高中生物學項目式建模教學實踐與研究
——以“基因指導蛋白質的合成”復習教學為例

石進德 謝雪錦

（1.廈門市杏南中學，福建 廈門 361024；2.廈門市松柏中學，福建 廈門 361012）

《普通高中生物學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》（下文簡稱課程標準）明確要求學生在高中生物學學習過程中逐步發展科學思維，能基于生物學事實和證據運用模型與建模等方法，探討、闡釋生命現象及規律”。［1］教師應創設真實的問題情境引導學生開展建模活動，促進學生像科學家那樣，應用模型與建模進行思考、表達與交流。［2］項目式學習具有融合性，通過創設真實的問題情境，引導學生以制作作品的形式，建立、理解與應用重要概念及大概念，發展實踐創新能力。［3］根據項目式學習理念及建模教學要求，在高中生物學教學中，筆者嘗試引導學生開展項目式建模活動，促進學生深刻理解生命現象及其規律，提升科學思維能力與建模能力，發展生物學學科核心素養。本文以“基因指導蛋白質的合成”復習教學為例，探討高中生物學項目式建模教學策略。

一、概述高中生物學項目式建模教學策略

根據“核心素養為宗旨、內容聚焦大概念、教學過程重實踐”等高中生物學課程基本理念，以及課程標準對有關“基因指導蛋白質的合成”教學建議與學業要求，創設真實的問題情境，引導學生開展項目式建模活動，說出DNA 與RNA 分子的區別、RNA 的分類與作用；嘗試以DIY 制作尺度模型，概述遺傳信息的轉錄和翻譯過程，樹立結構與功能觀。通過比較分析DNA 的堿基、mRNA 的堿基與氨基酸之間的對應關系，構建數學模型，并解釋三者間的數量關系。建構概念—過程模型，探究遺傳信息傳遞的一般過程，認同科學是不斷發展的，建立生物進化觀以及生命是物質、能量和信息的相統一等生命觀念（圖1）。

圖1 “基因指導蛋白質的合成”項目式建模教學

二、例析高中生物學項目式建模教學策略

（一）明確項目式建模學習任務

以糖尿病患者需要每天注射一次胰島素的常規治療方法，創設真實的問題情境：如何降低用藥頻次，解決糖尿病患者每天注射的不便？并介紹國內已上市的每周注射一次、治療糖尿病的艾塞那肽，其是胰高血糖素樣肽-1（簡稱長效GLP-1）。為了生產長效GLP-1，應通過基因修飾與改造，形成長效GLP-1 基因，運用轉基因技術將GLP-1 基因導入酵母菌或大腸桿菌，使其在酵母菌或大腸桿菌中得到正確表達，實現快速、大量生產。

密切聯系現實生活，通過創設問題情境及研究背景介紹，促進學生明確項目式建模學習任務，導入本節“基因指導蛋白質的合成”復習教學。

（二）建構項目式GLP-1 合成模型

根據有關尺度模型、數學模型、概念-過程模型等生物模型及其建模教學研究成果［4］，引導學生以數學為基礎，在構建系列GLP-1 合成模型過程中思考與討論：長效GLP-1 基因轉錄和翻譯所需的原料、場所、條件及產物，降血糖技術，DNA 堿基、RNA 堿基與氨基酸之間的數量關系等科學、技術及數學方面問題，幫助學生復習有關生物學知識與技術方法，提高建模能力。

1.建構長效GLP-1 基因轉錄與翻譯尺度模型

尺度模型是依據一定的比例直觀地表征生物體某一結構。［4］指導學生分四個階段建構長效GLP-1 基因轉錄與翻譯尺度模型，目的是化抽象為具體，促進學生比較分析遺傳信息復制、轉錄及翻譯，理解轉錄與復制的異同點。

（1）建構長效GLP-1 基因轉錄與翻譯尺度模型配件。學生根據尺度模型建構要求，繪制基因指導蛋白質合成模式圖，制作電腦動畫，模擬長效GLP-1 基因的轉錄和翻譯過程。接著，引導學生討論、發揮想象，選擇硬紙片、磁貼、雙面膠及黏合劑等材料，根據各自繪制的基因指導蛋白質合成模式圖，制作相應的mRNA 鏈、tRNA、解旋酶、堿基等配件剪紙，并在剪紙后面粘上磁條備用。

（2）展示長效GLP-1 基因轉錄與翻譯尺度模型。學生代表以板書闡述長效GLP-1 基因指導長效GLP-1 合成過程，并利用自制的長效GLP-1 基因轉錄與翻譯尺度模型配件，展示DNA 雙鏈在解旋酶的作用下形成兩條DNA 單鏈，DNA 單鏈在RNA 聚合酶的作用下，根據堿基互補配對將游離的四種核糖核苷酸形成mRNA，mRNA 經翻譯形成長效GLP-1。同時，展示自制的基因指導蛋白質合成動畫模型，模擬長效GLP-1基因的轉錄與翻譯過程。

（3）討論與交流。創設問題情境：生物體保證蛋白質快速合成的機制是什么？原核生物與真核生物在轉錄和翻譯方面有何異同？轉錄時mRNA 模板鏈是否隨機的？引導學生思考與討論。學生代表展示長效GLP-1 基因轉錄與翻譯尺度模型的同時，闡述一個mRNA 上可以相繼結合多個核糖體，并合成多個肽鏈，保證蛋白質高效合成。促進學生理解真核細胞是先轉錄后翻譯，而原核細胞是邊轉錄邊翻譯的，并非隨機的。

（4）模型評價與修正。指導學生圍繞上述三個問題對展示的長效GLP-1 基因的轉錄與翻譯模型進行評價與修正。有學生提出該模型主要存在以下五個方面錯誤，如轉錄時DNA 片段全部進行解旋；翻譯時僅一個核糖體移動，沒有體現多個核糖體的移動；沒有考慮tRNA 有長臂和短臂之分，無法確認反密碼子的方向。沒考慮mRNA 進入到細胞質后的降解問題，以及轉錄和翻譯過程能量變化問題。并要求學生課后修正，下節課上檢查修正情況。

2.建構長效GLP-1 基因轉錄與翻譯數學模型

高中生物數學模型是指應用一定的數學形式描述生命本質、生命規律、生物結構與功能關系。［5］構建數學模型有利于啟迪學生的科學思維，學會應用數學模型揭示事物本質。

根據學生構建、展示與評價長效GLP-1 基因轉錄與翻譯尺度模型存在的問題，創設問題情境：在基因表達過程中DNA 堿基、RNA 堿基與氨基酸之間存在怎么樣的數量關系？如果轉錄后的mRNA 第五個堿基為U，則其反密碼子、轉錄的肽鏈堿基、翻譯形成的蛋白質中的氨基酸間存在怎樣的關系？指導學生討論分析，得出mRNA、反密碼子、肽鏈的堿基排序，同時推導出DNA 的堿基數：mRNA 的堿基數：氨基酸數=6:3:1。繼續追問：DNA 的堿基數：mRNA 的堿基數：氨基酸數=6:3:1 是否完全正確？引導學生質疑：該比例關系應考慮有終止子的存在，DNA 的堿基數是＞6n，mRNA 是＞3n，應表述為“至少”，從而構建出數學模型：DNA 的堿基數：mRNA 的堿基數：蛋白質中氨基酸數=6n（至少）:3n（至少）:n 促進加深學生對DNA 分子結構、轉錄與翻譯機制的認識，提高分析能力與解釋能力。

3.建構長效GLP-1 基因轉錄與翻譯概念—過程模型

概念—過程模型是應用文字、箭頭等表征生物學概念的過程性。［5］有助于學生深入理解轉錄與翻譯之間關系，提升對生命本質的認識。

指導學生依據長效GLP-1 基因轉錄與翻譯尺度模型，嘗試利用電腦制作長效GLP-1 基因轉錄與翻譯概念—過程模型（圖2）。并根據酶的專一性理解每種tRNA 只能識別并轉運一種氨基酸，明確tRNA 如何與mRNA 相應的密碼子結合、mRNA 如何決定翻譯的起始與終止及肽鏈氨基酸序列。同時，指導學生相互質疑、評價長效GLP-1 基因轉錄與翻譯概念—過程模型存在的問題，促進學生形成生物進化觀、生命是物質、能量和信息的相統一等生命觀念

圖2 長效GLP-1 基因轉錄與翻譯概念—過程模型

（三）GLP-1 合成模型拓展

模型構建是一個復雜的、循環反復的過程，有必要拓展項目式建模教學成果，促進學生發展生物學學科核心素養。

例如，創設問題情境：選擇適當的模型方式比較真核生物和原核生物在基因表達的過程中的異同？如果長效GLP-1 基因中一個堿基對發生替換,是否會改變療效？引導學生深入地思考與探討，歸納密碼子結構特點，理解密碼子的簡并性，為復習基因突變的低頻性特點打下基礎。

應用項目式建模教學策略，創設真實的復習情境，指導學生建構長效GLP-1 基因轉錄與翻譯尺度模型、數學模型及概念—過程模型，促進學生深度復習轉錄、翻譯及中心法則等生物學重要概念，認識各種生物遺傳信息表達的共同特點，樹立生物進化觀以及生命是物質、能量和信息的相統一等生命觀念，發展生物學學科核心素養。

目前，項目式建模教學存在的主要問題是學生建模能力較弱、創新意識不強、知識儲備不足等。因此，教師課前應充分準備有關建模材料，課堂教學中適時指導與評價，加強模型與建模知識與能力的培養，促進項目式建模教學高效、有序地進行。