基于建模教学策略发展学生科学思维的教学设计

尹佳欣

［摘 要］在“基因指导蛋白质的合成”第一课时的教学中，采用建模教学策略，引导学生选择、制作、修改以及评价模型；通过模型的建构过程来模拟转录的过程，以此达到在建构“转录”概念的同时培养学生的科学思维的目的。

［关键词］建模教学；科学思维；教学设计

［中图分类号］    G633.91        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2024）11-0090-03

一、教材分析

“基因指导蛋白质的合成”一节在人教版高中生物学教材中的位置设计是很巧妙的——在必修2第四章的第一节，不难看出该节内容的重要性。第四章围绕着基因的表达开展学习，“基因指导蛋白质的合成”即是基因的表达的开始，且在前一章的学习中，学生已经掌握了“DNA是主要的遗传物质”这一概念并构建了DNA的双螺旋结构模型，梳理了基因的概念，理解了DNA与染色体之间的关系，为学习基因的表达打下了坚实的基础。“基因指导蛋白质的合成”一节在高中生物学教材中具有承上启下的作用，既对学生之前所学习的基因与蛋白质知识进行了总结提升，又为后续学习基因与性状的关系、生物的变异和进化以及基因工程等知识奠定了理论基础。

二、学情分析

学生在必修1已经系统地学习了蛋白质、核酸这些生物大分子，也知道了DNA是主要的遗传物质，在刚学完DNA的自我复制之后，学生对DNA是如何指导蛋白质的合成十分感兴趣。鉴于高中生的思维水平以及动手能力相较于初中生有一定的提升，同时考虑到“基因指导蛋白质的合成”是比较抽象的过程。因此，使用直观的模型去模拟转录的过程是个很好的选择，能在加深学生对基因表达的理解的同时锻炼学生的动手能力。

三、教学策略

新课程改革要求生物学教学要能够帮助学生获得生物学基本事实、概念、原理、规律和模型等方面的基础知识。为什么生物学教学要能够帮助学生获得模型的基础知识？如何帮助学生获得有关模型的基础知识？想要回答这些问题，就要与生物学知识的特质联系起来。在高中生物学中，有许多微观且十分不易理解的结构、物质以及反应过程，比如细胞的结构、染色体的合成过程以及基因指导蛋白质的合成的过程等。学生主体思维的认知会限制他们去理解这些微观的物质与反应过程，而模型建构可以帮助学生更好地理解微观的物质和反应过程。建模教学正是以建构模型为核心内容的一种教学策略。模型的种类较多，主要包括物理模型、概念模型和数学模型，在本节课的教学中将会使用到物理模型。本节课的建模教学的基本步骤包括明确模型建构的目的、选择和使用合理的模型表征方式、建构模型、检验和评价模型、修正模型。

四、教学目标

1.通过展示科学史料，运用归纳与概括、演绎与推理的方法，引导学生得出RNA是DNA分子的信使，并通过科学史料的学习使学生认识到科学研究的严谨与不易。

2.运用模型与建模的方法，以小组为单位，引导学生制作、运用、修正以及评价模型，理解DNA是如何将遗传信息传递到RNA的，总结出转录的概念。

3.通过转录过程的学习，认识细胞生命活动的基本规律和科学研究的重要性，在建构模型的过程形成批判性思维和创造性思维，培养严谨创新的科学态度与精神。

五、教学过程

（一）创设真实情境，导入新课

教师给学生介绍我国是世界上最大的棉花生产国和消费国并展示棉花遭受病虫害的图片，以此为背景向学生科普科学家将苏云金杆菌抗虫蛋白基因转入普通棉花植株中，会产生Bt抗虫蛋白，并表现出相应的性状。教师提问：“为什么我们导入的是基因却得到了蛋白质呢？基因与蛋白质之间又有什么样的关系呢？”结合初中学过的生物学知识，学生知道生物的性状是由基因控制的，此时教师再次提问：“基因是如何控制生物的性状的？”学生结合课前预习的教材知识，得出基因通过指导蛋白质的合成进而实现对生物的性状的控制，由此展开本节课的学习。

设计意图：以现实生活中的转基因抗虫棉导入新课，吸引学生的注意力和激发学生的学习兴趣。学生本身就觉得转基因作物是很神秘的存在，教师通过生物学知识将学生眼中“神秘”的知识真实化，在充分激发学生求知欲和学习兴趣的同时也明确了本节课的学习目的。而转基因作物在后面的学习中也会接触到，该情境为基因工程的学习奠定了基础。

（二）论证RNA是DNA分子的信使

首先，教师引导学生回顾知识，让学习知道DNA分子主要存在于细胞核中，而蛋白质是在细胞质中合成的。其次，教师针对遗传物质的产生场所和蛋白质的合成场所提出问题：“细胞核基因中的遗传信息是如何传递到核糖体的？”最后，教师引导学生积极思考，小组讨论并提出自己的主张。主张1：DNA从细胞核移出到核糖体指导蛋白质的合成。主张2：核糖体进入细胞核，DNA直接指导蛋白质的合成。主张3：存在某种物质作为中间信使，将DNA的遗传信息传递给核糖体。教师就各小组提出的主张进行分析，引导学生回忆之前学过的蛋白质与核酸部分知识，并为学生展示资料1：DNA分子的直径约为2 nm，核糖体是圆形颗粒，直径约23 nm，细胞核的核孔只有0.9 nm。学生借助资料1整理修正自己的主张：DNA与蛋白质之间一定存在某种中间物质，其将遗传信息传出细胞核。

通过以往的学习，学生不难推测出该中间物质是RNA，教师为学生展示资料2：克里克向RNA Tie Club分发了一份题为“退化模板和适配器假说”的说明，并在论文《论蛋白质合成》中提出了RNA 是信使物质的假说。这则材料肯定学生的推测。教师继续提问：“我们如何证明RNA是DNA的信使呢？”待学生小组讨论之后，教师为学生展示资料3：1955年，布拉切特以洋葱根尖和变形虫为材料进行实验，用RNA酶分解细胞中的RNA，蛋白质的合成就停止了；如果再加入酵母中提取的RNA，蛋白质又开始合成了。引导学生得出结论：蛋白质的合成与RNA有关。

教师展示资料4：1961年，布伦纳等科学家经过实验发现，用噬菌体侵染细菌，在培养基中添加含14 C 标记的尿嘧啶，培养一段时间后，把细菌裂解离心，分离出RNA与核糖体，分离出来的RNA有14 C 标记；将分离得到的RNA分别与细菌的DNA和噬菌体DNA混合在一起，慢慢冷却，发现 RNA 只能与噬菌体DNA中的一条单链结合形成DNA—RNA双链杂交分子。教师提问：“为什么14 C 标记的RNA只能与噬菌体DNA中的一条单链结合形成DNA—RNA双链杂交分子呢？”学生经小组讨论之后得出结论：RNA是以DNA的一条链为模板合成的。

由此，教师通过以上资料逐步证明RNA确实是DNA分子的信使，证实了学生的假设是正确的。

设计意图：该部分的重点在于如何证明RNA是DNA分子的信使，要让学生切实体会任何假说与推测都是需要大量的证据去证明的，而通过展示真实的科学史料，学生能感受到科学家探索科学本质时所运用的思维方式，明白科学的严谨性。同时，通过一步步地论证，可以很好地培养学生的逻辑思维能力以及辩证思维能力，提升学生的核心素养。

（三）建构模型，归纳转录的概念，理解转录的过程

1.阅读教材内容，初步建构模型

首先，教师带领学生回忆DNA复制的知识点，借此提出问题：“转录的场所、原料、模板、能量和酶又是什么呢？”学生带着问题去阅读教材，小组讨论得出答案。通过类比推理，教师与学生共同得出转录的概念：RNA是在细胞核中，通过RNA聚合酶以DNA的一条链为模板合成的，这一过程叫作转录。

其次，教师拿出事先准备好的已解旋的Bt基因片段、不同颜色及形状的小卡片所代表的五种核苷酸（A、G、C、U、T）以及椭圆形状的RNA聚合酶，让学生回忆DNA复制的过程，阅读教材第65页的图4-4，并以小组为单位用手中的材料模拟Bt抗虫蛋白基因转录出Bt信使RNA的过程，即尝试用模型建构的方式去表达转录的过程。在学生分组建模的过程中，教师及时观察各小组建模的情况，对有问题的小组给予适当的提示与指导。

最后，教师让两个学生代表在黑板上展示各自小组得到的Bt信使RNA单链，并让其他小组的学生提出问题，教师再进行总结：（1）在转录过程中遵循的碱基互补配对原则是怎样的？A应该与谁配对？（2）转录过程中RNA聚合酶的移动方向是怎么样的？

2.观看视频，寻找答案，修正模型

教师播放转录过程的视频，学生带着问题去观看视频。通过观看视频，学生得出答案：A与U配对而不是与T配对；RNA聚合酶的移动方向就是转录的方向，以3′—5′方向沿着DNA的模板链移动。

学生从视频以及其他同学的回答中发现自己小组所制作的模型存在的问题，并对所建构的模型进行修正与完善。

教师先请不同的小组展示自己的模型，简述转录的过程，说出得到的mRNA的碱基序列，然后与学生共同总结出转录的一般步骤：解旋—配对—连接—释放。教师再次提问：“DNA双链中的任意一条链都可以成为模板链吗？哪一条链才能指导相应的Bt抗虫蛋白基因的合成呢？”

3.小组讨论，加深对转录的理解

各小组学生就教师提出的问题进行思考讨论，进而得出结论：对于一个确定的DNA分子，转录的模板链是确定的，一般是以位于启动分子下游的3′—5′方向的链为模板链；只有模板链才能转录出具有相应遗传信息的mRNA，进而指导相应的Bt抗虫蛋白基因的合成。

最后，教师提示学生在课后继续查找其他种类的转基因作物，在拓宽学生知识面的同时，为基因工程的学习打下坚实的知识基础。

设计意图：教师运用类比与推理的方法，通过类比DNA的自我复制时所需要的场所、原料、模板、能量和酶来引导学生总结出转录所需要的场所、原料、模板、能量和酶，进而归纳概述出转录的概念。转录的过程是比较抽象的动态变化过程，而模型的建构可以将抽象的过程具象化，通过模型的建构，模拟Bt抗虫蛋白基因转录出Bt信使RNA的过程，加深学生对转录的过程和实质的理解。在学生不断展示模型的过程中，教师引导学生对模型进行修正与完善，使学生层层深入地理解基因表达的本质。而在教师引导学生发现问题、解决问题的过程中，学生的批判性思维和学科素养得到了很好的发展。

六、教学反思

“基因指导蛋白质的合成”是在第三章“基因在哪里”以及“基因是什么”的问题的基础上提出的。在“转录”一节的教学中，学生通过动手模拟转录的过程，将抽象的生物学知识转变为真实可见的模型；学生发现问题，通过小组合作思考讨论并解决问题，建构转录的概念，加深对转录过程的理解，从而完成本节课的学习目标。实施建模教学可以有效锻炼学生的动手能力，培养学生的科学思维。在建模教学策略的实施中，首先，教师要改变边讲边做的传统教学模式，要注重设计建模方案，掌握建模教学策略。其次，除了需注意模型的科学性、严谨性，教师还要重点关注学生的学习情况，小组合作学习中不免有学生出现注意力不集中的情况，没有真正参与到学习中，因此教师需要引导学生积极主动地参与建构模型、修正模型及评价模型等活动。最后，教师要对有问题的小组及时进行正确的引导，不能让建模过程中出现的错误概念留在学生的脑海中，影响学生对正确知识内容的学习。只有这样才能够让学生由浅入深，逐步建构知识框架，促进学生的深度学习。

［   参   考   文   献   ］

［1］  田敏.基于科学史论证和模型建构的深度教学策略探究：以“基因指导蛋白质的合成”（第1课时）为例［J］.中学生物学，2023（2）：59-61.

［2］  赵萍萍，刘恩山.新课程标准理念下的高中生物学建模教学策略［J］.生物学通报，2019（2）：10-14.

［3］  谭永平.高中生物学新课程中的模型、模型方法及模型建构［J］.生物学教学，2009（1）：10-12.

［4］  蒋进，李椿.“建模—析模—用模”策略在生物学教学中的运用［J］.生物学教学，2019（6）：17-19.

［5］  周献辉，高武斌.从生物学建模教学谈学生科学思维的培养：以“DNA双螺旋结构模型”的构建为例［J］.中学生物教学，2021（2）：27-29.

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

［7］  谢冬梅.基于科学史实发展科学思维的教学设计：以“基因指导蛋白质的合成”第1课时为例［J］.生物学教学，2022（4）：55-56.

（责任编辑 黄春香）