指向深度学习的单元整体教学实践——以“基因指导蛋白质的合成”为例

徐 阳

(广东省中山市第二中学 广东中山 528429)

单元是基于一定的目标所构成的教材与经验模块,即围绕一定的主题,由若干节具有内在联系的课时所组成的一个整体教学单位。深度学习是指在教师引领下,学生围绕有挑战性的学习主题,全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程。深度学习的发生既依赖教师精心提供结构化、有教学意图的教学材料,又需要学生在平等宽松的互动中主动探究,师生共同发展。本单元聚焦次位概念“DNA 分子上的遗传信息通过RNA指导蛋白质的合成”进行单元整体设计,包含3 个课时。教师简化整合相关科学史和社会议题,依托一系列活动,引导学生深入探究基因行使功能的机理。

1 单元设计思路

“基因指导蛋白质的合成”位于人教版高中生物学教材《必修2·遗传与进化》第四章第一节,涉及遗传信息的转录、翻译和中心法则三部分内容。本节内容承接“基因的本质”,为“生物的变异”和“基因工程”的教学埋下伏笔,知识内容螺旋上升,是承上启下的重要环节,也是学生理解的重难点。

本单元遵循深度学习的五大步骤,以“提出教学主线→体验转录和翻译的过程→建构概念模型并引出变式→迁移应用概念→评价解决社会议题”为学习路径,教师通过丰富适切的素材和活动,对教学内容进行推理论证,兼顾知识和素养两个层面,培养学生科学思维、形成生命观念、提升探究能力(图1)。

2 单元教学目标

①基于信使RNA 与转运RNA 的发现史和遗传密码的破译史,论证RNA 是DNA 的信使以及mRNA编码并结合氨基酸的方式,理解转录与翻译的内涵及外延,提升深度探究能力,锻炼分析综合、演绎推理、批判性和创造性等科学思维。

②通过导学问题及图文资料,概述转录、翻译的具体过程;通过建构概念模型,培养归纳概括的科学思维,理解基因表达的物质基础和信息传递过程,在分子水平形成生命的物质、能量与信息观。

③通过活动体验不同的mRNA 翻译出相同的多肽链过程,理解并阐释密码子的简并性;基于几乎所有生物共用一套遗传密码的事实,认同生物界的统一性;通过分析密码子通用性的例外,理解机体与环境的协同进化,形成进化与适应观。

④通过对抗生素和囊性纤维病等社会性议题的分析,对抗生素滥用形成正确的价值评判,形成安全用药的健康生活意识;提出疾病的可行性治疗思路并评价其局限性,养成批判、理性的科学精神,感悟学科价值,提升社会责任。

3 单元教学过程

3.1 联想与结构——关联现实情境,生成逻辑主线

教师展示图文资料,介绍自然界的“基因大盗”绿叶海天牛能够将编码叶绿体关键酶的一系列藻类基因整合到核基因中,从而获得维持光合作用的能力。教师提问:为什么转入的是基因,获得的却是性状?性状主要通过什么表现?学生将情境与知识结构性关联,归纳单元核心逻辑主线“DNA→蛋白质→性状”,初构基因表达的概念。

设计意图:教师从科普情境中归纳概括出单元主线,对知识体系补充与拓展,为学生创造性地展开科学论证和逻辑推理提供锚定点,激发兴趣,清晰主线。

3.2 活动与体验——开展论证推理,建构次位概念

教师依据学情整合科学史,设计实验探究,通过“激发问题→提出主张→分析证据→推理探究→得出结论”这一论证过程,体验转录与翻译的科学发展史,深化对概念的理解。

3.2.1 探究DNA 与蛋白质之间的信使

(1)巧设冲突,激发问题

DNA 和蛋白质的直径分别约2 nm 和23 nm,核孔直径只有0.9 nm,DNA 主要分布在细胞核,蛋白质在细胞质的核糖体合成。教师通过展示DNA 和蛋白质的位置与大小相冲突的资料使学生认识到DNA 不能直接指导蛋白质的合成。

(2)发散整合,提出主张

学生大胆提出DNA 和蛋白质之间存在信使,教师引导学生演绎信使应具备的条件为既能与DNA 结合,又可以通过核孔,到达细胞质参与蛋白质的合成,继而引出信使的存在。

(3)依托证据,推理探究

教师引导学生对比DNA 与RNA 的化学组成和结构差异,基于RNA 的结构推测其功能,归纳RNA适合作信使的结构证据。学生小组合作,继续探究RNA 作信使的实验证据。

教师呈现SP8 噬菌体侵染枯草杆菌实验(图2),并设置问题串:①用什么方法将噬菌体DNA 的重链和轻链分离?②噬菌体RNA 合成的原料有哪些?③新合成RNA 的模板是什么?学生小组交流讨论,阐明RNA 合成的原料和模板,验证RNA 能与DNA 结合。

图2 SP8 噬菌体侵染枯草杆菌实验

教师展示变形虫放射性标记实验(图3),设置驱动性问题串:①用什么方法示踪RNA 的去向?②选择RNA 的哪种成分作标记,为什么?③RNA 的合成发生在细胞的什么部位?④细胞核交换后,D 组变形虫的细胞质为什么会有标记的RNA?学生通过探讨,明确RNA 的合成场所,验证RNA 能从细胞核转移到细胞质。

图3 变形虫放射性标记实验

教师提出将变形虫RNA 降解后重加入实验,提示学生运用自变量控制的“加法和减法原理”,验证RNA与蛋白质的合成有关。学生写出实验思路和预期结果,在加入RNA 酶后蛋白质合成停止,重新加入RNA后蛋白质又继续合成。预期与实际相符,观点成立。

(4)重建认知,形成结论

学生解决认知冲突,论证RNA 是DNA 的信使(图4),教师根据学生的回答将主线修正为“DNA→RNA→蛋白质→性状”,明确基因表达包括转录和翻译两个过程。

3.2.2 探究mRNA 编码并结合氨基酸的方式

翻译过程抽象复杂,教师依据上述论证过程,渗透性点拨、解决该过程的逻辑障碍,如表1所示。

表1 mRNA 编码并结合氨基酸的方式的论证过程

设计意图:教师引导学生还原科学史进行论证,实现探究与思维双轮驱动,既有助于学生理解基因表达的过程,又发展了学生的批判性与创造性思维和获取信息、评价证据的能力,同时有助于学生形成科学本质观,建构次位概念。

3.3 本质与变式——剖析知识本质,灵活引出变式

教师展示转录与翻译过程的动画,提供导学问题:“时间、场所→产物→用恰当的动词概括步骤→归纳条件→建构定义→分析物质变化和信息传递”,引导学生概括转录与翻译的过程。学生通过建构基因表达的概念模型(图5),理解知识的内在联系,掌握概念本质。在此基础上,教师进一步引导学生形成大概念“遗传信息控制生物性状,并代代相传”。

图5 基因表达的概念模型

学生观察肠道EV-71 病毒和HIV 病毒侵染细胞的图示,对基因表达的信息传递过程进行变式,补充遗传信息从RNA 流向RNA 以及从RNA 流向DNA 的过程,认识遗传信息流动的多样性,归纳中心法则。学生阐明核酸和蛋白质是遗传信息的载体和表达产物,ATP 为其供能,领悟遗传信息以物质为载体,以能量为动力,进而认识到生命是物质、能量与信息的高度统一体。

设计意图:建构概念模型有利于学生理解遗传信息传递的本质,在重要概念建构完成的基础上,教师引导学生向上进阶概念,形成大概念。教师通过引出变式,培养了学生深度加工知识的能力,加强单元知识的整体性,并使学生在此过程中体会中心法则是物质、能量和信息的集中体现。

3.4 迁移与应用——促进知识转化,拓展概念外延

教师指导学生查阅密码子表,写出CUC AUG CGU ACG UAA GUA 和CUC AUG CGG ACG UAA GUA 这两条mRNA 序列编码的多肽链,学生在试错过程中修改认知,区分起始密码子、终止密码子和同义密码子,并通过教材“思考讨论”部分分析密码子的特点。

教师提供资料,在人的线粒体和纤毛虫中,通用密码子的编码出现了例外。师生共同分析支持该现象的证据,引导学生基于进化和适应观解释其原因,学生逐步理解环境改变迫使生物调整至适应才有利于生存,机体与环境协同进化,适应是进化的结果,生存是适应的结果。

教师提出密码子与反密码子之间并不严格遵守碱基互补配对,如反密码子5′端U 与密码子3′端的A 或G 均能配对,引导学生基于密码子、反密码子和tRNA之间的关系推测反密码子和tRNA 的种类(图6)。

设计意图:基于密码子和反密码子概念进行体验式教学,学生透过表层事实提炼生命观念,教师既检验了学习效果,又有助于学生将所学知识转化为综合实践能力,实现了概念的外化、拓展。

3.5 价值与评价——倡导学以致用,承担社会责任

3.5.1 基于抗生素机制安全用药,健康生活

教师提供利福平和链霉素的抗菌机制图示(图7),学生分析得出这两种抗生素分别特异性阻碍细菌的转录和翻译过程而实现抗菌,链霉素Ⅰ、Ⅱ机制导致细菌无法合成蛋白质,Ⅲ导致合成错误的蛋白质。教师追问抗生素是否对病毒起作用,学生联系病毒无细胞结构,病毒内不能转录和翻译,因此抗生素不能对病毒起作用,建立避免抗生素滥用的健康观念。

3.5.2 基于蛋白质合成攻克疾病,关爱他人

教师展示资料:囊性纤维病是一种常见的遗传病,70%患者的CFTR 基因缺失3 个碱基,10%的患者因该基因突变使终止密码子提前,生成功能不全的的蛋白质。教师提供问题串:①如何针对这两类患者提供不同的RNA 疗法?②采用什么技术可以将RNA 送入人体细胞?③RNA 疗法有何优缺点?④对RNA 疗法你存在怎样的疑惑?学生讨论,得出分别设计正常的CFTR 基因的mRNA 和能与终止密码子结合并携带正确氨基酸的tRNA,并利用病毒将RNA 导入人体细胞,能够翻译出正常功能的蛋白质。学生分析RNA 没有整合基因组的风险但易降解,提出RNA 疗法价值的追问,如异常mRNA 依然存在,改造后的tRNA 可能导致蛋白质无法正常终止等问题。教师鼓励学生课后查询资料,关注RNA疗法的发展。

设计意图:教师引导学生运用生物学原理去客观评判、解决社会性议题,有助于学生深刻理解基因表达背后的逻辑与价值,养成积极讨论并尝试解决生活问题的习惯,形成正确的价值观,实现自我成长。

4 单元教学反思

4.1 单元整体设计应有高度

本单元首先提出基因与性状“遗传”如何联系的单元逻辑主线,凝练拓展不同版本生物学教材的相关内容,以连贯性的活动为驱动,引导学生循序渐进地理解基因表达的细节,逐渐形成次位概念,最终指向大概念,教学过程主干清晰,逻辑递进。

4.2 论证推理过程应重信度

科学思维是理论和证据相互协调的过程,无法直接传递,需要学生在主动探究地过程中实现自我升华。本单元以“提主张-析证据-展推理”这一路径探索概念的发展和运用,促进学生养成重实证、敢质疑的科学精神,培养学生的科学思维。

4.3 价值引领过程应讲温度

教师引入社会议题,将生物学概念向课外延伸,引导学生应用、感悟所学知识,有利于培养学生积极讨论社会热点、主动宣传健康生活观念的意识,鼓励学生为解决社会问题和促进未来发展献言献策,增进社会使命感和责任感。