科学思维核心素养提升导向的生物课堂教学设计

王魏然

摘要 以“遗传信息的转录”为例，以生物学科研成果为主要资料，利用逻辑问题串，引导学生通过归纳概括、演绎推理及模型构建等科学思维方式分析实验原理和结果等，从而理解转录过程，并提升科学思维等核心素养水平。

关键词 转录 科研成果 科学思维 核心素养

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称课标）明确指出生物学是实验学科，是研究者进行实验设计、实施和结果分析等进而得出结论和发现规律的学科，并提出了生命观念、科学思维、科学探究和社会责任四大生物学核心素养，其中科学思维即指通过实验事实和证据，经过归纳概括、演绎推理和模型构建等过程，阐释生命现象及规律的过程。

本教学设计以“遗传信息的转录”为例，利用相关科学研究的结果与数据，引导、启发学生通过分析研究结果中的信息逐渐探索并理解转录的场所、模板、酶、原料、能量和动态过程等，借此体会根据实验事实，通过概括和推理等过程解释生命现象和规律的思维方式，提升科学思维等核心素养水平。

1 教材分析

本节和“mRNA的翻译”集中说明基因如何指导蛋白质的合成，对“基因控制性状”和“蛋白质是生命活动主要承担者”等概念起衔接作用。课标对本节教学的要求是“概述DNA分子上的遗传信息通过RNA指导蛋白质的合成”，即要求学生能够概述转录的场所、模板、酶、原料、能量、动态过程及其意义等，这也是本部分内容的重难点。

2 学情分析

在本节学习前，学生己构建出“基因控制性状”“蛋白质是生命活动的主要承担者”和“基因是有遗传效应的DNA片段”等概念，这是本部分内容学习的基础。

但学生对微观过程存在一定理解障碍，纯粹的概念教学不仅难以帮助其深刻理解转录，也无法激发学习热情和动机。故本节教学时，教师可利用科研成果这一颇具挑战性的材料，激发学生的学习兴趣，并通过深度分析实验，帮助其理解转录概念，同时在分析过程中提升科学思维等核心素养水平。

3 教学目标

①通过归纳实验结果，推理出转录的场所、模板、酶、能量、原料和过程等，形成“结构与功能观”和“进化与适应观”等生命观念。

②通过对实验目的、实验设计的原理和实验结果的意义等进行归纳概括、演绎推理和模型构建，养成利用实验结果解释生命现象并得出普遍规律的科学思维方式。

4 教学过程（图1）

4.1 导入

教师展示2张老虎的照片，介绍老虎毛色机理：普通老虎真黑色素和褐黑色素都可正常合成，表现为黄虎。若S基因突变，S蛋白不能正常行使功能，褐黑色素合成受阻，则表现为白虎。并提出问题：决定老虎毛色的直接和根本原因是什么？二者如何发生联系？

设计意图：教师引导学生分析老虎毛色和基因的区别，得出基因指导蛋白质合成这一结论，引出本节内容。

4.2 基因转录重要概念的构建

4.2.1 重要概念①：基因指导蛋白质合成与RNA有关

教师展示洋葱根尖实验：用RNA酶分解细胞中的RNA蛋白质合成停止;再加入酵母RNA，蛋白质合成有所恢复。并引导学生思考：直接指导蛋白质合成的物质是什么？该物质的合成可能与什么物质有关？

4.2.2 重要概念②：转录的场所位于细胞核

教师展示核酸染色实验：用红、绿色染料分别标记DNA和新合成的RNA，发现绿色总是出现在红色存在的部位。并要求学生思考：RNA合成（即转录）发生在细胞的什么部位？

4.2.3 重要概念③：转录仅以基因的一条链为模板

教师展示SP8噬菌体实验：SPS噬菌体的全部基因使用同一条DNA单链为模板进行转录。从宿主细胞中分离出SP8的RNA，分别与其2条DNA单链混合，发现只有一条DNA单链可与RNA形成杂交分子（图2）。

教师引导学生思考：杂交分子形成的原理是什么？由此可知RNA合成的模板是什么？

4.2.4 重要概念④：RNA聚合酶催化转录过程

教师展示α-鹅膏蕈碱实验：α-鹅膏蕈碱是一种可抑制RNA聚合酶的物质。随着α-鹅膏蕈碱浓度和处理时间的增加，转录进程逐渐被抑制（图3）。

学生思考：此实验的自变量、因变量和观测指标分别是什么？转录过程由什么酶催化？

4.2.5 重要概念⑤：转录以核糖核苷酸为原料，需要能量

教师引导学生思考：转录过程以什么为原料？是否需要能量？

设计意图：教师将转录过程拆分成场所、模板、酶、原料和能量等要素，利用一系列科研成果为材料，通过问题串引导学生思考并分析实验结果，使学生逐步理解转录的各要素。

4.3 转录动态过程的构建

在学生活动后，教师播放转录过程的模拟动画。

学生根据以上实验结论，通过独立思考和小组讨论，用语言总结归纳转录的全过程。

设计意图：通过学生自主讨论与思考，将独立的转录各要素进行归纳和概括，推理得出转录的完整动态过程，并利用模拟转录过程的精美动画模型帮助学生更直观和准确地把握转录过程。

4.4 总结与提升

教师启发和引导学生思考并回答问题：转录过程体现了DNA和蛋白质存在何种关系？DNA序列的改变对生物适应环境有何影响？DNA指导蛋白质合成为何要先合成RNA（即转录过程有何意义）？以上问题体现了生物学中的什么观念？科学家研究转录的流程和方法，体现出生物学研究的基本思路是什么？

设计意图：教师利用一系列问题，引导学生回顾转录过程，加深巩固其对转录的记忆与理解。教师引导学生体会转录过程所蕴含的“结构（基因序列）决定功能（蛋白质结构和功能）”以及“进化（基因序列的改变）与适应（对环境的适应能力）”等生命观念;引导学生总结和归纳生物学研究的一般思路和流程（设计实验→实施实验→得到结果→分析结果得出结论→解释现象或得出一般规律），明确分析实验结果和提炼实验结论的常用方法（归纳与概括、演绎与推理和模型构建等），借此培养和提升其科学思维等核心素养水平。

5 教学反思与效果

按照耶基斯-多德森定律对效率与动机强度关系的描述，中等强度的动机最为理想。在学生对微观过程存在理解障碍因而动机强度较弱时，本教学设计利用科研成果这一颇具挑战性的材料适当提高动机强度，以提高效率并取得較好的学习效果。同时，科研成果完美地体现了科学家的研究过程，体现了科学思维的基本思路和方式，是培养和提升学生科学思维等核心素养水平的极好材料。

从教师体验和学生反馈可知，学生容易接受甚至喜爱此种通过分析科研成果来学习生物学概念和过程的方式，借此对转录有了更好地掌握。仅有少量学生在分析实验时略显力不从心，在理解实验目的、实验设置和得出结论等方面存在困难，需要教师更多地关注和辅导，可能与科研成果信息量较高和传统教学较少使用此类材料有关，提示教师应个别化关注和辅导各层次学生。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]Xu X，Dong G-X，Hu X-S et al.The Genetic Basis ofWhite Tigers[J].Current Biology， 2013，23（11）：1031-1035.

[3]Cook PR.The Organization of Replication and Transcription[J].Science，1999，284（5421）：1790-1795.

[4]Gong XQ，Nedialkov YA，Burton ZF.α-Amanitin BlocksTranslocation by Human RNA Polymerase Ⅱ[J].Journal of Bio-logical Chemistry，2004，279（26）：27 422-27 427.