基于深度學(xué)習(xí)的模型教學(xué)嘗試

張殿彩

摘 ? 要：隨著普通高中生物課程改革的推進(jìn)，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)，不斷深入改革課堂組織模式，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)成為當(dāng)前課堂教學(xué)關(guān)注的一個焦點(diǎn)。本文以高中生物必修二中 “遺傳信息的翻譯”一節(jié)為例，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建物理模型進(jìn)行基因表達(dá)的過程模擬，課堂上通過合作探究改進(jìn)模型，以期有效促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，為促進(jìn)高中生物學(xué)深度學(xué)習(xí)提供教學(xué)策略，進(jìn)行教學(xué)嘗試。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí);模型教學(xué);翻譯

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020修訂）》聚焦大概念、重要概念和具體概念，要求學(xué)生通過主動學(xué)習(xí)，深刻理解和應(yīng)用重要的生物學(xué)概念，發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，并強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的過程是主動參與的過程，通過探究性學(xué)習(xí)活動或完成工程任務(wù)，加深對生物學(xué)概念的理解，提升應(yīng)用知識的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。郭華教授指出深度學(xué)習(xí)是在教師引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心積極參與、體驗(yàn)成功、獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過程。在這個過程中，學(xué)生掌握學(xué)科的核心知識，理解學(xué)習(xí)的過程，把握學(xué)科的本質(zhì)及思想方法，形成積極的內(nèi)在學(xué)習(xí)動機(jī)、高級的社會性情感、積極的態(tài)度、正確的價值觀，成為既具獨(dú)立性、批判性、創(chuàng)造性，又有合作精神、基礎(chǔ)扎實(shí)的優(yōu)秀的學(xué)習(xí)者，成為未來社會歷史實(shí)踐的主人[ 1 ]?？梢姶龠M(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)是課堂教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的基本途徑，教師應(yīng)該在教學(xué)中采用各種方式和手段以促進(jìn)學(xué)生對概念的理解。在人類的科學(xué)探究以及科學(xué)認(rèn)知中，模型一直發(fā)揮著特有的不可替代的作用，其中物理模型正是一種非常有效的工具[ 2 ]。而讓學(xué)生親手構(gòu)建物理模型有助于培養(yǎng)學(xué)生思考問題、解決問題的能力。同時在構(gòu)建物理模型的過程中可以快速調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，在模型制作過程中學(xué)生需要對原型進(jìn)行知識提取、呈現(xiàn)以及應(yīng)用，促進(jìn)了學(xué)生的知識內(nèi)化和完善[ 3 ]。

本文選取人教版高中生物學(xué)必修2《遺傳與進(jìn)化》（2019版）第四章“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成”中第2課時“遺傳信息的翻譯”為例，引導(dǎo)學(xué)生自制物理模型并利用物理模型的動態(tài)演示翻譯的過程，在掌握核心知識的同時提升科學(xué)思維以及知識應(yīng)用能力，提升科學(xué)思維等核心素養(yǎng)水平。以期為高中一線生物學(xué)教師在課堂中實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)提供參考，獲得更好的教學(xué)效果。

1 ?教學(xué)目標(biāo)解讀

本節(jié)課與“遺傳信息的轉(zhuǎn)錄”一起來說明基因如何指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，2017版（2020年修訂）課標(biāo)對本節(jié)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)生能夠概述翻譯的場所、模板、酶、原料、能量、動態(tài)過程及其意義等。

2 ?學(xué)情分析

本節(jié)課學(xué)習(xí)之前學(xué)生對“基因在DNA上”“DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)”“蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者”“基因控制生物的性狀”以及“遺傳信息的轉(zhuǎn)錄”等知識已經(jīng)掌握，但學(xué)生對微觀過程存在一定理解障礙。傳統(tǒng)教學(xué)一般是教師講解過程并配以一定的圖片和動畫，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)精美生動的動畫演示雖然可以激發(fā)學(xué)生的興趣并直觀展示翻譯過程，但學(xué)生的學(xué)習(xí)仍然較為被動，而且動畫演示缺少課后使學(xué)生深度學(xué)習(xí)的延續(xù)性。故本節(jié)課前要求學(xué)生自制模型以便在課堂進(jìn)行過程模擬，旨在使學(xué)習(xí)探究變被動為主動，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣并為課后的繼續(xù)探究提供抓手。

3 ?課堂實(shí)施

3.1 ?課前準(zhǔn)備

課前布置學(xué)生自制模型，包括核糖體、氨基酸，以及tRNA。具體分工為：班級42人分為7組，以6人小組進(jìn)行分工合作，每個小組需要制作至少一個核糖體;相關(guān)氨基酸以及每人1-2個tRNA（教師統(tǒng)籌安排）。為方便學(xué)生制作以及課堂演示，教師課前自制一套模型進(jìn)行板演以確定模型大小。mRNA以板書形式畫在黑板上，實(shí)踐表明，為便于操作以及學(xué)生觀看，采用卡紙（普通卡紙、加厚卡紙均可）進(jìn)行制作：核糖體大小約20 cm（大小亞基接縫處），根據(jù)一個核糖體只能容納2個密碼子，即6個堿基，教師在板畫mRNA時，每兩個堿基需要間隔4 cm左右;按照堿基間隔4 cm設(shè)計tRNA大小，高度約15 cm左右。教師準(zhǔn)備好雙面磁條。

3.2 ?課堂實(shí)施

3.2.1 ?堿基與氨基酸的對應(yīng)關(guān)系

新課引入：展示轉(zhuǎn)錄圖片，通過復(fù)習(xí)上節(jié)課遺傳信息轉(zhuǎn)錄的知識，從轉(zhuǎn)錄的結(jié)果是一條mRNA切入新課。mRNA合成以后會通過核孔進(jìn)行細(xì)胞質(zhì)，最終mRNA中堿基序列翻譯成蛋白質(zhì)中的氨基酸序列。對比轉(zhuǎn)錄過程中，DNA的堿基序列轉(zhuǎn)錄到RNA的堿基序列中是根據(jù)堿基互補(bǔ)原則，那么mRNA中的堿基與氨基酸對應(yīng)關(guān)系是怎樣的？

設(shè)計意圖：緊密聯(lián)系轉(zhuǎn)錄知識引出新的學(xué)習(xí)問題，在復(fù)習(xí)舊知的同時幫助學(xué)生建立從DNA→mRNA→蛋白質(zhì)的知識框架，有利于學(xué)生整體掌握知識。

教師展示密碼子破譯的部分科學(xué)史（密碼子破譯的過程思維量較大，為防止加深難度以及合理分配課堂時間，教師在課堂上僅介紹三聯(lián)體密碼子的推理和閱讀方式的科學(xué)史），帶領(lǐng)學(xué)生一起分析密碼子表。由于上節(jié)課已經(jīng)介紹過tRNA，而且課前已經(jīng)布置學(xué)生制作tRNA，教師在介紹密碼子表如何查閱后，可以以互動游戲來考查學(xué)生對密碼子表的掌握。游戲如下：教師隨機(jī)說氨基酸，請學(xué)生寫出該氨基酸的密碼子，如果學(xué)生對查閱密碼子表無困難，可以提升難度，教師隨機(jī)說氨基酸，請可以攜帶該氨基酸的tRNA（同學(xué)根據(jù)自己制作的tRNA）站起來。

設(shè)計意圖：將枯燥的密碼子表查閱設(shè)計成課堂游戲，游戲一方面能夠集中學(xué)生學(xué)習(xí)的專注力，另一方面根據(jù)氨基酸書寫密碼子的過程讓學(xué)生更容易發(fā)現(xiàn)密碼子的簡并性以及其意義。在提升游戲中，氨基酸所對應(yīng)的tRNA頻頻出錯，也及時暴露出學(xué)生在密碼子、反密碼子以及tRNA攜帶氨基酸三者之間關(guān)系的認(rèn)知問題，在學(xué)生求知若渴之時教師的分析與解答最有效果。

3.2.2 ?模擬翻譯過程

教師在黑板上板畫一條mRNA（若學(xué)生層次一般，可以按照教材P66頁的mRNA書寫，便于學(xué)生根據(jù)課本模擬）。學(xué)生根據(jù)教師黑板上展示的mRNA先在小組內(nèi)進(jìn)行翻譯過程的模擬，并寫出所合成的多肽鏈的氨基酸序列。小組合作之后，教師組織全班學(xué)生一起進(jìn)行板演，在板演過程中教師解答學(xué)生出現(xiàn)的問題。提升活動：小組間進(jìn)行模擬，一個小組寫出一條mRNA，另一小組進(jìn)行翻譯，合成出一條多肽鏈。教師提示學(xué)生可以向其他小組借所需的tRNA或者改造自己手中的tRNA。

設(shè)計意圖：學(xué)生在小組模擬翻譯的過程，既需要仔細(xì)閱讀課本還需要跟同學(xué)進(jìn)行合作，在活動中對翻譯過程有了直觀的認(rèn)識，為接下來的板演及翻譯過程的總結(jié)打好基礎(chǔ)。提升活動中采用小組間相互出題、模擬的方式，使課堂更具開放性和生成性，學(xué)生充分理解、應(yīng)用剛剛所學(xué)知識，在合作、討論、辨析中對翻譯過程有了更為深刻的理解。教師在巡視中及時收集課堂生成性的問題進(jìn)行分析，如有兩個小組寫的mRNA不同，但是合成的多肽鏈的氨基酸序列相同;有的小組寫的mRNA的第一個密碼子不是起始密碼子或者沒有密碼子;有的寫出來的mRNA上的堿基數(shù)不是三的倍數(shù)等。

3.3 ?總結(jié)與討論

教師播放“DNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成”的視頻，學(xué)生觀看視頻并思考討論老師提出的問題：（1）翻譯過程中一條mRNA上只能結(jié)合一個核糖體嗎？（2）在同一條mRNA上的每個核糖體上合成的肽鏈?zhǔn)且粯拥膯幔浚?）結(jié)合多個核糖體的意義是什么？

設(shè)計意圖：在學(xué)生動手模擬的基礎(chǔ)上播放視頻，學(xué)生對模擬過程中出現(xiàn)的細(xì)節(jié)觀察更為注意，也更容易發(fā)現(xiàn)、產(chǎn)生問題。

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄以及翻譯的過程，介紹中心法則，并對本節(jié)課進(jìn)行總結(jié)。

3.4 ?課后延伸

教師指導(dǎo)學(xué)生針對課堂中的模擬活動對自己的模型進(jìn)行改進(jìn)和完善，并對本節(jié)課內(nèi)容提出想繼續(xù)探究的問題，提示學(xué)生可以充分利用課外材料以及網(wǎng)絡(luò)資源輔助自己的學(xué)習(xí)。

4 ?教學(xué)反思

4.1 ?課堂實(shí)施反思與改進(jìn)

遺傳信息的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄與表達(dá)屬于分子生物學(xué)范疇，多年的教學(xué)實(shí)踐顯示，這部分知識微觀、抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍覺得枯燥且難于理解。本節(jié)課基于課程標(biāo)準(zhǔn)中所倡導(dǎo)的“教學(xué)過程重實(shí)踐”的理念，以小組為單位開展學(xué)習(xí)，教師創(chuàng)設(shè)特定的模擬環(huán)境，小組成員緊密配合、互相支持完成學(xué)習(xí)任務(wù)，因此教師對學(xué)習(xí)小組的組建尤為重要。經(jīng)過幾次課堂實(shí)踐，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)小組人數(shù)不宜過多，結(jié)合班級座位排列，以四人組最為方便。教師在組建小組時可全面參考小組成員的思考能力、探究能力以及應(yīng)用能力，以便培養(yǎng)學(xué)生的合作學(xué)習(xí)能力。深度學(xué)習(xí)具有個性化和開放性，教師需要改變單一評價方式，對學(xué)生進(jìn)行過程性、綜合性評價，同時結(jié)合小組成員間的互評和自我評價。

4.2 ?模型制作反思與改進(jìn)

教師根據(jù)課前自制模型為學(xué)生提出建議，采用彩色卡紙進(jìn)行制作并給出模型大小的范圍。實(shí)際中有個別學(xué)生仍然采用普通A4紙，模擬時容易折皺破損，有的學(xué)生采用瓦楞紙，邊緣粗糙且大小不一;絕大多數(shù)學(xué)生采用厚卡紙，模型既有型又剪裁光滑，模擬時貼上老師提供的磁條進(jìn)行板演，顏色鮮艷，視覺效果很好。本節(jié)課結(jié)束后學(xué)生對自制模型主動進(jìn)行了改進(jìn)和完善，如課前幾乎大多數(shù)學(xué)生采用紙質(zhì)模型，而課后的模型改進(jìn)中，有學(xué)生利用粘土制作了模型，用不同顏色以及形狀表示不同的堿基以及堿基的互補(bǔ)配對，在演示過程中鮮明直觀，比如堿基的組成、互補(bǔ)配對的規(guī)則等。還有學(xué)生覺得在模擬過程中需要3人甚至更多同學(xué)一起固定、移動進(jìn)行模擬，比較麻煩，設(shè)計了可以獨(dú)立操作的動態(tài)模型，將核糖體和mRNA制作成上下層，在演示中以抽拉的方式模擬核糖體的沿著mRNA的移動。

5 ?總結(jié)

從本節(jié)課的教學(xué)實(shí)踐效果來看，模型教學(xué)相比于圖片和視頻的傳統(tǒng)教學(xué)，學(xué)生的學(xué)習(xí)更具有延續(xù)性，學(xué)生不僅可以在課下繼續(xù)利用模型學(xué)習(xí)，而且還可以隨著學(xué)習(xí)繼續(xù)改進(jìn)模型。在此過程中學(xué)生從理解認(rèn)知到利用高階思維分析、評價、創(chuàng)建并改進(jìn)模型，將DNA的結(jié)構(gòu)、復(fù)制、轉(zhuǎn)錄以及翻譯等知識進(jìn)行整體性聯(lián)通，還將知識有效地融入到原有的認(rèn)知體系中進(jìn)行構(gòu)建，正符合深度學(xué)習(xí)的特征[ 4 ]。本節(jié)課中模型教學(xué)使學(xué)生的想法更容易得到充分的展示，課堂的學(xué)習(xí)不僅收獲知識，更是一種成功的體驗(yàn)，有效地激發(fā)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性。學(xué)生通過探究活動加深對生物學(xué)概念的理解，提升了學(xué)生應(yīng)用知識的能力，更為有意義的是給學(xué)生提供了認(rèn)識世界的知識、方法和工具，有助于提升學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，很好地發(fā)展了學(xué)生的核心素養(yǎng)[ 5 ]。

參考文獻(xiàn)：

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