基于“假说-演绎”法和SNP教学模式的教学设计

摘 要：本文以高中生物学“基因指导蛋白质的合成”一节内容为例，基于教材内容和《课程标准》的学业要求，利用“假说-演绎”法和SNP教学模式开展“遗传信息的翻译”这一课时的教学设计，让学生体验科学家的研究历程并进行模型构建，有效提升学生的科学探究、模型与建模能力，以期在此过程中转变学生被动学习的习惯，形成自主合作式学习意识。

关键词：“假说-演绎”法；SNP教学模式；模型构建；科学论证

文章编号：1003-7586（2024）10-0039-04 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

科学协商教学法（Science Negotiation Pedagogy，简称SNP），是一种整合模型构建和科学论证的教学模式，该模式包括创设驱动性问题、各小组初步构建模型、各小组初步构建论证、面向全班讨论模型和说明论证过程、修改模型和论证、咨询专家和反思性写作6个阶段。^［1］“模型与建模”“审视或论证”属于《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）提出的科学思维要求，SNP教学模式基于小组合作形式开展建模与论证教学，小组间构建、交流、完善模型，学生在学习过程中既要学会建模，也要给出建模的理由，即进行审视或论证。由此可见，基于该模式的教学过程是培养学生模型与建模能力、审视与论证能力的有效途径。笔者尝试运用此模式开展“基因指导蛋白质的合成”一节内容的教学实践。

1 教材分析及设计思路

“基因指导蛋白质的合成”是人教版普通高中教科书《生物学·必修2·遗传与进化》（以下简称“教材”）第4章第1节的内容，在此之前学生已经学习了基因的本质，知道了DNA的结构和功能以及DNA的复制方式，并且能够通过对比DNA和RNA的结构，理解RNA作为信使的结构条件以及遗传信息转录的过程。

对于本节第2课时的内容，《课程标准》要求学生“能够概述DNA分子上的遗传信息通过RNA指导蛋白质的合成”，且学生应在该过程中理解生命是物质、能量和信息的统一体。遗传信息的翻译是一个相对微观、抽象、复杂的过程。因此，教师可在课堂导入环节先播放一段与转基因内容相关的视频，激发学生的学习兴趣，接着通过假说演绎、实验验证、模型构建和科学论证等环节，帮助学生深化对遗传信息翻译和“中心法则”的理解，发展学生的科学建模能力及论证能力。基于以上分析，本节课的教学思路如图1所示。

2 教学目标

（1）采用“假说-演绎”法及科学史资料中的实验证据，得出碱基和氨基酸之间的对应关系，发展科学思维能力及证据分析能力。

（2）基于小组合作的形式建模或论证教学过程，理解RNA指导的翻译过程，概述遗传信息的流动途径，发展模型与建模、审视与论证能力。

（3）能够运用遗传信息转录和翻译的相关知识解释转基因奶牛产生人类胰岛素的原理和过程。

3 教学过程

3.1 碱基和氨基酸之间的关系

3.1.1 创设情境，提出驱动性问题

教师播放视频资料：2024年3月17日，科学家将编码人类胰岛素的DNA片段插入10个奶牛胚胎的细胞核中，使得人类DNA在奶牛乳腺组织中表达，并最终产出含有人类胰岛素的牛奶，该技术一旦投入使用，有望解决胰岛素的成本问题。教师引导学生思考：“为什么转入的是基因，得到的却是蛋白质？”同时提出本节课的驱动性问题：“细胞核中的DNA如何指导蛋白质的合成？”

设计意图：教师从日常生活中的糖尿病知识入手，介绍人类目前在胰岛素合成方面取得的较大突破，并介绍转基因奶牛的产生过程，让学生置身于问题情境中，以问导学。转基因奶牛的科学史情境既能让学生了解医药科学前沿进展，又能激发学生学习兴趣，从而将注意力集中在本节课的驱动性问题上。

3.1.2 结合转录过程，进行假说演绎

学生回顾

本节第1课时所学的转录过程，发现以DNA为模板合成mRNA的过程遵循碱基互补配对原则，并且碱基之间的数量比是2∶1，教师由此提出疑问：在以mRNA为模板合成一定氨基酸顺序蛋白质的过程中，mRNA上的碱基是如何与蛋白质上的氨基酸顺序对应的？它们之间的数量关系是怎样的？教师先引导学生对碱基的数量关系进行思考，学生提出假说，教师给出提示“绝大多数生物体内，组成蛋白质的氨基酸有21种”，进而引导学生提出最合理的假说—“3个相邻的碱基决定1个氨基酸”。

教师继续引导学生演绎推理，“如果任意3个碱基随机指导1个氨基酸，那么在相关序列中任意增加或者删除1个或2个碱基，则无法产生正常功能的蛋白质”，并以英文字母序列“The fat cat ate the big rat”为例，引导学生思考随机增加或删减1个字母，该英文句子的含义是否会发生变化。接着教师展示克里克（F.Crick）的实验内容：T4噬菌体上的某个基因经过处理后，可以使DNA插入或脱落单个碱基，无论是增加或者减少碱基都可以引起整条DNA分子上碱基序列的改变。克里克研究小组发现加入或减少1个和2个碱基的噬菌体，无法产生具有正常功能的蛋白质，而加入或减少3个碱基的噬菌体，却可以合成正常功能的蛋白质。^［2］

设计意图：假说的提出应建立在一定的学科基础知识之上。学生在教师的提示下提出合理假说，并利用英文语句进行模拟演绎推理，能够将抽象概念具象化。在此基础上，教师继续给出实验资料，让学生在体会科学探究的一般思路过程中逐渐养成善于思考、善于分析的思维品质以及演绎推理的科学思维方式。

3.1.3 根据科学史资料，重温密码子破译过程

教师展示尼伦伯格（M.W.Nirenberg）和马太（J.H.Matthaei）破译密码子的实验资料：尼伦伯格和马太采用蛋白质体外合成技术，建立了5个反应体系，每个反应体系中分别加入4种不同的氨基酸，再加入除去DNA和mRNA的大肠杆菌提取液以及人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸。

教师引导学生根据资料分析实验，并提出问题：如果想进一步证明多聚尿嘧啶对应的是哪种氨基酸，接下来该如何操作？学生尝试说出接下来的实验设计，教师给出科学史资料，学生通过对比分析总结第一个密码子的破译过程。随后教师介绍“科学家沿着蛋白质体外合成的思路，破译出了全部密码子，并编制了密码子表”，引导学生关注起始密码子和终止密码子，分析密码子表的“简并性”和“通用性”等特点。

设计意图：教师将科学家的研究历程转化为学生在课堂上能够参与的学习任务，自主设计实验思路并说明理由，随后教师展示科学史内容，帮助学生掌握正确的科学知识和科学探究过程。

3.2 遗传信息的翻译过程

3.2.1 回顾本节核心问题，初步构建模型

教师再次提出问题：以mRNA为模板，合成蛋白质的具体过程是怎样的？教师介绍翻译过程所需的材料，组织学生

以小组为单位开展建模活动。学生尝试推断并构建转基因奶牛细胞中人类胰岛素合成的过程模型，包括翻译的起始、延伸和终止。

设计意图：教师通过问题驱动与模型构建，将抽象的遗传信息翻译过程具象地表达出来，有利于学生在小组合作探究的过程中，提升团队协作能力和模型构建能力。

3.2.2 各小组初步构建论证

各学生小组在建模过程中结合课前预习的相关知识，初步思考建模过程的证据和理由，并尝试回答以下问题：①翻译过程中连接氨基酸和mRNA的结构是什么？②在构建翻译的起始、延伸和终止的过程模型中，mRNA、核糖体、tRNA和氨基酸的位置有什么变化？（并给出适当的解释）③如何终止翻译过程？

设计意图：学生在构建模型的过程中，通过及时梳理自己建模的证据和理由培养自身的证据意识、审视或论证能力。

3.2.3 讨论模型和论证过程，修改模型和论证

建模活动结束后，小组选取学生代表上台展示本小组所建模型，并围绕建模原因向全班展开论证。在展示过程中，其他小组可提出问题，大家共同交流讨论，各小组根据讨论结果修改自己的模型和论证，具体过程如表1所示。

设计意图：在教师的引导下，师生之间、生生之间基于资料和证据展开讨论。学生在该过程中学会提炼资料中的关键信息为自己的论证提供支撑，并将其运用于表征模型。在讨论过程中，学生通过不断修正现有的模型和论证，使构建的模型更科学、更形象，同时加深自身对生物学概念的理解和掌握。

3.2.4 咨询专家和反思性总结

教师展示遗传信息翻译过程相关视频，学生观看视频后修正模型，结合转录的过程，概括人类胰岛素基因在奶牛细胞中的具体合成过程，并说出人类胰岛素基因转录和翻译的场所、模板、原料和条件，最终对本节内容进行总结和内化。

设计思路：教师通过展示科学、形象的翻译过程视频，引导学生对比自己构建的翻译模型、验证补充自己构建的过程模型细节并对模型进行修正。

学生利用转基因奶牛合成人类胰岛素的情境，总结转录和翻译的过程，提高在具体问题情境中运用知识以及归纳和概括的能力，加深自身对遗传信息翻译过程的理解。

3.2.2 补充资料，完善中心法则

教师展示两则资料：①肠道病毒EV-71为RNA病毒，能引起手足口病，图2为肠道病毒EV-71在宿主细胞内的增殖示意图，请据图归纳出肠道病毒的遗传信息进行传递和表达的途径；②1983年科学家证实，引起艾滋病的HIV（人类免疫缺陷病毒）是一种RNA病毒，图3为HIV感染人体的过程示意图，请根据示意图归纳出HIV感染人体过程的遗传信息流动途径。

学生通过分析资料，理解少数生物的遗传信息可以从RNA流向RNA，也可以从RNA流向DNA。教师最后总结：生命是物质、能量和信息的统一体。

设计思路：教师通过补充两则病毒增殖的具体资料，完善遗传信息的流动途径，帮助学生全面理解中心法则的含义并感悟生命是物质、能量和信息的统一体；通过在教学过程中渗透物质与能量观、信息观，培养学生的识图能力和信息分析能力。

4 教学反思

笔者应用SNP教学模式，结合教材内容创设问题情境并进行假说演绎、实验验证，最后完成模型构建，主线明确，逻辑清晰，将学生的被动学习转变为主动探究。笔者通过创设转基因奶牛合成胰岛素的科学情境，引导学生在问题驱动下进行主动学习，并以图文、视频和建模活动贯穿整个学习过程，以此突破本节的重难点。教师在建模过程中，需要引导学生像科学家一样基于证据进行推理，并面向全体师生进行讨论交流。本节课尚存不足之处，例如课程章节整体容量较大，学生需要不断梳理自己的观点和论证，耗时较长。

学生通过这节课的学习，能够从本质上理解遗传信息翻译的整个动态过程，深化对生物学概念的理解，提升建模和科学论证能力，最终达成生物学学科核心素养的提升目标。

参考文献

［1］邵迪.SNP在高中生物学模型构建教学中的应用［D］.上海：华东师范大学，2022：6-8.

［2］顾丽洁.基于HPS教学模式的“基因指导蛋白质的合成”教学设计［J］.生物学教学，2022，47（12）：44-47.