物理模型构建在“基因表达”教学中的实践探析

郑世辉

摘 要 自制与教材匹配的物理模型，让学生动手操作和演练变换，能有效构建前概念和后续概念间的知识体系，从分子和细胞水平理解“基因表达”的动态发展过程。

关键词 物理模型构建 基因表达 生物学教学

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

由于人教版《必修2·遗传与进化》中“基因表达”章节中的重要概念具有抽象性和动态过程性，因此在以前的教学中笔者大多采用PPT和Flash动画演示相结合的方式来增强概念間的直观性，但也难免会过分注重教师的主导和讲授，结果是学生不能很好地辨别概念，建构自己的知识体系，容易脱离生物学科本身的系统科学性和概念间的严密逻辑性，死记硬背大量的知识点。教学效果的时效性往往需要教师借助大量的习题演练去巩固和强化，效果一般。

奥苏贝尔在《教育心理学：一种认知观》中提到“当新概念与头脑中前概念间存在某种类属关系时，若指导者能给予有效引导，使之进行正确衔接，将有利于学习者将新概念同化到自己头脑的已有概念体系中，从而习得概念”。“基因表达”的概念体系恰好符合这一认知特点，若能将学生前期所学的“DNA分子结构”与“基因转录和翻译”两大概念体系，借助模型构建的方法进行正确引导和衔接，或许会收到“事半功倍”的效果。下面以“基因表达模型”来探析如何利用物理模型，促进学生建构概念体系。

1 物理模型构建的理论依据和构建的主体

1.1 理论依据

模型方法是以研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法。模型构建中舍去了原型的一些次要的细节、非本质的联系，以简化和理想化的形式去再现原型的各种复杂结构、功能和联系，它能具体形象、生动、深刻地反映事物的本质和发展。

笔者将繁杂的核苷酸结构加以主体式的简化，与教材插图接轨的同时，突出主干知识体系间的联系。教师充分考虑到“基因表达”物理模型是个系统性的动态模拟模型，尝试让学生在黑板上创设一个较为完整的“基因表达细胞环境”，并结合各模型单元间的组合性开展探析活动。

1.2 构建的主体对象和活动组织策略

物理模型方法是用实物代替原物进行研究的方法，教学中应围绕“面向全体学生、倡导探究式学习”的新课程理念展开。教学对象和可操作性不同，构建者也应有所差异。基因表达模型涉及的知识点多、内在联系性强，若教师放手让学生在课后利用多种材料去制做，反而不利于“基因表达”教学过程的展开。

笔者采用主体由教师充当，利用磁片贴纸事先按尺寸剪粘成“基因模板、原料、核糖体、tRNA”等可活动模型。在阅读教材和观看Flash动画的基础上，教师要求学生利用实物模型，以学生代表上黑板演练交流的方式创设“表达的细胞环境”情境，亲身体会“基因表达”这一多层次多概念的动态流程。

2 物理模型构建的课前准备

2.1 材料选择及模拟对象（表1）

2.2 表达基因模板构建

模型的构建在充分考虑原型主体的同时，还应与教材内容有效接轨并适当延伸。这样才能既考虑了学生的认知性，同时也适当促进了学生对主干知识内容的迁移能力。因此，笔者结合人教版必修2图4-6，加以延伸基因的5′、3′端的有关知识，从而衔接前概念（DNA分子结构）和后概念间；同时为“转录和复制都有规律性方向”提供平台，达到为后续内容“起始和终止密码子”的教学构建完整知识体系的目的。基因模板如图1所示。

2.3 无序摆放模型的各活动模块，尝试让学生创设“表达的细胞环境”情景

教师事先讲解清楚自制各活动模块（如透明胶带、三角推板）模拟的对象和基本含义，通过黑板无序摆放的形式请学生分别动手创设“转录和翻译的细胞环境”。教师应讲解清楚“核膜、原料、酶”在细胞中的分布、运输情况，尤其要突出“核膜”“碱基ATCG和U所在的核苷酸差异”，便于学生领悟“转录和翻译”有时在不同场所进行的原因。

3 教学实践和学生活动设计

3.1 话题引入

教师引导学生复习前概念“DNA分子结构、复制的方向和场所”及案例“转基因鼠能表现出绿色荧光性状”，并提出问题：“基因是如何对相应蛋白进行控制合成的？”展示黑板板画“核糖体、核膜和染色体基因等活动模式图”。

学生思考：“① 基因的分布和蛋白质的合成场所分别在哪？② 核孔是哪些分子运输的通道？”学生代表在黑板构建“转录”的细胞环境（图2）。

学生代表讲述：表达是以基因为单位的，各基因间的表达是相对独立的。线粒体、叶绿体和原核细胞中由于没有核膜，故基因转录和翻译是在同一个地点进行的。基因所在的染色体只能分布在细胞核中，所以需要借助一种信息分子通过核孔将“指令”传递到细胞质中去。

3.2 学习重点1：基因的转录过程

3.2.1 教学组织及学生演练实践

学生阅读教材“转录过程”后，结合教材插图4-4，尝试描述转录的大体过程。教师暂不作点评，在播放“基因转录”视频后，展开小组讨论该学生的描述，教师点拨指正。

教师以“基因转录”模型（图3）为载体，故意放置一定量“胸腺嘧啶脱氧核苷酸、碱基AUCG”模型，请4名学生上讲台依次演练“解旋、配对、聚合、脱离复原”过程。教师着重点评：① 转录的原料是碱基，还是脱氧核苷酸？② 三角推板（DNA解旋酶）、透明胶带（RNA聚合酶）的操作方向和作用结果是什么？③ mRNA和DNA双链在碱基序列间存在哪些关系，所谓的“指令”其实是指什么？

教师用课件展示“基因转录过程”表格，以学生小组讨论的方式，口头填写表格内容，建构“基因转录”这一重要概念。

3.2.2 教学延伸

教师提出问题，引导学生思考：（1） 如果用DNA的另一条链为模板，最后合成的mRNA和原分子的碱基序列一样吗？（2） 转录的方向是什么？（3） 分裂期细胞能进行基因转录吗？为什么？（4） 转录用的原料、酶、能量分别在什么地方合成的？（5） 如果mRNA不脱离转录链，会发生什么结果？

3.2.3 活动评析

学生在教材和动画演示的认知基础上，通过动手操作“转录”活动模型，很好地克服动画的感官单一的局限性，同时规避以往教学中学生误判“转录原料是碱基”的现象，激发了学习兴趣，促进提高了学习的效果，有利于将“转录”中各概念建立成一个正确、完整、动态的知识体系。

3.3 重点2及难点：基因的翻译过程

3.3.1 话题引入

教师提出问题，将英文“Genetics is a practical subject！”正确翻译成中文，通常要借助什么工具？翻译的实质是借助某种规则或标准将一种形式转换成另一种形式。那么“基因的翻译过程”要遵循的规则或标准是什么？

学生阅读教材“遗传密码表”后，小组讨论回答问题：“色氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸、精氨酸”的密码子有哪些？从中你能体会到哪些规律？密码子是由什么成分组成的，有核糖和碱基T吗？

教师设问：表中的“起始和终止密码子”表示的含义是什么？密码子的碱基是指何种核酸分子上的碱基？

教师出示“基因翻译的细胞环境”板画和活动模型，再请1名学生代表上黑板创设好“基因翻译的细胞环境”情境（图4）。请4名学生讲台标出mRNA上的密码子，查阅教科书，写出各密码子对应的氨基酸。教师引导学生着重体会每个相应位点上氨基酸的名称是随机还是特定的。然后，教师提出问题各对应氨基酸的是如何被运输到mRNA的相应位点上的？

教师展示“tRNA、rRNA”模型，讲解清楚制作意图，明确核酸分子的组成情况，结合教材插图4-5，请3位学生上讲台，自选3个tRNA模型，将相应氨基酸放置在tRNA的相应位点上装载，并与其他同学分享“装载”的配对方法。教师点评。

教师提出问题：“基因的翻译”过程需要细胞中各结构的分工配合，按一定的程序、方向有条不紊的进行装配，相当于建立了一套严密的“多肽装配生产线”。那么，这个“生产线”是怎么生产的？

教师连续播放“翻译”动画视频2遍。学生仔细观察和体会“翻译”的动态流程，小组讨论教师所提出的系列问题。教师请2名学生上讲台，协作演练“核糖体”和“tRNA”两个活动模型，尝试用动态的演练方法进行操作，并口述对应多肽是如何合成的（图5）。其他学生阅读教材内容后，结合教科书插图4-6，查表列出该多肽的氨基酸序列，与黑板上的成果进行交流讨论，重点体会：① “碱基互补配对原则”在“准确翻译”中的重要意义是什么？② 移动的对象是谁？每一次的移動距离为什么是3个碱基单位？③ 核糖体的任务是什么？你能根据多肽聚合中生成的水分子数大致推断出基因或mRNA中碱基的数目吗？

教师出示“多聚核糖体”模型及两条长度不同的相似多肽，在标明“5′、3′”的基础上，请1名学生上讲台，将两条多肽放在核糖体的相应方位上，各小组对该学生的成果展开讨论，见图6。教师点评后指出：多聚核糖体现象能提高翻译的效率，一条mRNA模板能在短时间内合成大量的同种多肽或蛋白质。

教师出示“基因转录和翻译”表格，请学生结合之前所学，完善表格内容。教师小结“基因表达”的完整过程。

3.3.2 教学迁移

教师随机改变基因模板中的部分碱基序列，请学生上讲台利用多余的模型组件重新定位mRNA的模板并查表得出需要哪些tRNA运输，最终的多肽和原多肽是否存在区别。

教师改变起始和终止密码子的对应碱基序列，请学生回答接下来的“翻译”会出现什么情况？

教师将一段“基因转录链（3）”和mRNA进行配对杂交后，以核糖体为对象，请学生思考：“翻译”还会如期进行吗？

3.3.3 活动评析

相比转录而言，翻译涉及的概念更多，层次和动态流程更复杂，容易让学生出现“听着都懂，学完又糊涂”的窘境，所以教师合理利用好教材插图，图文并茂，用流程的理念理解加深“基因翻译”的概念体系，是重中之重。采用先阅读讲解、观看动画演示，后亲手操作演练“翻译”过程，能从多个角度使知识体系和教学流程有机结合起来。活动模型的迁移应用便于从细胞水平提高学生对各种不正常“翻译”原因的分析能力。

4 实践探析体会

教师在教学中运用物理模型，能有效地缩短人眼对新知的反应时间和识别时间，促进学生对知识体系的理解和掌握，为知识点的运用分析打下良好基础。通过自制与教材内容匹配的物理模型，尝试让学生从细胞层面创设学习情境并动手操作，能促进学生对知识的理解，形成正确的概念框架，并能自觉规避以往学习中容易出现的误区。这样教学能更直观形象的将各层次概念生动的展现在学生面前，将“基因表达”的分子层面和细胞层面有机结合在一起，以动态的形式解决流程性知识体系中的诸多教学难题。

但模型性教学往往解决的是简化的、主体式的知识体系，不能成为课堂教学的主角。所以在教学中，不能过分突出模型教学的辅助作用，而忽略了对教材本身新知新概念的学习交流，忽视了学生识图、辨图和分析释图的技能培养。教师把控好教学进度的同时，采用让学生先阅读分析后动画演练、口述相结合的方式，能帮助学生了解各个知识点间的内在关系，又能简洁、清晰地概述转录和翻译的过程，让学生感知基因表达是一个多层次的、动态的、相互协调和配合的过程。

参考文献：

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[2] 缪仁票.论高中生物学概念教学[J].课程·教材·教法，2006，11.

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