高中生物学项目式建模教学实践与研究——以“基因指导蛋白质的合成”复习教学为例

石进德 谢雪锦

（1.厦门市杏南中学，福建 厦门 361024；2.厦门市松柏中学，福建 厦门 361012）

《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020 年修订）》（下文简称课程标准）明确要求学生在高中生物学学习过程中逐步发展科学思维，能基于生物学事实和证据运用模型与建模等方法，探讨、阐释生命现象及规律”。［1］教师应创设真实的问题情境引导学生开展建模活动，促进学生像科学家那样，应用模型与建模进行思考、表达与交流。［2］项目式学习具有融合性，通过创设真实的问题情境，引导学生以制作作品的形式，建立、理解与应用重要概念及大概念，发展实践创新能力。［3］根据项目式学习理念及建模教学要求，在高中生物学教学中，笔者尝试引导学生开展项目式建模活动，促进学生深刻理解生命现象及其规律，提升科学思维能力与建模能力，发展生物学学科核心素养。本文以“基因指导蛋白质的合成”复习教学为例，探讨高中生物学项目式建模教学策略。

一、概述高中生物学项目式建模教学策略

根据“核心素养为宗旨、内容聚焦大概念、教学过程重实践”等高中生物学课程基本理念，以及课程标准对有关“基因指导蛋白质的合成”教学建议与学业要求，创设真实的问题情境，引导学生开展项目式建模活动，说出DNA 与RNA 分子的区别、RNA 的分类与作用；尝试以DIY 制作尺度模型，概述遗传信息的转录和翻译过程，树立结构与功能观。通过比较分析DNA 的碱基、mRNA 的碱基与氨基酸之间的对应关系，构建数学模型，并解释三者间的数量关系。建构概念—过程模型，探究遗传信息传递的一般过程，认同科学是不断发展的，建立生物进化观以及生命是物质、能量和信息的相统一等生命观念（图1）。

图1 “基因指导蛋白质的合成”项目式建模教学

二、例析高中生物学项目式建模教学策略

（一）明确项目式建模学习任务

以糖尿病患者需要每天注射一次胰岛素的常规治疗方法，创设真实的问题情境：如何降低用药频次，解决糖尿病患者每天注射的不便？并介绍国内已上市的每周注射一次、治疗糖尿病的艾塞那肽，其是胰高血糖素样肽-1（简称长效GLP-1）。为了生产长效GLP-1，应通过基因修饰与改造，形成长效GLP-1 基因，运用转基因技术将GLP-1 基因导入酵母菌或大肠杆菌，使其在酵母菌或大肠杆菌中得到正确表达，实现快速、大量生产。

密切联系现实生活，通过创设问题情境及研究背景介绍，促进学生明确项目式建模学习任务，导入本节“基因指导蛋白质的合成”复习教学。

（二）建构项目式GLP-1 合成模型

根据有关尺度模型、数学模型、概念-过程模型等生物模型及其建模教学研究成果［4］，引导学生以数学为基础，在构建系列GLP-1 合成模型过程中思考与讨论：长效GLP-1 基因转录和翻译所需的原料、场所、条件及产物，降血糖技术，DNA 碱基、RNA 碱基与氨基酸之间的数量关系等科学、技术及数学方面问题，帮助学生复习有关生物学知识与技术方法，提高建模能力。

1.建构长效GLP-1 基因转录与翻译尺度模型

尺度模型是依据一定的比例直观地表征生物体某一结构。［4］指导学生分四个阶段建构长效GLP-1 基因转录与翻译尺度模型，目的是化抽象为具体，促进学生比较分析遗传信息复制、转录及翻译，理解转录与复制的异同点。

（1）建构长效GLP-1 基因转录与翻译尺度模型配件。学生根据尺度模型建构要求，绘制基因指导蛋白质合成模式图，制作电脑动画，模拟长效GLP-1 基因的转录和翻译过程。接着，引导学生讨论、发挥想象，选择硬纸片、磁贴、双面胶及黏合剂等材料，根据各自绘制的基因指导蛋白质合成模式图，制作相应的mRNA 链、tRNA、解旋酶、碱基等配件剪纸，并在剪纸后面粘上磁条备用。

（2）展示长效GLP-1 基因转录与翻译尺度模型。学生代表以板书阐述长效GLP-1 基因指导长效GLP-1 合成过程，并利用自制的长效GLP-1 基因转录与翻译尺度模型配件，展示DNA 双链在解旋酶的作用下形成两条DNA 单链，DNA 单链在RNA 聚合酶的作用下，根据碱基互补配对将游离的四种核糖核苷酸形成mRNA，mRNA 经翻译形成长效GLP-1。同时，展示自制的基因指导蛋白质合成动画模型，模拟长效GLP-1基因的转录与翻译过程。

（3）讨论与交流。创设问题情境：生物体保证蛋白质快速合成的机制是什么？原核生物与真核生物在转录和翻译方面有何异同？转录时mRNA 模板链是否随机的？引导学生思考与讨论。学生代表展示长效GLP-1 基因转录与翻译尺度模型的同时，阐述一个mRNA 上可以相继结合多个核糖体，并合成多个肽链，保证蛋白质高效合成。促进学生理解真核细胞是先转录后翻译，而原核细胞是边转录边翻译的，并非随机的。

（4）模型评价与修正。指导学生围绕上述三个问题对展示的长效GLP-1 基因的转录与翻译模型进行评价与修正。有学生提出该模型主要存在以下五个方面错误，如转录时DNA 片段全部进行解旋；翻译时仅一个核糖体移动，没有体现多个核糖体的移动；没有考虑tRNA 有长臂和短臂之分，无法确认反密码子的方向。没考虑mRNA 进入到细胞质后的降解问题，以及转录和翻译过程能量变化问题。并要求学生课后修正，下节课上检查修正情况。

2.建构长效GLP-1 基因转录与翻译数学模型

高中生物数学模型是指应用一定的数学形式描述生命本质、生命规律、生物结构与功能关系。［5］构建数学模型有利于启迪学生的科学思维，学会应用数学模型揭示事物本质。

根据学生构建、展示与评价长效GLP-1 基因转录与翻译尺度模型存在的问题，创设问题情境：在基因表达过程中DNA 碱基、RNA 碱基与氨基酸之间存在怎么样的数量关系？如果转录后的mRNA 第五个碱基为U，则其反密码子、转录的肽链碱基、翻译形成的蛋白质中的氨基酸间存在怎样的关系？指导学生讨论分析，得出mRNA、反密码子、肽链的碱基排序，同时推导出DNA 的碱基数：mRNA 的碱基数：氨基酸数=6:3:1。继续追问：DNA 的碱基数：mRNA 的碱基数：氨基酸数=6:3:1 是否完全正确？引导学生质疑：该比例关系应考虑有终止子的存在，DNA 的碱基数是＞6n，mRNA 是＞3n，应表述为“至少”，从而构建出数学模型：DNA 的碱基数：mRNA 的碱基数：蛋白质中氨基酸数=6n（至少）:3n（至少）:n 促进加深学生对DNA 分子结构、转录与翻译机制的认识，提高分析能力与解释能力。

3.建构长效GLP-1 基因转录与翻译概念—过程模型

概念—过程模型是应用文字、箭头等表征生物学概念的过程性。［5］有助于学生深入理解转录与翻译之间关系，提升对生命本质的认识。

指导学生依据长效GLP-1 基因转录与翻译尺度模型，尝试利用电脑制作长效GLP-1 基因转录与翻译概念—过程模型（图2）。并根据酶的专一性理解每种tRNA 只能识别并转运一种氨基酸，明确tRNA 如何与mRNA 相应的密码子结合、mRNA 如何决定翻译的起始与终止及肽链氨基酸序列。同时，指导学生相互质疑、评价长效GLP-1 基因转录与翻译概念—过程模型存在的问题，促进学生形成生物进化观、生命是物质、能量和信息的相统一等生命观念

图2 长效GLP-1 基因转录与翻译概念—过程模型

（三）GLP-1 合成模型拓展

模型构建是一个复杂的、循环反复的过程，有必要拓展项目式建模教学成果，促进学生发展生物学学科核心素养。

例如，创设问题情境：选择适当的模型方式比较真核生物和原核生物在基因表达的过程中的异同？如果长效GLP-1 基因中一个碱基对发生替换,是否会改变疗效？引导学生深入地思考与探讨，归纳密码子结构特点，理解密码子的简并性，为复习基因突变的低频性特点打下基础。

应用项目式建模教学策略，创设真实的复习情境，指导学生建构长效GLP-1 基因转录与翻译尺度模型、数学模型及概念—过程模型，促进学生深度复习转录、翻译及中心法则等生物学重要概念，认识各种生物遗传信息表达的共同特点，树立生物进化观以及生命是物质、能量和信息的相统一等生命观念，发展生物学学科核心素养。

目前，项目式建模教学存在的主要问题是学生建模能力较弱、创新意识不强、知识储备不足等。因此，教师课前应充分准备有关建模材料，课堂教学中适时指导与评价，加强模型与建模知识与能力的培养，促进项目式建模教学高效、有序地进行。