概念為本的科學思維進階發展的教學設計

摘 要：本文介紹了“基因指導蛋白質的合成”第一課時“遺傳信息的轉錄”的教學設計，創設半乳糖血癥這一情境，設計進階性問題群，通過結合科學史引導學生進行深入思考和科學論證，在“詢證”中逐步構建“轉錄”的相關知識與概念，進而實現學生科學思維的進階發展。

關鍵詞：概念為本；科學思維；進階發展；基因轉錄

文章編號：1003-7586（2024）11-0011-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

1 教材分析及設計思路

“基因指導蛋白質的合成”是人教版普通高中教科書《生物學·必修2·遺傳與進化》第4章第1節的內容。本節內容建立在“基因的本質”相關內容的基礎上，需要學生從基因功能的視角進行理解。本節內容包括轉錄、翻譯、中心法則等，與學生已掌握的DNA分子的結構、基因的本質等知識的聯系較為緊密。對該內容的學習能夠幫助學生更好地從分子水平上認識基因與DNA的關聯、RNA的形成過程及基因控制蛋白質合成的過程。該內容既能為后續基因表達與性狀的關系等知識點的學習奠定基礎，也能為學生在未來學習基因工程做鋪墊。

本節內容隸屬于大概念“3 遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”中的重要概念“3.1親代傳遞給子代的遺傳信息主要編碼在DNA分子上”中的次位概念“3.1.4概述DNA分子上的遺傳信息通過RNA指導蛋白質的合成，細胞分化的本質是基因選擇性表達的結果，生物的性狀主要通過蛋白質表現”。對本節內容的學習有助于學生建立與完善遺傳學概念體系，同時也會促進學生的獲取信息、解決問題等能力的發展。本節內容在發展學生生物學學科核心素養方面側重了科學探究和科學思維能力的培養，并在一定程度上滲透了結構與功能觀等生命觀念的內容。

本節課的設計理念是在構建概念體系的基礎上，以真實情境為切入點，設計本節課程的核心問題以及子問題。學生通過解答相關問題并完成任務凝練出相應的次位概念，不僅促進其科學思維的進階發展，還能引導其像科學家一樣思考。

2 教學目標

（1）能夠基于事實和證據，采用適當的探究方法揭示RNA適合做DNA信使的原因及遺傳信息的轉錄過程，在運用多種科學方法解決問題的過程中實現科學思維的進階發展。

（2）能夠從結構與功能觀、生命的信息觀等生命觀念出發，理解RNA作為遺傳信使的結構與功能特性及其在遺傳信息傳遞中的作用。

（3）通過對該內容的學習，培養尊重生命規律的生命觀念，更好地熱愛生活，養成健康的生活習慣。

3 教學過程

3.1 創設情境，導入新課

教師展示半乳糖血癥實例，邀請該病癥患者介紹自己的親身感受。教師引導學生對半乳糖血癥進行初步分析，并思考基因與生物性狀有什么關系，由此引出本節要解決的問題，即建立起基因與蛋白質之間的關系，明確其內在的聯系。

設計意圖：本環節從真實情境出發，使學生產生很強的代入感，從而激發其學習興趣，學生能夠體會到此部分內容與生活有著密切的聯系，在引發思考的同時能夠激發學生的探知欲。

3.2 做出假設，探尋關系

活動一：教師引導學生回顧DNA主要分布于細胞核內，而蛋白質的合成需要在核糖體上進行，核膜將DNA與核糖體分隔開。教師提出問題：“細胞核中基因如何與核糖體建立起聯系？”并引導學生做出以下兩種假設。

（1）DNA從細胞核中通過核孔移出，進入到細胞質中與核糖體結合。

（2）DNA不能從細胞核中移出，需要由另一種物質來傳遞信息。

學生討論得出可以利用同位素標記技術探究物質在細胞中的轉化或轉移，并設計實驗來證明假設是否成立。學生在展示自己實驗設計之后，進行組內和組間的點評，教師在此基礎上分析與評價。

設計意圖：學生通過假說演繹的方法證明細胞核中的基因無法從核中移出，核糖體也不能進入細胞核中，從而推測出可能存在一種物質來傳遞DNA分子中的遺傳信息。結合結構與功能相適應的生命觀念及類比推理的方法，教師可以引導學生進一步推測此類物質可能性。

活動二：學生在類比推理的基礎上，進一步設計實驗驗證RNA在蛋白質合成中的作用。學生可以借助同位素標記的尿嘧啶核糖核苷酸設計實驗，驗證RNA分子的合成是在細胞核中完成的，并能從細胞核中釋放、轉移到細胞質中。教師在學生設計與分析實驗的基礎上，展示科學家的相關實驗。

1955年，布拉格（J. Brachet）曾用洋蔥根尖和變形蟲進行實驗。如果加入RNA酶分解細胞中的RNA，蛋白質合成就停止；如果再加進了從酵母中提取出來的RNA，則又可重新合成一定數量的蛋白質。

1955年，戈爾茨坦（J. L. Goldstein）等人用同位素標記變形蟲RNA前體，發現標記的RNA都在核內，表明RNA是在細胞核中合成的。如果將該細胞核轉移到沒有標記的變形蟲內，一段時間后能夠在細胞質中檢測到被標記的RNA。

學生通過分析能夠得出RNA具有傳遞信息的作用，并從結構與功能的視角比較DNA與RNA的區別與聯系，運用類比推理的方法，得出RNA具有傳遞信息作用的理論依據。

設計意圖：學生通過設計實驗探究RNA的合成及轉移路徑，可以進一步驗證先前提出的假說。教師在此基礎上展示科學家的研究，讓學生體會到科學家思考和解決問題的過程。

3.3 深入探究，構建概念

活動三：探究RNA的合成所需的相關信息來自DNA分子。

教師引導學生探究DNA分子在RNA合成過程中是如何發揮作用的，學生嘗試設計實驗來探究DNA將遺傳信息傳遞給RNA的過程，結合思考與分析展示科學家的實驗研究。

1961年，布倫納的（S. Brenner）等人在噬菌體侵染細菌實驗培養基中添加含¹⁴C標記的尿嘧啶，裂解細菌分離出RNA與核糖體。研究者將分離出來的RNA分別與細菌和噬菌體的DNA進行雜交，發現RNA可與噬菌體的DNA形成雙鏈雜交分子，而無法與細菌的DNA結合。

學生結合分析和科學史料實證研究，進一步證明了RNA作為信使的結論，并為后續學習基因的轉錄做好鋪墊。

設計意圖：教師通過分析資料幫助學生進一步建立起基因與RNA間的聯系，從結構與功能的視角，更好地理解RNA作為傳遞信息物質的適宜性，初步形成信息觀。

活動四：探究RNA合成過程是以DNA分子的一條鏈作為模版，還是以DNA分子的兩條鏈作為模版。

在上述學習的基礎上，教師引導學生推測RNA的合成過程。學生思考DNA分子中的兩條鏈是否都可以作為模版參與RNA的合成，以及如何設計實驗驗證相關假設。

教師展示資料：馬默（Marmur）等人利用DNA-RNA雜合技術，采用侵染枯草桿菌的噬菌體SP8為材料進行實驗。噬菌體SP8的DNA分子由兩條堿基含量不平均的鏈構成，其中一條鏈富含嘌呤，另一條互補鏈則富含嘧啶。因為嘌呤比嘧啶重，因此富含嘌呤的“重”鏈與富含嘧啶的“輕”鏈在加熱變性后可用密度梯度離心將其分離。SP8侵染后，實驗人員從枯草桿菌中分離出RNA，分別與DNA的重鏈和輕鏈混合并緩慢冷卻，發現SP8侵染后形成的RNA只會與重鏈形成DNA-RNA的雜合分子。

學生通過對上述資料的思考與分析可以得出結論：RNA只能與DNA兩條鏈中的一條鏈堿基互補配對，即RNA在合成過程中只使用DNA分子的一條鏈作為模版。

設計意圖：該問題對于當前水平的學生而言理解難度較大，教師可以在學生分析的基礎上給出科學家的研究結果，能夠有效幫助學生認識科學思維在生物學研究中的重要作用。

活動五：探究RNA的合成具體過程及特點。

教師引導學生從結構與功能相適應的視角，類比DNA的復制過程，初步推測出RNA的合成過程。教師在此基礎上需要強調DNA解螺旋需要的是

RNA聚合酶，此酶具有解螺旋和聚合兩種功能，并配合動畫演示幫助學生理解。

設計意圖：從學生概念構建的視角進行設問，借助前概念進行類比推理和遷移應用，能夠比較好地構建出轉錄的概念。這個過程有助于學生對知識理解與概念構建，同時實現了對前概念的遷移與應用，對凝練本單元的大概念起到至關重要的作用。

活動六：探究發揮信使作用的RNA類型

教師提出問題，激發學生思考，適時給出科學家的觀點及研究過程。

1958年，克里克（F. H. C. Crick）提出如下觀點：核糖體RNA是“信使”，不同核糖體RNA編碼不同的蛋白質。

1961年，雅各布（F. Jacob）等人對該假說進行了實驗論證。研究人員在實驗中發現噬菌體侵染細菌后，細菌的蛋白質合成立即停止，轉而合成噬菌體的蛋白質，在此過程中，細菌細胞內合成了新的噬菌體RNA。研究人員進一步研究發現，這種新合成的RNA先與大腸桿菌內原先存在的“重”核糖體結合在一起，不久后便與該核糖體發生解離并降解。

設計意圖：教師提供不斷進階的科學史資料，以此培養學生的科學思維與科學質疑精神，并學會通過相關的研究來證實自己的觀點的重要性。

4 教學反思

本節課從學生認知視角著手，進行問題設計與概念構建，通過環環相扣的問題引導學生進行邏輯推理，并運用類比推理、假說演繹等科學方法逐步揭示出RNA在DNA指導蛋白質合成過程中發揮作用的過程。

教師在教學過程中適時引入科學史，讓學生體會科學家的研究過程，充分體驗思維的碰撞。學生能夠實現知識的構建與前概念的遷移應用，進而逐步抽象、概括、凝練出轉錄的概念。整個學習過程從問題提出、實驗驗證到總結歸納，實現了學生科學思維的進階發展。教師在過程中要關注到問題設置的遞進性和學生科學思維的發展性，在教學過程中要依據學生的實際反饋對問題進行微調與修正，保證問題的有效性，以確保其與學生科學思維的發展過程相匹配，從而有利于學生知識的構建以及能力與素養的提升。