“假說——演繹法”在高中生物教學中的應用

葉凱

【摘 要】在“遺傳密碼的破譯”的教學中，按照科學發(fā)現史的線索，采用“假說——演繹法”對學生進行科學方法的教育，提高了學生的科學素養(yǎng)。

【關鍵詞】假說——演繹法;遺傳密碼的破譯;教學策略

1.教材分析與設計思路

本節(jié)內容屬于選學，可用1課時，本節(jié)的主要內容是遺傳密碼的破譯過程，是對本章第1節(jié)的重要補充。學生在第1節(jié)中學過遺傳密碼，但并不了解遺傳密碼的破譯方法，本節(jié)課引導學生認識遺傳密碼的破譯過程，使學生通過這一研究過程，學習其中蘊含的現代常用科學研究方法“假說——演繹法”。采用“假說——演繹法”可以提高學生分析材料、提煉關鍵信息以及邏輯推理能力。以分析“尼倫伯格和馬太實驗”的設計思路為突破口，初步理解遺傳密碼的破譯方法，并在一定程度進行思維延伸：霍拉納發(fā)明了一種新的RNA合成方法，合成的RNA可以是2個、3個或4個堿基為單位的重復序列，仍采用“假說——演繹法”，進一步破解了遺傳密碼的對應規(guī)則。

2.教學目標

2.1知識目標

說出遺傳密碼的閱讀方式及遺傳密碼的破譯過程，理解克里克設計實驗的思路與尼倫伯格和馬太——體外蛋白質合成實驗的思路。

2.2能力目標

通過學習克里克——移碼突變雜交實驗過程與尼倫伯格和馬太——體外蛋白質合成實驗過程，體驗科學研究的一般過程。以問題為線索，引導學生通過質疑和推理學習本節(jié)內容，按照科學發(fā)現史的線索，采用“假說——演繹法”對學生進行科學方法的教育，從而提高學生的科學素養(yǎng)。

2.3情感態(tài)度與價值觀目標

通過對“遺傳密碼的破譯”的學習，使學生明確科學的成功離不開堅實的知識基礎、持之以恒的實驗探究以及創(chuàng)新的實驗方法。

3.教學過程

3.1遺傳密碼的閱讀方式

引導學生從排列組合的角度和最簡原則進行分析，最終推出：3個堿基編碼1個氨基酸最為合理，并用PPT展示非重疊和重疊的閱讀方式（教材74頁圖4—10），最終引導學生提出兩種關于遺傳密碼閱讀方式的假說：假說①：3個堿基編碼1個氨基酸，以非重疊方式閱讀;假說②：3個堿基編碼1個氨基酸，以重疊方式閱讀。設疑：如何證明哪種假說正確？引導學生思考，并引出教材74頁最著名的驗證實驗——克里克的移碼突變實驗，實驗方法：使用化學誘變劑在某個基因中刪除或插入1個、2個或3個堿基對，再觀察對其編碼的蛋白質的影響。因此，需要對該實驗進行演繹推理，首先在PPT中展示某基因轉錄形成的mRNA，然后設置明確的活動內容：若假說①或②正確時，用紅筆標出改變的密碼子，并根據標識的結果判斷基因中增加幾個堿基，對其所編碼的蛋白質中氨基酸序列影響最小？教師設疑：若要得到標識結果的前提條件是什么？克里克移碼突變實驗的實驗結果與演繹推理的結果（即預期實驗結果）中的哪一種相吻合呢？下一步再將標識的結果與教材74頁克里克的移碼突變實驗的結果進行比較，引導學生思考并得出結論：1.mRNA上3個相鄰堿基決定一個氨基酸（三聯體密碼子）;2.遺傳密碼從一個固定的起點開始，以非重疊的方式閱讀;3.編碼之間沒有分隔符。

設計意圖：通過師生互動及對克里克移碼突變實驗的演繹推理活動，使學生初步理解“假說——演繹法”這種研究方法，并通過投影學生已標識的學案，引導學生進行分析和總結：若要得到標識結果，前提條件是遺傳密碼的閱讀起點固定不變。

3.2遺傳密碼對應規(guī)則的發(fā)現

PPT上展示3個資料：資料1：1955年法國生化學家格倫伯格—馬納戈人工合成RNA（UUUUU……）、（GGGGG……）、（AAAAAA……）和（CCCCC……）;資料2：1957年查美尼克發(fā)現，核糖體是蛋白質的合成場所;隨之又確定了tRNA的存在，每一個氨基酸至少有一個特殊的tRNA轉運;資料3：1960年科學家發(fā)現第3種RNA：mRNA，并證實其為蛋白質合成的模板，且許多細菌的mRNA都非常短命。設置問題串，引導學生思考和分析：從資料中找出體外合成蛋白質所需的條件，并比較生物體細胞內mRNA與人工合成的RNA的區(qū)別是什么？大腸桿菌破碎細胞溶液含有哪些與蛋白質合成有關的細胞結構和物質？為什么要除去破碎細胞溶液中存在的DNA和mRNA？如何除去破碎細胞溶液中存在的DNA和mRNA？能否使用RNA酶水解mRNA，并說明理由，最終引導學生得出并理解體外蛋白質合成實驗的實驗思路。

設計意圖：通過資料歸納總結體外合成蛋白質所需的條件。引導學生理解尼倫伯格和馬太設計的體外蛋白質合成實驗的思路，并將該實驗思路進一步應用。

3.3思維延伸

PPT展示霍拉納發(fā)明了一種新的RNA合成方法，合成的RNA可以是2個、3個或4個堿基為單位的重復序列。例：實驗一：加入人工合成的（GAA）體外合成蛋白質，實驗二：加入人工合成的（CAA）體外合成蛋白質，實驗三：加入人工合成的（CA）體外合成蛋白質。根據實驗一設置問題串，引導學生思考和分析：為什么加入谷氨酸，賴氨酸，精氨酸的3只試管中均產生多肽？推測可能的原因？并根據推測的原因提出假說。引導學生分析和解決問題并提出假說：體外合成蛋白質時，起點是隨機的，然后，教師利用PPT展示實驗二并設置明確活動：根據假說對實驗二進行演繹推理得出預期實驗結果，并與教師提供的實驗結果（分別加入蘇氨酸，谷氨酰胺，天門冬酰胺的試管中產生多肽）進行對比，最終引導學生得出結論：體外合成蛋白質時，起點是隨機的。根據實驗三設疑：為什么實驗三中每只試管中均無多肽產生？并明確活動：請重新設計實驗探究（CA）重復序列中的密碼子與氨基酸的對應關系并寫出實驗思路？教師引導學生分析問題，并提示學生可參考尼倫伯格和馬太實驗的實驗思路重新設計實驗，同時重點提醒學生：實驗思路的兩個要素——自變量和因變量，最后利用PPT展示實驗一、二和三的實驗結論，并引導學生從中發(fā)現遺傳密碼與氨基酸的對應規(guī)律。

設計意圖：訓練學生分析、解決問題的能力，以問題為線索，引導學生通過質疑和推理，重新設計實驗并書寫實驗思路，培養(yǎng)學生尋找和總結規(guī)律的能力。

4.教學反思

本節(jié)課主要運用“假說——演繹法”的研究方法，通過問題串和一系列演繹推理、設計實驗思路活動，引導學生通過推理和想象，提出解釋問題的假說，并根據演繹推理，再通過實驗檢驗演繹推理的結論。以問題為導向的教學模式充滿了無限可能，不僅能激發(fā)學生的學習熱情，學生的思維也能帶給我無限的驚喜和啟發(fā)，學生給我的啟發(fā)，使我不斷完善自己的教學體系，我又將總結的知識反哺給學生，我覺得這是一種良性循環(huán)，在如此高效的解決問題中，還可以提高學生的生物學核心素養(yǎng)。