“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”(第一課時(shí))的教學(xué)設(shè)計(jì)

姚亭秀 趙 越

(北京市第八十中學(xué) 100102)

1 教材分析

“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”為人教版高中生物學(xué)教材必修2第4章第1節(jié)的內(nèi)容，是基于“基因的本質(zhì)”，進(jìn)一步闡明基因是如何指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成的，并為學(xué)習(xí)“基因?qū)π誀畹目刂啤薄盎蛲蛔兗捌渌儺悺钡於ɑA(chǔ)，具有承上啟下的重要作用。本課的學(xué)習(xí)重點(diǎn)為概述遺傳信息的轉(zhuǎn)錄過(guò)程。學(xué)生要掌握這一內(nèi)容，必須聯(lián)系已學(xué)知識(shí)、辨析DNA與RNA結(jié)構(gòu)的異同點(diǎn)，并將新舊知識(shí)相整合，明確mRNA的功能。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)歸納總結(jié)，抽提出遺傳信息的轉(zhuǎn)錄過(guò)程。由于這部分內(nèi)容復(fù)雜、抽象，故對(duì)學(xué)生的理解、掌握帶來(lái)困難。

學(xué)生已經(jīng)知道基因是有遺傳效應(yīng)的DNA片段、DNA主要存在于細(xì)胞核中、性狀通過(guò)蛋白質(zhì)體現(xiàn)、蛋白質(zhì)的合成在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行等基礎(chǔ)知識(shí)；已經(jīng)了解同位素標(biāo)記法、密度梯度離心技術(shù)、DNA分子雜交技術(shù)等常用實(shí)驗(yàn)方法，在教學(xué)過(guò)程中，著眼于學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”，通過(guò)設(shè)計(jì)環(huán)環(huán)相扣的問(wèn)題，建立已有知識(shí)與新學(xué)知識(shí)間的內(nèi)在聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)；借助對(duì)經(jīng)典探究實(shí)驗(yàn)的分析，引導(dǎo)學(xué)生剖析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的實(shí)質(zhì)，將復(fù)雜與抽象轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)潔與理性，進(jìn)而完成對(duì)“轉(zhuǎn)錄”概念的意義建構(gòu)。

2 教學(xué)目標(biāo)

2.1 知識(shí)目標(biāo) 說(shuō)出DNA與RNA結(jié)構(gòu)方面的異同點(diǎn)；概述遺傳信息的轉(zhuǎn)錄過(guò)程。

2.2 能力目標(biāo) 運(yùn)用類(lèi)比和對(duì)比，對(duì)DNA和RNA結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較的能力；小組合作、分析經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，得出關(guān)于轉(zhuǎn)錄過(guò)程結(jié)論的能力；運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，歸納、演示、描述DNA轉(zhuǎn)錄過(guò)程的能力。

2.3 情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo) 體會(huì)實(shí)驗(yàn)探究精神；體會(huì)生命的復(fù)雜性、巧妙性與精準(zhǔn)性。

3 教學(xué)過(guò)程

3.1 設(shè)置問(wèn)題，指明方向 首先提出問(wèn)題：性狀是由什么物質(zhì)決定的？性狀通過(guò)什么物質(zhì)體現(xiàn)？基因如何控制性狀？引導(dǎo)學(xué)生建立“基因通過(guò)指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成來(lái)控制性狀”。

3.2 問(wèn)題串驅(qū)動(dòng)，對(duì)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)進(jìn)行剖析 以環(huán)環(huán)相扣的問(wèn)題鏈為驅(qū)動(dòng)、以對(duì)經(jīng)典探究實(shí)驗(yàn)的深入剖析為線索，引導(dǎo)學(xué)生將新知識(shí)與已學(xué)知識(shí)相整合，自主生成遺傳信息的轉(zhuǎn)錄過(guò)程圖及概念。

問(wèn)題1(凸顯“矛盾”)：真核生物的基因主要存在于細(xì)胞的什么結(jié)構(gòu)中？蛋白質(zhì)的合成場(chǎng)所是什么？設(shè)想基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成方式有幾種可能？引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)已有知識(shí)解決問(wèn)題，將片斷的、零碎的知識(shí)關(guān)聯(lián)化，并在前兩個(gè)問(wèn)題的鋪墊下，明確真核生物中基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的方式存在著時(shí)間和空間的變化。

問(wèn)題2(抽絲剝繭)：對(duì)基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成方式的推測(cè)，哪種具有可行性、科學(xué)性？數(shù)據(jù)“DNA的直徑約為2 nm，核糖體為圓形顆粒狀，直徑約為23 nm，細(xì)胞核的核孔為0.9 nm”說(shuō)明什么問(wèn)題？物理學(xué)家伽莫夫?qū)NA控制蛋白質(zhì)合成的設(shè)想‘DNA結(jié)構(gòu)本身就是蛋白質(zhì)合成的直接模板’是否正確？”引導(dǎo)學(xué)生基于教師提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及已有知識(shí)分析，得出“DNA本身不作為蛋白質(zhì)合成的直接模板”。

問(wèn)題3(溯本求源)：充當(dāng)遺傳信息的信使物質(zhì)可能是什么?為什么？如果RNA充當(dāng)遺傳信息的信使，至少需要從哪些角度提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)？引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)小組合作的方式，討論、推測(cè)、評(píng)述“為什么RNA適于作為DNA的信使”并最終達(dá)成共識(shí)，即要證明RNA是遺傳信息的信使，至少需要有三方面的實(shí)驗(yàn)證據(jù)：①細(xì)胞核中存在有以DNA為模板獲得RNA的過(guò)程；②細(xì)胞核中的RNA可以出細(xì)胞核，進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)；③細(xì)胞質(zhì)的核糖體上存在有RNA，且該RNA直接影響蛋白質(zhì)的合成。

問(wèn)題4(接近真相)：通過(guò)對(duì)下述經(jīng)典實(shí)驗(yàn)[1，2]的剖析，你能得出怎樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)論？這些實(shí)驗(yàn)從哪個(gè)角度接近“事實(shí)的真相”？與同學(xué)討論的哪個(gè)證據(jù)相契合？歸納總結(jié)各個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，能得出遺傳信息存在怎樣的時(shí)空動(dòng)態(tài)傳遞過(guò)程？

(1)酵母菌酶解實(shí)驗(yàn) 1955年，比利時(shí)細(xì)胞生物學(xué)家Brachet用洋蔥根尖細(xì)胞和變形蟲(chóng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)如果用分解RNA的酶把細(xì)胞內(nèi)的RNA分解掉，蛋白質(zhì)合成就停止；如果把從酵母菌中提取出的RNA再加進(jìn)去，細(xì)胞重新合成蛋白質(zhì)。

(該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明________的合成與________有關(guān)系)

(2)變形蟲(chóng)核移植實(shí)驗(yàn)：1955年，Goldstein和Plaut變形蟲(chóng)的核移植實(shí)驗(yàn)。

A組變形蟲(chóng)用放射性同位素3H標(biāo)記的尿嘧啶核糖核苷酸來(lái)培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)標(biāo)記的RNA分子首先在細(xì)胞核中合成,很快在細(xì)胞質(zhì)中也發(fā)現(xiàn)放射性；B組變形蟲(chóng)未用放射性同位素標(biāo)記的尿嘧啶核糖核苷酸來(lái)培養(yǎng)，變形蟲(chóng)的細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中均未發(fā)現(xiàn)有標(biāo)記的RNA。

在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，將這2組變形蟲(chóng)進(jìn)行核移植實(shí)驗(yàn)：將A組變形蟲(chóng)的細(xì)胞核移植到B組變形蟲(chóng)的細(xì)胞質(zhì)中，將B組變形蟲(chóng)的細(xì)胞核移植到A組變形蟲(chóng)的細(xì)胞質(zhì)中，分別觀察培養(yǎng)。發(fā)現(xiàn)：B組中放射性逐漸由細(xì)胞核中轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)中。

(該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，RNA的合成場(chǎng)所在________，并會(huì)移至________)

(3)噬菌體侵染實(shí)驗(yàn)1∶1961年，布倫納、雅格布、梅塞爾森設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)：①用含15NH4Cl和13C-葡萄糖的培養(yǎng)基培養(yǎng)大腸桿菌若干代，使其成為具有“重”核糖體的“重”細(xì)菌；②將這些“重”細(xì)菌轉(zhuǎn)移到含14NH4Cl和12C-葡萄糖的培養(yǎng)基上培養(yǎng)，用噬菌體侵染這些細(xì)菌，該培養(yǎng)基中加入32P標(biāo)記的尿嘧啶核糖核苷酸作為原料，以標(biāo)記所有新合成的噬菌體RNA；③將上述被侵染后裂解的細(xì)菌進(jìn)行密度梯度離心，并檢測(cè)32P放射性的位置，結(jié)果如圖1；④將新合成的噬菌體RNA與噬菌體DNA混合，出現(xiàn)DNA-RNA雜交鏈。

圖1 噬菌體侵染實(shí)驗(yàn)的分析與檢測(cè)

(③的離心結(jié)果說(shuō)明，噬菌體侵染后細(xì)菌中的核糖體與細(xì)菌自身的核糖體________。32P位于離心管底部，說(shuō)明新合成的噬菌體RNA是與________結(jié)合在一起的。④的結(jié)果說(shuō)明，新合成的噬菌體RNA以________為模板合成的)

(4)噬菌體侵染實(shí)驗(yàn)2：1961年，霍爾、斯皮爾曼、羅穆拉構(gòu)建了DNA-RNA分子雜交技術(shù)，并用噬菌體SP8侵染枯草芽孢桿菌，研究噬菌體侵染后產(chǎn)生的RNA，與噬菌體DNA、芽孢桿菌DNA的關(guān)系。

他們?cè)赟P8侵染細(xì)菌后，裂解大腸桿菌，分別提取大腸桿菌的DNA、SP8噬菌體的DNA和噬菌體侵染后產(chǎn)生的RNA。把RNA分別與加熱分開(kāi)的大腸桿菌DNA單鏈或噬菌體DNA單鏈混合在一起，緩慢冷卻，發(fā)現(xiàn)新產(chǎn)生的RNA只與噬菌體的DNA中固定的一條單鏈形成DNA-RNA雜交分子，而不與大腸桿菌的DNA相雜交 。

(該實(shí)驗(yàn)證明合成的噬菌體的RNA是以________的DNA的________條鏈為模板，該RNA為_(kāi)_______)

(5)1961年，韋斯、赫維茨發(fā)現(xiàn)合成RNA的酶，命名為RNA聚合酶(RNA polymerase)。

通過(guò)對(duì)上述經(jīng)典探究實(shí)驗(yàn)的分析，學(xué)生自然了解了“遺傳信息的轉(zhuǎn)錄過(guò)程”，并匯總出轉(zhuǎn)錄所需條件，同時(shí)體驗(yàn)了知識(shí)發(fā)生、發(fā)展歷程，并將相關(guān)的概念、原理進(jìn)行了情景化、自我內(nèi)化，變被動(dòng)記憶為主動(dòng)探究。

3.3 新知實(shí)戰(zhàn)，設(shè)置問(wèn)題 轉(zhuǎn)錄過(guò)程是怎樣的？能否給“轉(zhuǎn)錄”下個(gè)定義？

教師提供學(xué)具[3]，安排學(xué)生借其演示遺傳信息的轉(zhuǎn)錄過(guò)程，教師通過(guò)巡視了解學(xué)生是否能夠正確區(qū)別DNA與RNA，并了解遺傳信息的轉(zhuǎn)錄過(guò)程。

教師提供視頻,學(xué)生用自己的語(yǔ)言,描述視頻所示轉(zhuǎn)錄過(guò)程,并給“轉(zhuǎn)錄”下定義。

3.4 新課拓展，激發(fā)興趣 設(shè)置問(wèn)題：人類(lèi)是否已完全了解了轉(zhuǎn)錄過(guò)程？借助現(xiàn)代關(guān)于遺傳信息的轉(zhuǎn)錄過(guò)程的研究成果[4]，豐富學(xué)生學(xué)科知識(shí)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，激勵(lì)學(xué)生加入科學(xué)研究行列。

4 教學(xué)反思

本課教學(xué)中，采取“以問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)力、以經(jīng)典探究實(shí)驗(yàn)為佐證”的教學(xué)方式，輔助以學(xué)具、視頻等教學(xué)手段，將抽象、微觀的遺傳信息轉(zhuǎn)錄過(guò)程，變?yōu)閷W(xué)生積極、自覺(jué)的認(rèn)知活動(dòng)，幫助學(xué)生深入理解生物學(xué)知識(shí)以提高生物學(xué)學(xué)習(xí)的趣味性，認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)。此外，通過(guò)對(duì)經(jīng)典探究實(shí)驗(yàn)的分析，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，滲透人生觀、價(jià)值觀、世界觀的教育。