5E教学模式在高中生物学核心概念教学中的实践

陶杨娟

(浙江省绍兴市柯桥区柯桥中学 312030)

基于建构主义理论和概念转变理论，将课程教学分为参与(engagement)、探究(exploration)、解释(explanation)、拓展(elaboration)及评价(evaluation)，简称5E教学模式。此教学模式强调学生的主体性，遵循学生的认知规律，通过探究活动解决学生对新旧概念的认知冲突，使得学生能主动进行科学概念的构建及错误概念的转化。现以“遗传信息的表达——RNA和蛋白质的合成”一节教学为例，阐述5E教学模式在高中生物学教学中的实践探究。

1 分析教学内容，把握核心概念

“遗传信息的表达——RNA 和蛋白质的合成”是浙科版高中生物学教材《遗传和进化》第三章第四节内容，本节的概念可用陈述句表述为：蛋白质是生命活动的主要承担者；转录是指遗传信息由DNA传递到RNA上的过程；转录的产物RNA分为信使RNA、转运RNA和核糖体RNA等种类，这些RNA分子都是以DNA上的基因区段为模板转录而来的；在真核生物中，遗传信息的翻译是以mRNA为模板，利用细胞质中的各种氨基酸，合成具有一定氨基酸排列顺序的蛋白质的过程；生物性状的遗传信息是由核酸中核苷酸的排列方式决定的。可将本节内容以概念图形式呈现(图1)。

图1 RNA和蛋白质合成的知识构图

经图1分析，本节最上位的概念即重要概念：真核细胞中，细胞核中DNA上的遗传信息指导蛋白质的合成，即DNA上的脱氧核苷酸排列顺序决定了蛋白质中氨基酸的排列顺序。

2 应用5E教学模式，开展核心概念教学

2.1 激发学生参与学习 学生参与教学活动的形式是多种多样的，可以是教师口头提问、用幻灯片提供问题情境、展示实物模型等方式，吸引学生的注意力和激发学生学习兴趣。学生通过对前面几节内容“核酸是遗传物质的证据”和“遗传信息的传递”的学习，已经明确基因和遗传信息的概念和关系，但这两个概念在学习“转录”概念时存在隐蔽性，所以教师在教学中应该让学生主动发现并暴露这些已有知识。

教师可用情境导入法，以对转基因荧光鼠的介绍引起学生的注意力，激发学生的学习兴趣，导入课题。学生对基因主要位于细胞核内而蛋白质的合成在细胞质中已经有了一定的认识，必定产生疑问：细胞核中的基因如何控制细胞质中蛋白质的合成呢？然后以预设的问题组织学生开展课堂讨论，实施探究活动，教师在讨论过程中注意倾听学生暴露的错误概念，最后再一并指正。

2.2 实施探究活动 受实验材料和条件的限制，学生无法开展对DNA指导蛋白质合成的探究实验，可以问题驱动引发学生的学习兴趣，再加资料讲解的形式重现当年的研究过程，让学生自主建立核心概念。

活动1：针对转基因荧光鼠的例子，引出“转录和翻译”，将遗传信息的表达过程分为转录和翻译两个过程。让学生带着问题去阅读教材：①转录和翻译的场所在哪里？②细胞核中DNA上的基因在指导细胞质中蛋白质的合成过程中，是DNA出来还是核糖体进去？③转录和翻译的产物是什么？

引发学生思考，学生结合已学细胞器知识，细胞核中没有核糖体的分布及DNA主要存在于细胞核中，解答以上问题。再提供事实材料，如DNA分子的直径约2nm，核糖体直径约23nm及核孔直径0.9nm等，巩固学生的认知，并为活动2作铺垫。

活动2：教师布置任务：整理从DNA指导蛋白质合成过程的逻辑事件图，以mRNA为发射点，提出若干问题。

问题1：转录产物mRNA在遗传信息的表达过程中起什么作用？

展示资料：1955年布拉舍用洋葱根尖和变形虫为材料进行实验，他用核糖核酸酶(RNA酶)分解细胞中的核糖核酸(RNA)，蛋白质的合成就停止。而如果再加入从酵母中抽提的RNA，蛋白质的合成就有一定程度的恢复。同年，戈尔德斯坦(Goldstein)和普劳特(Plaut)观察到用放射性标记的RNA从细胞核转移到细胞质。因此，人们猜测RNA是DNA与蛋白质合成之间的信使。后人将此类RNA称为信使RNA(mRNA)[1]。

问题2：如何用实验证明mRNA来自细胞核？

展示资料：拉斯特的变形虫实验，先将A组变形虫置于含15N标记的尿嘧啶核糖核苷酸培养液中培养；B组变形虫置于不含15N标记的尿嘧啶核糖核苷酸培养液中。一段时间后，发现标记的RNA首先在A组细胞核中出现，过一段时间在其细胞质中也出现，而B组中均未出现相应标记。随后取A组变形虫的细胞核移植到未标记的B组去核变形虫的细胞质中，得到重组变形虫(C组)，用未标记的尿嘧啶核糖核苷酸培养液中培养，结果原先没有标记的细胞质中出现了有标记的RNA。此资料表明：是RNA在细胞核中合成并将核中DNA的遗传信息带到细胞质。

问题3：mRNA在连接DNA和蛋白质之间究竟起什么样的作用呢？

让学生复习教材课外读“DNA和RNA的化学成分比较”，分析DNA与RNA的不同，可知RNA分子比较小，而且往往是单链结构，能通过碱基与DNA链配对，故也能储存遗传信息。而在合成蛋白质时，核糖体特殊的结构，可容纳mRNA、tRNA及进行氨基酸结合等反应。

问题4：请你猜测DNA指导蛋白质合成过程。

学生通过对上述提示的思考，初步认定RNA是在DNA指导下合成，穿过核孔到达细胞质的核糖体上，与核糖体结合后合成蛋白质。但是，对具体过程表述比较模糊。教师可引导学生观看遗传信息表达过程视频，并指导学生阅读教材，对文中的语句表述进行解释。

随后，师生共同梳理这个过程：在细胞核中，以DNA的一条链为模板合成了具有一定碱基排列顺序的RNA，转录时，RNA聚合酶结合在基因的启动部位，合成的RNA，也就是说细胞核中DNA上基因的碱基排列顺序决定了RNA上碱基排列顺序，此过程类似于磁带翻录，故名转录。而形成的产物称为信使RNA(mRNA)。mRNA在细胞核中加工后，通过核孔与细胞质中的核糖体结合，进行翻译。这样mRNA上的碱基排列顺序决定了蛋白质中氨基酸的排列顺序。

问题5：既然mRNA是指导蛋白质合成的模板，但mRNA由4种核糖核苷酸组成，而蛋白质却由20种氨基酸组成。4种碱基是如何排列组合起来以决定每一种氨基酸的呢？这就是分子遗传学中著名的“遗传密码”问题。

展示资料：1954年，美籍俄裔理论物理学家莫夫(G.Gamow)应用排列组合计算来研究遗传密码，如果1个碱基为1个氨基酸编码，只能决定4种氨基酸，若2个碱基，则能决定16种氨基酸，若3个则能决定64种，因此提出了遗传密码的三联体假说。1961年，克里克用吖啶黄引起的移码突变证明遗传密码确实是三联体。美国科学家尼伦伯格与霍拉纳，尼伦伯格先合成了一条全部由尿嘧啶核苷酸(U)组成的多核苷酸链，即UUU……然后将这种多聚U加入到含有20种氨基酸以及有关酶的缓冲液中，结果只产生了一种由苯丙氨酸组成的多肽链。于是第一个遗传密码诞生了：与苯丙氨酸对应的遗传密码是UUU。后来又陆续破译了其他密码子。在这64个密码子中，有3个并不编码任何氨基酸，而是作为蛋白质合成的终止信号(“句点”)，称为终止密码子。

教师小结：mRNA上每3个相邻的碱基叫做密码子。教师指导学生阅读教材内容，介绍同样在细胞核中合成，经加工进入细胞质中发挥作用的RNA，其单链比mRNA分子还小，结构比较特别，经加工后折叠似三叶草的叶形，一端能携带氨基酸；另一端有3个碱基为反密码子，与mRNA上的密码子互补，此RNA既有搬运氨基酸功能，又有识别密码子功能，称为tRNA。

为帮助学生梳理对所学知识的理解，教师可通过视频动画对转录和翻译过程中的模板、原料、产物、酶、碱基配对、信息传递方向等相关问题进行对比，还可以跟DNA复制作比较，加深对遗传信息表达过程的理解。

2.3 引导学生解释概念 教师根据教材中的核心概念，以判断题的形式，要求学生判断并解释：①转运氨基酸的tRNA是基因的表达产物；②合成该蛋白质时，相应的rRNA的碱基排列顺序发生了变化；③核糖体认读mRNA上决定氨基酸种类的密码，选择相应的氨基酸合成多肽链。

对于①，学生可利用教材关于基因表达的概念，“基因形成RNA产物以及mRNA被翻译为基因的蛋白质产物的过程都称为基因表达”，判断此话是正确的。而②和③可根据对翻译概念的理解，判断②是错误的，③是正确的。

2.4 促进概念迁移 学生初步掌握了真核细胞中转录和翻译过程涉及到的几个核心概念后，创设问题情境，教师应将教材中的几个材料整合并呈现于学案中，让学生明确核心概念的内涵和外延，促进概念的应用与迁移。

材料1：多肽链合成时，在一个mRNA分子上有若干个核糖体同时进行工作(必修2教材中的内容)。

材料2：(在原核细胞中)DNA与周围的核糖体直接接触，并通过RNA传递信息，由核糖体合成所需要的多肽。(必修1教材中的内容)。

教师引导学生对材料进行分析，材料1展示了翻译过程中的一种现象，即多聚核糖体，一般来说，mRNA的长度越长，上面可附着的核糖体数量就越多。由于这些多肽链的合成都是以同一条mRNA为模板合成的，可以在短时间内合成大量相同多肽链。需要注意的是，多聚核糖体只是让很多核糖体可以一起工作，以增强肽链的合成效率，每条肽链还是只能有一个核糖体来合成，所用时间并没有缩短，只是“同时性”提高了翻译的效率。

材料2展示在原核细胞中，基因可以边转录边翻译，这样同样也可以增加效率。从中是否也可以得出原核细胞的mRNA不需要加工直接可作为翻译的模板呢？事实确实如此，除原核细胞的mRNA，其他RNA分子，包括真核细胞的3种RNA和原核细胞的rRNA、tRNA都要经过加工才能成为成熟有功能的分子，这个过程叫做“转录后的加工”或“RNA的成熟”。

通过引导学生阅读教材材料，帮助学生实现概念的迁移。

2.5 评价概念学习 经过上述4个环节的教学，学生对于遗传信息的表达过程中涉及的核心概念及其统领的普遍概念的理解已经较为深刻，这时可以精选几道练习题观察学生对所学概念的理解，并综合评价，一方面保证概念教学目标的达成；另一方面也有助于改进概念教学。

例题1：下列有关蛋白质生物合成的叙述，正确的是( )

A．一种tRNA可以携带多种氨基酸

B．DNA聚合酶是在细胞核内合成的

C．反密码子是位于mRNA上相邻的3个碱基

D．线粒体中的DNA能控制某些蛋白质的合成

例题2：图示细胞内某些重要物质的合成过程。该过程发生在( )

A．真核细胞内，一个mRNA分子上结合多个核糖体同时合成多条肽链

B．原核细胞内，转录促使mRNA在核糖体上移动以便合成肽链

C．原核细胞内，转录还未结束便启动遗传信息的翻译

D．真核细胞内，转录的同时核糖体进入细胞核启动遗传信息的翻译

5E教学模式注重学生在课堂上的主动参与，积极构建活动，以生为本，要求学生在与学习内容、教师和其他同学互动过程中构建、重组与修正自己对生物学概念的认识，这种互动不仅仅是动手活动，还包括动脑思考，最终达到提高学生生物学素养这一核心目标。