基于科学史开展深度学习的教学设计——以“基因指导蛋白质合成（第1课时）”为例

基于科学史开展深度学习的教学设计——以“基因指导蛋白质合成（第1课时）”为例

许芸

北京市铁路第二中学    100045

摘要：在“基因指导蛋白质合成（第1课时）”的教学中，分析丰富的科学史资料，主动建构转录的一般过程。并基于“mRNA假说”实验，结合所学，在教师的引导下，利用“假说-演绎法”，在充分讨论的基础上，设计实验、预期结果并证实假说。在主动建构知识的过程中，培养学生综合运用遗传学相关知识解决问题的能力，提升科学思维和科学探究的生物学学科核心素养，感悟科学研究的严谨性和求真探索的实证精神。

关键词：科学史；深度学习；转录

“基因指导蛋白质合成”过程的揭示从分子水平阐明了基因的功能，是遗传学和分子生物学发展史中的里程碑事件［1］。本节课以“基因指导蛋白质合成——转录”为主要内容，基于课程标准，利用丰富的科学史资料，设置具有挑战性的学习主题，使学生全身心积极参与，有助于学生对科学本质的理解。

1 教材分析

“基因指导蛋白质合成”是人教版高中生物必修二《遗传与进化》第四章第一节的第1课时。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》的相关内容要求为：3.1.4概述DNA分子上的遗传信息通过RNA指导蛋白质的合成。在教学提示中要求教师应创造条件，引导学生从生活经验中发现和提出问题，学习有关概念、原理。并指出科学是一个发展的过程。学习生物科学史能使学生沿着科学家探索生物世界的道路，理解科学的本质和科学研究的思路和方法，学习科学家献身科学的精神。这对提高学生的生物学学科核心素养很有意义。［2］

本节课以转录过程的发现为主线，基于学生原有的对“DNA是主要遗传物质”以及“DNA半保留复制”等相关科学实验的学习，对转录相关的科学史实验进行整体设计，设置有挑战性的任务，提升学科素养。以科学史资料为载体，以实验分析为手段，主动获取知识，建构知识框架，提升科学思维；利用“假说-演绎法”，深度参与“mRNA假说”的猜想和证明过程，提升科学探究素养，感悟科研精神。

2 学情分析

通过之前的学习，学生已知基因可以控制性状、蛋白质体现性状以及基因的本质，对对“基因指导蛋白合成”的具体机制充满期待；同时具备了一定的实验设计和分析能力，特别对分子生物学相关实验的材料、方法等有了初步的了解，为本节课的学习和探究奠定了基础。但是高一学生的综合分析能力和设计复杂实验的能力不足。故此，在本节课中教师要认真编辑科学史资料，同时在学生讨论过程中注意积极引导，以帮助学生形成严谨的逻辑思维，准确建立概念间的联系，提升科学探究能力。

3 教学目标

通过学习转录的过程，阐明遗传信息从DNA向RNA的传递过程，初步形成生命的信息观。

通过分析科学史资料，在已有知识的基础上，运用比较、分析、归纳、概况等方法，阐明转录的过程。

运用假说-演绎法设计探究实验，提升多角度多因素分析复杂事件的方法和能力。

通过分析讨论，提升创新意识，感悟实证精神。

4 教学重点与难点

教学重点：转录的过程

教学难点：设计实验验证“mRNA假说”

4 教学过程

4.1导入

回顾已有知识：基因能够控制性状，基因的实质是有遗传效应的DNA片段，而蛋白质是生命活动的体现者。从而引出第四章的学习内容。提出问题：DNA主要存在于细胞核中，而蛋白质的合成场所在核糖体，二者存在空间间隔，DNA或和核糖体是否可以实现空间转移？教师出示相关数据：DNA分子的直径约为2nm；核糖体颗粒状直径约为23nm；核孔直径约为0.9nm。

学生分析数据，自觉认同遗传信息从DNA流向蛋白质的过程中需要信使分子，明确学习任务。

设计意图：激发兴趣，引入课题。

4.2资料分析

学生阅读学案所给资料。

资料11955年，比利时细胞生物学家Brachet用洋葱根尖细胞和变形虫分别进行实验，发现加入RNA酶后细胞内的蛋白质合成终止；将从酵母菌中提取的RNA再加入，细胞开始重新合成蛋白质。

资料2  1956年，Elliot Volkin和Lawrence Astrachan观察到，用T2噬菌体侵染大肠杆菌，同时加入带放射性的32P -尿嘧啶核糖核苷酸，发现新的RNA分子产生后很快又消失。提取这些RNA分子发现，其内部各种碱基的相对比例与噬菌体DNA的非常相似，但是与大肠杆菌不同。

资料3  1958年, Marmur和Duty用侵染枯草杆菌的噬菌体SP8为材料（其DNA的两条链碱基组成很不平均，一条链富含嘌呤，另一条链富含嘧啶。已知：嘌呤比嘧啶分子量大，更重），利用核酸分子杂交技术（原理：碱基互补配对）检测杂交分子。培养过程中加入带放射性的32P-尿嘧啶核糖核苷酸，分离带有放射性的RNA，再分别与SP8噬菌体DNA的两条链进行杂交。过程如图1所示。                        图1 SP8噬菌体DNA-RNA杂交实验图解

资料4  1958年，Weiss和Hurwitz发现了一种能在DNA上完成RNA分子装配的酶系统，即依赖于DNA的RNA聚合酶；与DNA聚合酶相似，RNA聚合酶也只能将核糖核苷酸加在3’端。

上述科学史实验中涉及到“碱基相对比例、核酸分子杂交技术、变性复性”等相对陌生的内容，这就要求学生对核酸分子结构以及“噬菌体侵染细菌的实验”、“DNA半保留复制的实验”等经典分子生物学实验的一般原理和方法非常熟悉，在此基础上，对所学知识进行综合分析，得出结论，同时也是对教材核心内容的再次深度学习。

教师提出问题，引导学生在阅读资料的过程中进行深度思考。

问1：资料1-4分别可以得出什么结论

问2：资料2中，仅就 “提取到的RNA分子各种碱基的相对比例与噬菌体DNA的非常相似”而非“完全相同”，能否得出准确的实验结论？

问3：资料3中“RNA-重链”杂交分子中的碱基互补配对的方式是什么？

设计意图：①通过问题引导学生主动回顾已有知识，结合资料深度理解并整合运用，在分析、讨论过程中，提升学科的科学思维能力；②训练获取信息和实验分析能力，引导学生主动建构知识。

4.3利用“假说-演绎法”，证实mRNA假说

4.3.1 提出假说

通过分析资料1-4，学生认同“RNA可以将DNA上的遗传信息从细胞核传递到细胞质”即有作为信使分子的可能，但还需证明“RNA是否进入核糖体”。学生结合所学，很容易想到实验方法——放射性同位素标记如32P-尿嘧啶核糖核苷酸，提取核糖体进行放射性检测。这里，为了简化后续设计复杂实验的难度，可以先行确定实验材料。可引导学生从方便提取核糖体的角度考虑，选择原核细胞，如大肠杆菌。参照前面资料，简要说出实验过程，并绘制过程图。

教师引导学生回顾必修1所学：核糖体的主要成分就是蛋白质和RNA，并引导学生思考，如果是核糖体RNA就是信使RNA分子，则细胞会不断产生新核糖体；否则，信使分子产生进入的就是旧核糖体。由此学生提出mRNA假说，即新产生的mRNA进入旧核糖体，胞内无新核糖体产生。

设计意图：对复杂实验进行分解，引导学生结合所学尝试提出假说，培养创新意识，提升科学思维。

4.3.2 设计实验

此环节是本节课的难点。为此，教师设计如下问题，引导学生展开讨论，个个击破，并及时以简图的形式进行整理，帮助学生理清实验思路。

问1：怎样刺激细胞合成新的信使RNA，产生“新”核糖体？

学生分组讨论，注意引导学生联系关注“全新”的RNA，以确定实验材料即噬菌体侵染大肠杆菌。要求学生将实验流程补充在学案上。

问2：用什么方法区分“新、旧”核糖体？

结合所学，明确实验方法——密度梯度离心法，即需要在原有培养基中添加14N，更换培养基后加入15N。注意，这里要求学生讨论说明，添加14N、15N的是哪种标记物。其目的是，要让学生明确所谓“新、旧”核糖体的来源到底是什么？如果有新核糖体产生，即新的RNA要与相关蛋白质重新组建，故此，加入质量不同的氨基酸，可以形成质量不同的“新”核糖体。讨论后，再次补充实验流程。

问3：本实验共需要检测几个因变量？

本实验主要涉及2个因变量，即放射性检测RNA是否进入核糖体，以及离心检测核糖体是否有更新。学生再次整理思路，完善实验流程。

最后，呈现1961年科学家证实mRNA假说的实验过程图解（图2）。

图2 Brenner、Jacob和Meselson 实验图解

设计意图：每一个问题都是一个相对独立的小实验，都需要学生综合运用所学，整合大量信息。学生在主动探究的过程中提升科学探究素养，培养科学思维。结合教师的适时引导，串联起每个小实验，分步完善流程图，激发进一步学习的欲望。

4.3.3 演绎推理

结合实验过程图，学生将演绎推理得到的两组实验结果绘制在学案上（图3）。并进行交流展示。

图3 实验结果

4.3.4 验证假设，得出结论

教师出示科学家的实验结果，证明mRNA假说成立——即mRNA是不用于核糖体RNA的信使分子，可以将DNA的遗传信息从细胞核传递给核糖体，进而指导蛋白质的合成。

最后，出示资料“美国科学家 罗杰·科恩伯格所带领的研究组，历时10年，利用X射线拍照，明确了相关原子在RNA分子中的位置，于2001年获得了完整的RNA分子结构。他本人也因此荣获2006年诺贝尔化学奖。”

设计意图：完善探究过程，体验成功的乐趣，感悟科研精神。

4.4 归纳小结

出示转录过程的flash动画，要求学生自主归纳转录过程发生的条件：场所、模板、原料、酶、原则、方向等，总结转录的定义，明确转录的产物主要掌握三种RNA即mRNA、tRNA和rRNA。进而引出第二课时的内容。

设计意图：归纳总结，建构知识，延伸学习。

5教学反思

本节课为北京市西城区高一研究课，以寻找“信使RNA”为主题，以科学史资料为载体，在教师引导下，启发学生积极思考并归纳总结，在知识的获得上有猜想、有实证、有结论；运用假说-演绎法，充分发挥科学史中经典实验的价值，引导学生主动探究，重视学生的获得感，让学生体验科学探究的乐趣，提升学科核心素养。

参考文献：

［1］郜金荣.《生物科学生物技术系列--分子生物学(郜金荣)》.北京:化学工业出版社，2011：11,157

［2］中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版）.北京：人民教育出版社，2018：7，8,37.

作者简介：许芸，女，1981年11月，中学一级教师。