基于深度學習的模型教學嘗試

張殿彩

摘 ? 要：隨著普通高中生物課程改革的推進，促進學科核心素養的落實，不斷深入改革課堂組織模式，促進學生深度學習成為當前課堂教學關注的一個焦點。本文以高中生物必修二中 “遺傳信息的翻譯”一節為例，引導學生構建物理模型進行基因表達的過程模擬，課堂上通過合作探究改進模型，以期有效促進學生的深度學習，為促進高中生物學深度學習提供教學策略，進行教學嘗試。

關鍵詞：深度學習;模型教學;翻譯

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020修訂）》聚焦大概念、重要概念和具體概念，要求學生通過主動學習，深刻理解和應用重要的生物學概念，發展生物學學科核心素養，并強調學生學習的過程是主動參與的過程，通過探究性學習活動或完成工程任務，加深對生物學概念的理解，提升應用知識的能力，培養創新精神。郭華教授指出深度學習是在教師引領下，學生圍繞著具有挑戰性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發展的有意義的學習過程。在這個過程中，學生掌握學科的核心知識，理解學習的過程，把握學科的本質及思想方法，形成積極的內在學習動機、高級的社會性情感、積極的態度、正確的價值觀，成為既具獨立性、批判性、創造性，又有合作精神、基礎扎實的優秀的學習者，成為未來社會歷史實踐的主人[ 1 ]。可見促進學生深度學習是課堂教學中培養學生核心素養的基本途徑，教師應該在教學中采用各種方式和手段以促進學生對概念的理解。在人類的科學探究以及科學認知中，模型一直發揮著特有的不可替代的作用，其中物理模型正是一種非常有效的工具[ 2 ]。而讓學生親手構建物理模型有助于培養學生思考問題、解決問題的能力。同時在構建物理模型的過程中可以快速調動學生的學習積極性，在模型制作過程中學生需要對原型進行知識提取、呈現以及應用，促進了學生的知識內化和完善[ 3 ]。

本文選取人教版高中生物學必修2《遺傳與進化》（2019版）第四章“基因指導蛋白質合成”中第2課時“遺傳信息的翻譯”為例，引導學生自制物理模型并利用物理模型的動態演示翻譯的過程，在掌握核心知識的同時提升科學思維以及知識應用能力，提升科學思維等核心素養水平。以期為高中一線生物學教師在課堂中實現深度學習提供參考，獲得更好的教學效果。

1 ?教學目標解讀

本節課與“遺傳信息的轉錄”一起來說明基因如何指導蛋白質的合成，2017版（2020年修訂）課標對本節的要求是“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翻譯的場所、模板、酶、原料、能量、動態過程及其意義等。

2 ?學情分析

本節課學習之前學生對“基因在DNA上”“DNA的雙螺旋結構”“蛋白質是生命活動的主要承擔者”“基因控制生物的性狀”以及“遺傳信息的轉錄”等知識已經掌握，但學生對微觀過程存在一定理解障礙。傳統教學一般是教師講解過程并配以一定的圖片和動畫，實踐中發現精美生動的動畫演示雖然可以激發學生的興趣并直觀展示翻譯過程，但學生的學習仍然較為被動，而且動畫演示缺少課后使學生深度學習的延續性。故本節課前要求學生自制模型以便在課堂進行過程模擬，旨在使學習探究變被動為主動，激發學生學習興趣并為課后的繼續探究提供抓手。

3 ?課堂實施

3.1 ?課前準備

課前布置學生自制模型，包括核糖體、氨基酸，以及tRNA。具體分工為：班級42人分為7組，以6人小組進行分工合作，每個小組需要制作至少一個核糖體;相關氨基酸以及每人1-2個tRNA（教師統籌安排）。為方便學生制作以及課堂演示，教師課前自制一套模型進行板演以確定模型大小。mRNA以板書形式畫在黑板上，實踐表明，為便于操作以及學生觀看，采用卡紙（普通卡紙、加厚卡紙均可）進行制作：核糖體大小約20 cm（大小亞基接縫處），根據一個核糖體只能容納2個密碼子，即6個堿基，教師在板畫mRNA時，每兩個堿基需要間隔4 cm左右;按照堿基間隔4 cm設計tRNA大小，高度約15 cm左右。教師準備好雙面磁條。

3.2 ?課堂實施

3.2.1 ?堿基與氨基酸的對應關系

新課引入：展示轉錄圖片，通過復習上節課遺傳信息轉錄的知識，從轉錄的結果是一條mRNA切入新課。mRNA合成以后會通過核孔進行細胞質，最終mRNA中堿基序列翻譯成蛋白質中的氨基酸序列。對比轉錄過程中，DNA的堿基序列轉錄到RNA的堿基序列中是根據堿基互補原則，那么mRNA中的堿基與氨基酸對應關系是怎樣的？

設計意圖：緊密聯系轉錄知識引出新的學習問題，在復習舊知的同時幫助學生建立從DNA→mRNA→蛋白質的知識框架，有利于學生整體掌握知識。

教師展示密碼子破譯的部分科學史（密碼子破譯的過程思維量較大，為防止加深難度以及合理分配課堂時間，教師在課堂上僅介紹三聯體密碼子的推理和閱讀方式的科學史），帶領學生一起分析密碼子表。由于上節課已經介紹過tRNA，而且課前已經布置學生制作tRNA，教師在介紹密碼子表如何查閱后，可以以互動游戲來考查學生對密碼子表的掌握。游戲如下：教師隨機說氨基酸，請學生寫出該氨基酸的密碼子，如果學生對查閱密碼子表無困難，可以提升難度，教師隨機說氨基酸，請可以攜帶該氨基酸的tRNA（同學根據自己制作的tRNA）站起來。

設計意圖：將枯燥的密碼子表查閱設計成課堂游戲，游戲一方面能夠集中學生學習的專注力，另一方面根據氨基酸書寫密碼子的過程讓學生更容易發現密碼子的簡并性以及其意義。在提升游戲中，氨基酸所對應的tRNA頻頻出錯，也及時暴露出學生在密碼子、反密碼子以及tRNA攜帶氨基酸三者之間關系的認知問題，在學生求知若渴之時教師的分析與解答最有效果。

3.2.2 ?模擬翻譯過程

教師在黑板上板畫一條mRNA（若學生層次一般，可以按照教材P66頁的mRNA書寫，便于學生根據課本模擬）。學生根據教師黑板上展示的mRNA先在小組內進行翻譯過程的模擬，并寫出所合成的多肽鏈的氨基酸序列。小組合作之后，教師組織全班學生一起進行板演，在板演過程中教師解答學生出現的問題。提升活動：小組間進行模擬，一個小組寫出一條mRNA，另一小組進行翻譯，合成出一條多肽鏈。教師提示學生可以向其他小組借所需的tRNA或者改造自己手中的tRNA。

設計意圖：學生在小組模擬翻譯的過程，既需要仔細閱讀課本還需要跟同學進行合作，在活動中對翻譯過程有了直觀的認識，為接下來的板演及翻譯過程的總結打好基礎。提升活動中采用小組間相互出題、模擬的方式，使課堂更具開放性和生成性，學生充分理解、應用剛剛所學知識，在合作、討論、辨析中對翻譯過程有了更為深刻的理解。教師在巡視中及時收集課堂生成性的問題進行分析，如有兩個小組寫的mRNA不同，但是合成的多肽鏈的氨基酸序列相同;有的小組寫的mRNA的第一個密碼子不是起始密碼子或者沒有密碼子;有的寫出來的mRNA上的堿基數不是三的倍數等。

3.3 ?總結與討論

教師播放“DNA指導蛋白質合成”的視頻，學生觀看視頻并思考討論老師提出的問題：（1）翻譯過程中一條mRNA上只能結合一個核糖體嗎？（2）在同一條mRNA上的每個核糖體上合成的肽鏈是一樣的嗎？（3）結合多個核糖體的意義是什么？

設計意圖：在學生動手模擬的基礎上播放視頻，學生對模擬過程中出現的細節觀察更為注意，也更容易發現、產生問題。

教師引導學生回顧DNA復制、轉錄以及翻譯的過程，介紹中心法則，并對本節課進行總結。

3.4 ?課后延伸

教師指導學生針對課堂中的模擬活動對自己的模型進行改進和完善，并對本節課內容提出想繼續探究的問題，提示學生可以充分利用課外材料以及網絡資源輔助自己的學習。

4 ?教學反思

4.1 ?課堂實施反思與改進

遺傳信息的復制、轉錄與表達屬于分子生物學范疇，多年的教學實踐顯示，這部分知識微觀、抽象，學生在學習過程中普遍覺得枯燥且難于理解。本節課基于課程標準中所倡導的“教學過程重實踐”的理念，以小組為單位開展學習，教師創設特定的模擬環境，小組成員緊密配合、互相支持完成學習任務，因此教師對學習小組的組建尤為重要。經過幾次課堂實踐，筆者發現學習小組人數不宜過多，結合班級座位排列，以四人組最為方便。教師在組建小組時可全面參考小組成員的思考能力、探究能力以及應用能力，以便培養學生的合作學習能力。深度學習具有個性化和開放性，教師需要改變單一評價方式，對學生進行過程性、綜合性評價，同時結合小組成員間的互評和自我評價。

4.2 ?模型制作反思與改進

教師根據課前自制模型為學生提出建議，采用彩色卡紙進行制作并給出模型大小的范圍。實際中有個別學生仍然采用普通A4紙，模擬時容易折皺破損，有的學生采用瓦楞紙，邊緣粗糙且大小不一;絕大多數學生采用厚卡紙，模型既有型又剪裁光滑，模擬時貼上老師提供的磁條進行板演，顏色鮮艷，視覺效果很好。本節課結束后學生對自制模型主動進行了改進和完善，如課前幾乎大多數學生采用紙質模型，而課后的模型改進中，有學生利用粘土制作了模型，用不同顏色以及形狀表示不同的堿基以及堿基的互補配對，在演示過程中鮮明直觀，比如堿基的組成、互補配對的規則等。還有學生覺得在模擬過程中需要3人甚至更多同學一起固定、移動進行模擬，比較麻煩，設計了可以獨立操作的動態模型，將核糖體和mRNA制作成上下層，在演示中以抽拉的方式模擬核糖體的沿著mRNA的移動。

5 ?總結

從本節課的教學實踐效果來看，模型教學相比于圖片和視頻的傳統教學，學生的學習更具有延續性，學生不僅可以在課下繼續利用模型學習，而且還可以隨著學習繼續改進模型。在此過程中學生從理解認知到利用高階思維分析、評價、創建并改進模型，將DNA的結構、復制、轉錄以及翻譯等知識進行整體性聯通，還將知識有效地融入到原有的認知體系中進行構建，正符合深度學習的特征[ 4 ]。本節課中模型教學使學生的想法更容易得到充分的展示，課堂的學習不僅收獲知識，更是一種成功的體驗，有效地激發了學生主動學習的積極性。學生通過探究活動加深對生物學概念的理解，提升了學生應用知識的能力，更為有意義的是給學生提供了認識世界的知識、方法和工具，有助于提升學生解決實際問題的能力，很好地發展了學生的核心素養[ 5 ]。

參考文獻：

[1] 郭華.深度學習及其意義[J].中小學教育，2017（3）：70-77.

[2] 趙萍萍，劉恩山.科學教育中模型定義及其分類研究綜述[J].教育學報，2015，11（1）：46-52.

[3] 蘇惠.物理模型在高中生物學中的應用[J].課程教育研究∶學法教法研究，2018（24）：155-156.

[4] 付亦寧.深度學習的教學范式[J].全球教育展望，2017，46（7）：47-56.

[5] 孫琦，卜慶梅.自制教具在高中生物學概念教學中的應用——以“遺傳信息的翻譯”為例[J].中學生物學，2019，35（8）：78-80.