《基因指导蛋白质的合成》第一课时教学案例

邱俊杰

摘 要：科学史中蕴含了丰富的教学资源。在学习《基因指导蛋白质的合成》的过程中沿着科学家的探究轨迹开展思维活动，有助于学生科学思维的发展。

关键词：科学史;科学思维;教学案例

具备科学思维的学生能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维等方法，探讨、阐释生命现象及规律。在生物学科学史中有着丰富的案例，合理选用可很好地发展学生的科学思维能力。

一、案例背景

《基因指导蛋白质的合成》一课介绍了基因中的遗传信息控制生物性状的过程。教师在教学中，依次介绍转录、翻译的概念，分析各自的场所、原料、模板等，固然可以取得比较好的教学效果，但对于学生的科学思维训练不足。科学家在揭秘基因指导蛋白质的合成的过程中，合理假设、大胆推理、设计实验、得出结论，这些都是发展学生思维能力的良好素材。

因此，本课设计为以遗传密码的破译为切入口，用科学史设计思维活动，引领学生逐步揭开遗传信息的传递过程，让学生在形成生命观念的同时养成科学思维的习惯。在教学活动的设计上依据思维规律逐步提出问题，在学生作出假设的基础上再呈现科学史实验加以验证，引导学生得出与科学家相近的结论，从而激发其学习兴趣，锻炼其科学思维能力。

二、案例过程

1.创设情境

教师播放一组图片：袋装淀粉酶、肌肉、鸡蛋白、胰岛素。提问：你能说出这些生活中的物品是什么吗？学生七嘴八舌地说完，教师再问：他们主要都是由什么化合物构成的？这次学生的意见很统一：蛋白质。教师继续提问：为什么都是蛋白质，但表现出的形态和功能各不相同呢？这是由什么决定的呢？教室里安静了下来，学生在思考。教师揭晓答案：蛋白质的多样性是由DNA中的遗传信息决定的，科学史上破译遗传信息的过程就像破译电报密码一样，是个复杂的过程，今天就让我们当一次小小科学家，沿着前人的足迹一起探索。

2.像科学家一样思考

教师：我们知道携带有遗传信息的DNA主要储存于细胞的

细胞核中，蛋白质主要在细胞质中，那么细胞核中的遗传信息会不会直接跑到细胞质中指导蛋白质的合成？学生讨论后给出答案：DNA主要位于细胞核中的染色体上，染色体体积较大不能穿过核孔。教师赶紧追问：它们之间是否有一种物质充当“信使”呢？这个“信使”是什么呢？

思维活动一：谁是信使？

教师提供科学史一：1955年布拉奇特（Brachet）用洋葱根尖细胞和变形虫进行了实验。若加入RNA酶降解细胞中的RNA，则蛋白质合成就停止。若再加入从酵母菌中提取的RNA，则又可以重新合成一些蛋白质。教师提问：根据以上科学实验，你能提出何种假设呢？

学生分小组展开热烈的讨论，并作出假设：RNA可能是传递遗传信息的物质。教师继续提问：可以用什么方式来验证这个假设呢？教室里陷入了沉默，显然学生答不上来。教师提示：如果的确是RNA在传递遗传信息，它在细胞中的移动轨迹应该是什么方向呢？我们有什么方法看到RNA在细胞中的移动轨迹呢？教室里恢复了生机，学生一下子反应了过来：可以用放射性同位素标记RNA，观察放射性物质的移动轨迹是否从细胞核到细胞质。

教师提供科学史二：1955年戈德斯坦（Goldstein）和普劳特

（Plaut）用同位素标记RNA前体，发现放射性同位素都在细胞核内。经过一段时间，发现放射性同位素出现在细胞质中。学生看到自己的设想被科学家们用实验验证了都很满足，并得出结论：这表明RNA在细胞核中合成，之后转移到细胞质内，RNA成为在DNA和蛋白质之间传递信息的最佳候选者。于是师生共同学习了RNA分子结构的相关知识，并与DNA的分子结构做比较。

思维活动二：遗传信息如何传递？

教师提问：RNA与DNA的结构有何相似和不同？学生仔细观看DNA和RNA的结构示意图后回答：RNA和DNA的基本单位都是核苷酸，区别在于核苷酸种类不同，另外DNA是双链结构，RNA是单链结构。

教师继续提问：RNA结构上的这些特点使它如何能传递DNA的遗传信息？学生回答不上来，教师赶紧转换问题：DNA是如何把遗传信息传给下一代DNA的？這个问题学生能答上了：按照碱基互补配对原则，进行半保留复制。教师问：那RNA的合成有可能类似吗？学生表示有可能，但希望看到证据。

教师提供科学史三：施皮格尔曼（S.Spiegeman）的分子杂交实验，大肠杆菌被T2噬菌体感染后新合成的RNA只能与噬菌体的DNA相配对形成“杂种”链，细胞内的其他RNA则不能与T2噬菌体DNA杂交。学生分析：能配对，证明新合成的RNA是由T2噬菌体DNA编码的。

学生推测：RNA的合成类似于DNA分子的半保留复制，按照碱基互补配对原则进行，因此可以获得DNA的“编码”。于是教师播放转录动画，师生共同学习转录的概念和过程。

思维活动三：几个核苷酸决定一个氨基酸？

教师：遗传信息从DNA传递到RNA再传递到蛋白质，基本单位由4种核苷酸变为了20种氨基酸。那么几个核苷酸决定一个氨基酸呢？对此问题学生有些茫然，不知从何下手。

教师提供科学史四：伽莫夫（Gamow）的假设，如果1个核苷酸决定1个氨基酸就只能决定1种，如果2个核苷酸决定1个氨基酸就只能决定16种，如果3个核苷酸决定1个氨基酸就能决定64种。

学生反应了过来：这不就是排列组合吗，至少3个核苷酸决定一个氨基酸才能超过20种呀。教师追问：那可能由四个或更多的核苷酸决定一个氨基酸吗？学生说必须通过实验才能分析。

教师提供科学史五：五十年代中期，斯坦福大学的耶洛夫斯基在研究某种酶的时候，发现控制这种酶的DNA片段大约有1000多个核苷酸的长度，转录形成的mRNA具有1000个碱基，但合成的这种酶大约由280个氨基酸组成。学生推测：从比例关系来看，决定一个氨基酸的应该是3个而不是4个核苷酸。教师继续提出问题：核苷酸与氨基酸的比例不是严格的3∶1，如何确定的确是3个核苷酸决定1个氨基酸？

教师提供科学史六：克里克发现在mRNA上添加1个或2个

核苷酸会使得整条肽链出错，而添加3个核苷酸只会使得肽链多一个氨基酸而不会改变其他位置的顺序。学生：由此推断，一个氨基酸是由mRNA的3个核苷酸决定的。师生共同学习密码子的概念。

思维活动四：每种密码子对应哪种氨基酸？

学生提出疑惑：我们知道了遗传信息由DNA传递至mRNA的过程，也知道了mRNA上的密码子可以决定蛋白质中的氨基酸，但是每种密码子分别对应哪种氨基酸呢？教师：尼伦伯格设计了一个精彩的实验，让我们一起阅读教材。想一想，多聚U相当于什么？多聚U上的密码子是什么？学生讨论后表述：多聚U相当于mRNA，其上的密码子为UUU。教师追问：如果UUU为密码子，那么多聚U控制合成的多肽链应由多种氨基酸构成还是同种氨基酸构成？

学生热烈的讨论后作出假设：密码子相同，氨基酸也应该相同。教师：尼伦博格的实验验证了大家的假设，多聚U只在含苯丙氨酸的试管中合成了多肽，说明了什么？学生马上说道：UUU是苯丙氨酸的密码子之一。教师：经过科学家们的不懈努力，1967年20种氨基酸的密码子全部破译。师生共同学习密码子表。

教师：由mRNA上的密码子控制的多肽链的形成过程，我们将在下节课沿着科学家们的足迹，继续学习。

三、案例反思

1.科学史实验让学生体验思維过程

本课设计时选用了几个科学史上的实验，将科学家们对遗传信息控制生物性状的推理过程逐步呈现在了学生面前。教学过程上，用四个思维活动提升学生思维品质，发展学生的辨别、评价、创造等高阶思维能力。体验科学探究的过程，像科学家一样提出问题、分析问题、作出假设，验证假设，得出结论。同时，在探究的过程中，建构起相关的知识框架，如RNA结构、转录的过程、密码子等。

从课堂反馈来看，学生对这种教学设计很感兴趣，从前半节课怕动脑筋不知道如何下手到后半节课主动问老师科学家们是怎么做的，兴趣越来越浓。特别是当自己的假设得到科学实验验证的时候，教室里常响起“你看看，我说的吧”“所以啊，我的推理是正确的”等声音，学生的满足溢于言表。在验证遇到困难的时候也愿意和同学商讨实验方法，或从科学家的设计中汲取营养，恍然大悟。

这种科学史引领思维的课堂在遗传与进化模块中许多地方可以使用，如探索遗传物质的过程、DNA的分子结构、基因突变等。合理地使用科学史可以使学生更认同科学家的工作，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题。

2.有效的问题串帮助学生越过思维障碍

在科学史教学过程中，教师发现受认知水平的限制，有些预设的问题学生是答不上来的，于是及时变通，转化问题，用之前学习的知识为学生搭建台阶，顺利地帮助学生越过了思维障碍。例如直接问学生RNA怎样合成，学生不知如何回答。教师于是赶紧转换问题，引导学生通过RNA与DNA分子结构的类比，推测出RNA的合成过程可能类似于之前学习过的DNA的复制过程，再通过展示科学史实验使学生的思维得到了最有力的肯定。

引导学生得出结论固然是教学的根本，但同时应该注重用问题引导学生的思维过程。高一的学生面对需要抽象思维的问题时，大多会感觉茫然，无从下手，因此以问题驱动探究，为学生搭台子铺路子就成为课堂上的重点。一方面要根据学生的反应不断更新问题，另一面要帮助学生归纳总结他们想要表达的实验设计思路。在逐步引导学生设计实验的过程中，完成对知识的建构过程。

3.科学史教学中需要解决的问题

首先是如何解决学生的思路和科学家不一致的问题。因为是开放性的设计实验，学生在课堂中也提出了一些自己的想法，如为什么只有一条DNA链能作为转录模板，想探究另一条链的作用;如想研究各种酶在传递遗传信息中的作用等。这些问题看起来与课堂主题无关，实际却是学生基于自身的知识基础提出的实实在在的问题。教师不应该否定他们的观点，而应肯定他们的积极思维，同时引导他们回到预设的主线上来。与学生的思辨过程也是教师的进步过程。

其次是课堂参与度的问题，在引导学生思维的过程中也发现有部分学生参与思维活动的积极性不高，引导小组讨论的过程中不愿参与活动的学生参与讨论，调动班级整体活力，是需要不断思考和尝试的问题。

编辑 杜元元