運用自制教具演示“基因指導蛋白質合成”的過程

陳文君 李文靜

（江門臺山市第一中學 廣東江門 529200）

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》提出，教師組織的單元教學活動應圍繞大概念展開。為幫助學生達成對概念的理解，可開展制作模型活動。學生通過建模活動，深入理解知識形成過程的核心理念，已成為提高學生生物學學科核心素養(yǎng)的重要教學策略之一。

“基因指導蛋白質合成”所聚焦的概念是支撐核心概念3“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”的下位概念，是繼DNA 復制及基因本質后，進一步闡明基因表達的過程，也是學習“基因突變及其他變異”的基礎。因轉錄和翻譯過程涵蓋的名詞、概念眾多，多年教學中發(fā)現(xiàn)，教師受限于動畫制作水平不高和教學資金不足以購買成品教具等原因，課堂中難以運用多種策略幫助學生突破次位概念“概述DNA 分子上的遺傳信息通過RNA 指導蛋白質合成”的理解。現(xiàn)介紹“基因指導蛋白質合成”教具的制作與使用，以期為一線教師提供更多種類的課堂組織策略。

1 建模教學與自制教具

凡是涉及模型構建、模型使用、模型評價和修正的教學都稱為建模教學[1]。趙萍萍等[2]指出：在建模教學策略實施之初，教師可采用示范如何建模為主的教學形式，將建模的主要步驟潛移默化地滲透到教學中。自制教具演示則是教師示范建模的一種形式。課堂上可借助教具描述難以直接觀測到的太大或太小的事物或現(xiàn)象，解釋事物發(fā)生的原因和機理[3]。

2 模型的制作

2.1 模型成品圖（圖1）

圖1 基因指導蛋白質合成模型圖

2.2 各種材料在模型中的作用（表1）

表1 各種材料在模型中的作用

2.3 制備過程

2.3.1 堿基模型的制作 將5種顏色的EPE環(huán)保爬行墊剪成5 種形狀（其中嘌呤規(guī)格為2 cm×3.5 cm，嘧啶規(guī)格為2 cm×3 cm），表示5種堿基，保證A與T或U能嵌入吻合，C與G能嵌入吻合，并標注英文縮寫。

2.3.2 核糖核苷酸與氨基酸模型的制作 將淺褐色的扭扭棒剪成小段，中部固定堿基，兩端做出鉤和環(huán)（圖2），用以模擬一個個核糖核苷酸聚合的過程。

圖2 自制核糖核苷酸

用鐵絲穿過不同顏色的絨毛球，兩端做出鉤和環(huán)（圖3），用以模擬氨基酸形成肽鏈的過程。白板的右上角附密碼子表，密碼子旁貼有相應顏色的絨毛球，表示對應的氨基酸。

圖3 自制氨基酸

2.3.3 DNA 的制作 2 條深褐色扭扭棒表示DNA的基本骨架，剪切小段同色的扭扭棒固定堿基（圖4）。在個別堿基的背后貼上磁片，方便在白板上固定。隨著堿基排列順序的變換，可制作出不同種類的DNA，以體現(xiàn)DNA 分子的多樣性。

圖4 DNA片段

2.3.4 tRNA 模型的制作 用2 根扭扭棒做出tRNA 的三葉草形態(tài)，在堿基配對處用同色扭扭棒固定。在反密碼子處凸出3 根扭扭棒，用以變換tRNA 上的反密碼子（圖5）。

圖5 tRNA

用EPE 環(huán)保墊剪出葫蘆狀的核糖體，并用油性筆標注E、P、A位點（圖6）。

圖6 核糖體

在條狀核膜上挖孔并用顏色相近的扭扭棒做出凸起代表蛋白復合體（圖7）。

圖7 核膜及核孔

2.3.5 展示板的制作 取60 cm×90 cm 的白板2塊，按圖8規(guī)格制作展示板。

圖8 基因指導蛋白質合成過程演示板

窗簾滑道固定在白板上，并在白板上方固定鐵桿，用鐵絲做出簡單拉勾并懸掛操縱繩，方便核糖體和tRNA等部件的移動。

3 模擬“基因指導蛋白質合成”的過程

核心概念能為新知識的獲取提供組織架構,并建議將陳述式的核心概念轉換成問題的形式，這些問題的答案直接指向核心概念[4]。這種策略同樣適用于下位概念的構建。

因此，為幫助學生從整體上認識基因表達的過程，現(xiàn)將“基因指導蛋白質合成”一課所涉及的次位概念及其對應問題一一列出，并整理如表2所示。

表2 “基因指導蛋白質合成”的次位概念及對應問題

3.1 遺傳信息的轉錄 在構建轉錄模型前，指導學生思考以下問題：模型中如何區(qū)分DNA 和RNA？貯存在DNA 堿基序列中的遺傳信息，如何傳遞到RNA？轉錄得到的RNA 的堿基序列與DNA 2 條鏈的堿基序列有哪些異同？

現(xiàn)有模板——DNA 的1 條鏈，工人——RNA聚合酶，原料——4 種核糖核苷酸，教師在講臺模擬轉錄的過程，具體如下：

1）模擬轉錄的過程。RNA 聚合酶（橢圓蛋糕盒）與DNA 結合，形成復合體后，將DNA2條鏈分開，模擬解旋過程。根據(jù)堿基互補配對原則，核糖核苷酸與模板鏈上的堿基配對，并借助核糖核苷酸模型底部的鉤和環(huán)相連，延伸mRNA（圖9）。同時，演示錯誤堿基的碰撞，例如，A 與C，由于堿基間（在形狀上）不能嵌入吻合，所以，錯誤核糖核苷酸離開。

圖9 mRNA 延伸示意圖

2）mRNA 的去向及DNA 的變化。完成轉錄后的mRNA 經(jīng)核孔進入細胞質，DNA 恢復雙螺旋結構。借助白板上部的鐵桿和細絲，將合成的mRNA 拉出核孔，進入細胞質，固定在窗簾滑道上；利用部分堿基背后的磁片，將DNA 恢復為雙螺旋結構（圖10）。通過觀看教師演示模型，學生從細胞層面了解到轉錄后mRNA 的去向及DNA的變化。

圖10 mRNA離開核孔，DNA恢復雙螺旋結構

3.2 遺傳信息的翻譯 教材中用較大篇幅闡述遺傳信息的翻譯過程，其中涉及密碼子、反密碼子等名詞，知識零散，不利于學生內化生物學概念。為此，通過問題串，并使用自制教具模擬翻譯的動態(tài)過程，引導學生運用觀察、思考、歸納等科學思維，逐步建立翻譯的概念模型。

1）問題串引導閱讀，培養(yǎng)閱讀理解能力。組織學生帶著以下問題閱讀教材：游離的氨基酸是如何運送到核糖體的？tRNA 的結構有什么特點？mRNA上的堿基序列如何翻譯成蛋白質的氨基酸序列？

2）動態(tài)模擬翻譯過程，發(fā)展模型與建模能力。引導學生從材料、制作的難易等方面合理選擇tRNA、核糖體等組分的表征方式，并參與翻譯模型的構建。

①核糖體與mRNA 結合（套入窗簾滑道中），并沿mRNA移動，讀取起始密碼，翻譯開始。

②攜帶甲硫氨酸的tRNA（反密碼子UAC）通過與密碼子AUG 互補配對，進入位點1（即位點P）。該過程幫助學生理清氨基酸與密碼子、反密碼子的對應關系。①、②2 步借助白板上的鐵桿和細絲操控tRNA進入核糖體。

③攜帶丙氨酸的tRNA 以同樣方式進入位點2。通過模型演示，深化學生對密碼子與反密碼子配對的理解。

④甲硫氨酸和丙氨酸的脫水縮合過程利用固定在絨毛球兩側的鉤和環(huán)完成。

⑤通過暗線操縱核糖體移動3 個堿基，讀取下一個密碼子，繼續(xù)肽鏈的合成。

圖11 翻譯的演示過程

4 體會

課后，學生對該模型仍然表現(xiàn)出較大的興趣，紛紛上臺參與演示并相互評價。將自制教具引入課堂，不僅能調動學生參與課堂活動的積極性，還能發(fā)展學生的模型與建模能力，加深其對生物學概念的理解，有助于落實科學思維的培養(yǎng)。