構建

4.2.1 重要概念①：基因指導蛋白質合成與RNA有關

教師展示洋蔥根尖實驗：用RNA酶分解細胞中的RNA蛋白質合成停止;再加入酵母RNA，蛋白質合成有所恢復。并引導學生思考：直接指導蛋白質合成的物質是什么？該物質的合成可能與什么物質有關？

4.2.2 重要概念②：轉錄的場所位于細胞核

教師展示核酸染色實驗：用紅、綠色染料分別標記DNA和新合成的RNA，發現綠色總是出現在紅色存在的部位。并要求學生思考：RNA合成（即轉錄）發生在細胞的什么部位？

4.2.3 重要概念③：轉錄僅以基因的一條鏈為模板

教師展示SP8噬菌體實驗：SPS噬菌體的全部基因使用同一條DNA單鏈為模板進行轉錄。從宿主細胞中分離出SP8的RNA，分別與其2條DNA單鏈混合，發現只有一條DNA單鏈可與RNA形成雜交分子（圖2）。

教師引導學生思考：雜交分子形成的原理是什么？由此可知RNA合成的模板是什么？

4.2.4 重要概念④：RNA聚合酶催化轉錄過程

教師展示α-鵝膏蕈堿實驗：α-鵝膏蕈堿是一種可抑制RNA聚合酶的物質。隨著α-鵝膏蕈堿濃度和處理時間的增加，轉錄進程逐漸被抑制（圖3）。

學生思考：此實驗的自變量、因變量和觀測指標分別是什么？轉錄過程由什么酶催化？

4.2.5 重要概念⑤：轉錄以核糖核苷酸為原料，需要能量

教師引導學生思考：轉錄過程以什么為原料？是否需要能量？

設計意圖：教師將轉錄過程拆分成場所、模板、酶、原料和能量等要素，利用一系列科研成果為材料，通過問題串引導學生思考并分析實驗結果，使學生逐步理解轉錄的各要素。

4.3 轉錄動態過程的構建

在學生活動后，教師播放轉錄過程的模擬動畫。

學生根據以上實驗結論，通過獨立思考和小組討論，用語言總結歸納轉錄的全過程。

設計意圖：通過學生自主討論與思考，將獨立的轉錄各要素進行歸納和概括，推理得出轉錄的完整動態過程，并利用模擬轉錄過程的精美動畫模型幫助學生更直觀和準確地把握轉錄過程。

4.4 總結與提升

教師啟發和引導學生思考并回答問題：轉錄過程體現了DNA和蛋白質存在何種關系？DNA序列的改變對生物適應環境有何影響？DNA指導蛋白質合成為何要先合成RNA（即轉錄過程有何意義）？以上問題體現了生物學中的什么觀念？科學家研究轉錄的流程和方法，體現出生物學研究的基本思路是什么？

設計意圖：教師利用一系列問題，引導學生回顧轉錄過程，加深鞏固其對轉錄的記憶與理解。教師引導學生體會轉錄過程所蘊含的“結構（基因序列）決定功能（蛋白質結構和功能）”以及“進化（基因序列的改變）與適應（對環境的適應能力）”等生命觀念;引導學生總結和歸納生物學研究的一般思路和流程（設計實驗→實施實驗→得到結果→分析結果得出結論→解釋現象或得出一般規律），明確分析實驗結果和提煉實驗結論的常用方法（歸納與概括、演繹與推理和模型構建等），借此培養和提升其科學思維等核心素養水平。

5 教學反思與效果

按照耶基斯-多德森定律對效率與動機強度關系的描述，中等強度的動機最為理想。在學生對微觀過程存在理解障礙因而動機強度較弱時，本教學設計利用科研成果這一頗具挑戰性的材料適當提高動機強度，以提高效率并取得較好的學習效果。同時，科研成果完美地體現了科學家的研究過程，體現了科學思維的基本思路和方式，是培養和提升學生科學思維等核心素養水平的極好材料。

從教師體驗和學生反饋可知，學生容易接受甚至喜愛此種通過分析科研成果來學習生物學概念和過程的方式，借此對轉錄有了更好地掌握。僅有少量學生在分析實驗時略顯力不從心，在理解實驗目的、實驗設置和得出結論等方面存在困難，需要教師更多地關注和輔導，可能與科研成果信息量較高和傳統教學較少使用此類材料有關，提示教師應個別化關注和輔導各層次學生。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]Xu X，Dong G-X，Hu X-S et al.The Genetic Basis ofWhite Tigers[J].Current Biology， 2013，23（11）：1031-1035.

[3]Cook PR.The Organization of Replication and Transcription[J].Science，1999，284（5421）：1790-1795.

[4]Gong XQ，Nedialkov YA，Burton ZF.α-Amanitin BlocksTranslocation by Human RNA Polymerase Ⅱ[J].Journal of Bio-logical Chemistry，2004，279（26）：27 422-27 427.