科學(xué)思維核心素養(yǎng)提升導(dǎo)向的生物課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

王魏然

摘要 以“遺傳信息的轉(zhuǎn)錄”為例，以生物學(xué)科研成果為主要資料，利用邏輯問題串，引導(dǎo)學(xué)生通過歸納概括、演繹推理及模型構(gòu)建等科學(xué)思維方式分析實(shí)驗(yàn)原理和結(jié)果等，從而理解轉(zhuǎn)錄過程，并提升科學(xué)思維等核心素養(yǎng)水平。

關(guān)鍵詞 轉(zhuǎn)錄 科研成果 科學(xué)思維 核心素養(yǎng)

中圖分類號 G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱課標(biāo)）明確指出生物學(xué)是實(shí)驗(yàn)學(xué)科，是研究者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)施和結(jié)果分析等進(jìn)而得出結(jié)論和發(fā)現(xiàn)規(guī)律的學(xué)科，并提出了生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任四大生物學(xué)核心素養(yǎng)，其中科學(xué)思維即指通過實(shí)驗(yàn)事實(shí)和證據(jù)，經(jīng)過歸納概括、演繹推理和模型構(gòu)建等過程，闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律的過程。

本教學(xué)設(shè)計(jì)以“遺傳信息的轉(zhuǎn)錄”為例，利用相關(guān)科學(xué)研究的結(jié)果與數(shù)據(jù)，引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生通過分析研究結(jié)果中的信息逐漸探索并理解轉(zhuǎn)錄的場所、模板、酶、原料、能量和動態(tài)過程等，借此體會根據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)，通過概括和推理等過程解釋生命現(xiàn)象和規(guī)律的思維方式，提升科學(xué)思維等核心素養(yǎng)水平。

1 教材分析

本節(jié)和“mRNA的翻譯”集中說明基因如何指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，對“基因控制性狀”和“蛋白質(zhì)是生命活動主要承擔(dān)者”等概念起銜接作用。課標(biāo)對本節(jié)教學(xué)的要求是“概述DNA分子上的遺傳信息通過RNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”，即要求學(xué)生能夠概述轉(zhuǎn)錄的場所、模板、酶、原料、能量、動態(tài)過程及其意義等，這也是本部分內(nèi)容的重難點(diǎn)。

2 學(xué)情分析

在本節(jié)學(xué)習(xí)前，學(xué)生己構(gòu)建出“基因控制性狀”“蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者”和“基因是有遺傳效應(yīng)的DNA片段”等概念，這是本部分內(nèi)容學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。

但學(xué)生對微觀過程存在一定理解障礙，純粹的概念教學(xué)不僅難以幫助其深刻理解轉(zhuǎn)錄，也無法激發(fā)學(xué)習(xí)熱情和動機(jī)。故本節(jié)教學(xué)時(shí)，教師可利用科研成果這一頗具挑戰(zhàn)性的材料，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并通過深度分析實(shí)驗(yàn)，幫助其理解轉(zhuǎn)錄概念，同時(shí)在分析過程中提升科學(xué)思維等核心素養(yǎng)水平。

3 教學(xué)目標(biāo)

①通過歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推理出轉(zhuǎn)錄的場所、模板、酶、能量、原料和過程等，形成“結(jié)構(gòu)與功能觀”和“進(jìn)化與適應(yīng)觀”等生命觀念。

②通過對實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的意義等進(jìn)行歸納概括、演繹推理和模型構(gòu)建，養(yǎng)成利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果解釋生命現(xiàn)象并得出普遍規(guī)律的科學(xué)思維方式。

4 教學(xué)過程（圖1）

4.1 導(dǎo)入

教師展示2張老虎的照片，介紹老虎毛色機(jī)理：普通老虎真黑色素和褐黑色素都可正常合成，表現(xiàn)為黃虎。若S基因突變，S蛋白不能正常行使功能，褐黑色素合成受阻，則表現(xiàn)為白虎。并提出問題：決定老虎毛色的直接和根本原因是什么？二者如何發(fā)生聯(lián)系？

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生分析老虎毛色和基因的區(qū)別，得出基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成這一結(jié)論，引出本節(jié)內(nèi)容。

4.2 基因轉(zhuǎn)錄重要概念的構(gòu)建

4.2.1 重要概念①：基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成與RNA有關(guān)

教師展示洋蔥根尖實(shí)驗(yàn)：用RNA酶分解細(xì)胞中的RNA蛋白質(zhì)合成停止;再加入酵母RNA，蛋白質(zhì)合成有所恢復(fù)。并引導(dǎo)學(xué)生思考：直接指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的物質(zhì)是什么？該物質(zhì)的合成可能與什么物質(zhì)有關(guān)？

4.2.2 重要概念②：轉(zhuǎn)錄的場所位于細(xì)胞核

教師展示核酸染色實(shí)驗(yàn)：用紅、綠色染料分別標(biāo)記DNA和新合成的RNA，發(fā)現(xiàn)綠色總是出現(xiàn)在紅色存在的部位。并要求學(xué)生思考：RNA合成（即轉(zhuǎn)錄）發(fā)生在細(xì)胞的什么部位？

4.2.3 重要概念③：轉(zhuǎn)錄僅以基因的一條鏈為模板

教師展示SP8噬菌體實(shí)驗(yàn)：SPS噬菌體的全部基因使用同一條DNA單鏈為模板進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。從宿主細(xì)胞中分離出SP8的RNA，分別與其2條DNA單鏈混合，發(fā)現(xiàn)只有一條DNA單鏈可與RNA形成雜交分子（圖2）。

教師引導(dǎo)學(xué)生思考：雜交分子形成的原理是什么？由此可知RNA合成的模板是什么？

4.2.4 重要概念④：RNA聚合酶催化轉(zhuǎn)錄過程

教師展示α-鵝膏蕈堿實(shí)驗(yàn)：α-鵝膏蕈堿是一種可抑制RNA聚合酶的物質(zhì)。隨著α-鵝膏蕈堿濃度和處理時(shí)間的增加，轉(zhuǎn)錄進(jìn)程逐漸被抑制（圖3）。

學(xué)生思考：此實(shí)驗(yàn)的自變量、因變量和觀測指標(biāo)分別是什么？轉(zhuǎn)錄過程由什么酶催化？

4.2.5 重要概念⑤：轉(zhuǎn)錄以核糖核苷酸為原料，需要能量

教師引導(dǎo)學(xué)生思考：轉(zhuǎn)錄過程以什么為原料？是否需要能量？

設(shè)計(jì)意圖：教師將轉(zhuǎn)錄過程拆分成場所、模板、酶、原料和能量等要素，利用一系列科研成果為材料，通過問題串引導(dǎo)學(xué)生思考并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使學(xué)生逐步理解轉(zhuǎn)錄的各要素。

4.3 轉(zhuǎn)錄動態(tài)過程的構(gòu)建

在學(xué)生活動后，教師播放轉(zhuǎn)錄過程的模擬動畫。

學(xué)生根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)論，通過獨(dú)立思考和小組討論，用語言總結(jié)歸納轉(zhuǎn)錄的全過程。

設(shè)計(jì)意圖：通過學(xué)生自主討論與思考，將獨(dú)立的轉(zhuǎn)錄各要素進(jìn)行歸納和概括，推理得出轉(zhuǎn)錄的完整動態(tài)過程，并利用模擬轉(zhuǎn)錄過程的精美動畫模型幫助學(xué)生更直觀和準(zhǔn)確地把握轉(zhuǎn)錄過程。

4.4 總結(jié)與提升

教師啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生思考并回答問題：轉(zhuǎn)錄過程體現(xiàn)了DNA和蛋白質(zhì)存在何種關(guān)系？DNA序列的改變對生物適應(yīng)環(huán)境有何影響？DNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成為何要先合成RNA（即轉(zhuǎn)錄過程有何意義）？以上問題體現(xiàn)了生物學(xué)中的什么觀念？科學(xué)家研究轉(zhuǎn)錄的流程和方法，體現(xiàn)出生物學(xué)研究的基本思路是什么？

設(shè)計(jì)意圖：教師利用一系列問題，引導(dǎo)學(xué)生回顧轉(zhuǎn)錄過程，加深鞏固其對轉(zhuǎn)錄的記憶與理解。教師引導(dǎo)學(xué)生體會轉(zhuǎn)錄過程所蘊(yùn)含的“結(jié)構(gòu)（基因序列）決定功能（蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能）”以及“進(jìn)化（基因序列的改變）與適應(yīng)（對環(huán)境的適應(yīng)能力）”等生命觀念;引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)和歸納生物學(xué)研究的一般思路和流程（設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)→實(shí)施實(shí)驗(yàn)→得到結(jié)果→分析結(jié)果得出結(jié)論→解釋現(xiàn)象或得出一般規(guī)律），明確分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和提煉實(shí)驗(yàn)結(jié)論的常用方法（歸納與概括、演繹與推理和模型構(gòu)建等），借此培養(yǎng)和提升其科學(xué)思維等核心素養(yǎng)水平。

5 教學(xué)反思與效果

按照耶基斯-多德森定律對效率與動機(jī)強(qiáng)度關(guān)系的描述，中等強(qiáng)度的動機(jī)最為理想。在學(xué)生對微觀過程存在理解障礙因而動機(jī)強(qiáng)度較弱時(shí)，本教學(xué)設(shè)計(jì)利用科研成果這一頗具挑戰(zhàn)性的材料適當(dāng)提高動機(jī)強(qiáng)度，以提高效率并取得較好的學(xué)習(xí)效果。同時(shí)，科研成果完美地體現(xiàn)了科學(xué)家的研究過程，體現(xiàn)了科學(xué)思維的基本思路和方式，是培養(yǎng)和提升學(xué)生科學(xué)思維等核心素養(yǎng)水平的極好材料。

從教師體驗(yàn)和學(xué)生反饋可知，學(xué)生容易接受甚至喜愛此種通過分析科研成果來學(xué)習(xí)生物學(xué)概念和過程的方式，借此對轉(zhuǎn)錄有了更好地掌握。僅有少量學(xué)生在分析實(shí)驗(yàn)時(shí)略顯力不從心，在理解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)設(shè)置和得出結(jié)論等方面存在困難，需要教師更多地關(guān)注和輔導(dǎo)，可能與科研成果信息量較高和傳統(tǒng)教學(xué)較少使用此類材料有關(guān)，提示教師應(yīng)個別化關(guān)注和輔導(dǎo)各層次學(xué)生。

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