基于深度学习的模型教学尝试

张殿彩

摘   要：随着普通高中生物课程改革的推进，促进学科核心素养的落实，不断深入改革课堂组织模式，促进学生深度学习成为当前课堂教学关注的一个焦点。本文以高中生物必修二中 “遗传信息的翻译”一节为例，引导学生构建物理模型进行基因表达的过程模拟，课堂上通过合作探究改进模型，以期有效促进学生的深度学习，为促进高中生物学深度学习提供教学策略，进行教学尝试。

关键词：深度学习;模型教学;翻译

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020修订）》聚焦大概念、重要概念和具体概念，要求学生通过主动学习，深刻理解和应用重要的生物学概念，发展生物学学科核心素养，并强调学生学习的过程是主动参与的过程，通过探究性学习活动或完成工程任务，加深对生物学概念的理解，提升应用知识的能力，培养创新精神。郭华教授指出深度学习是在教师引领下，学生围绕着具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程。在这个过程中，学生掌握学科的核心知识，理解学习的过程，把握学科的本质及思想方法，形成积极的内在学习动机、高级的社会性情感、积极的态度、正确的价值观，成为既具独立性、批判性、创造性，又有合作精神、基础扎实的优秀的学习者，成为未来社会历史实践的主人[ 1 ]。可见促进学生深度学习是课堂教学中培养学生核心素养的基本途径，教师应该在教学中采用各种方式和手段以促进学生对概念的理解。在人类的科学探究以及科学认知中，模型一直发挥着特有的不可替代的作用，其中物理模型正是一种非常有效的工具[ 2 ]。而让学生亲手构建物理模型有助于培养学生思考问题、解决问题的能力。同时在构建物理模型的过程中可以快速调动学生的学习积极性，在模型制作过程中学生需要对原型进行知识提取、呈现以及应用，促进了学生的知识内化和完善[ 3 ]。

本文选取人教版高中生物学必修2《遗传与进化》（2019版）第四章“基因指导蛋白质合成”中第2课时“遗传信息的翻译”为例，引导学生自制物理模型并利用物理模型的动态演示翻译的过程，在掌握核心知识的同时提升科学思维以及知识应用能力，提升科学思维等核心素养水平。以期为高中一线生物学教师在课堂中实现深度学习提供参考，获得更好的教学效果。

1  教学目标解读

本节课与“遗传信息的转录”一起来说明基因如何指导蛋白质的合成，2017版（2020年修订）课标对本节的要求是“概述DNA 分子上的遗传信息通过RNA 指导蛋白质的合成”，即要求学生能够概述翻译的场所、模板、酶、原料、能量、动态过程及其意义等。

2  学情分析

本节课学习之前学生对“基因在DNA上”“DNA的双螺旋结构”“蛋白质是生命活动的主要承担者”“基因控制生物的性状”以及“遗传信息的转录”等知识已经掌握，但学生对微观过程存在一定理解障碍。传统教学一般是教师讲解过程并配以一定的图片和动画，实践中发现精美生动的动画演示虽然可以激发学生的兴趣并直观展示翻译过程，但学生的学习仍然较为被动，而且动画演示缺少课后使学生深度学习的延续性。故本节课前要求学生自制模型以便在课堂进行过程模拟，旨在使学习探究变被动为主动，激发学生学习兴趣并为课后的继续探究提供抓手。

3  课堂实施

3.1  课前准备

课前布置学生自制模型，包括核糖体、氨基酸，以及tRNA。具体分工为：班级42人分为7组，以6人小组进行分工合作，每个小组需要制作至少一个核糖体;相关氨基酸以及每人1-2个tRNA（教师统筹安排）。为方便学生制作以及课堂演示，教师课前自制一套模型进行板演以确定模型大小。mRNA以板书形式画在黑板上，实践表明，为便于操作以及学生观看，采用卡纸（普通卡纸、加厚卡纸均可）进行制作：核糖体大小约20 cm（大小亚基接缝处），根据一个核糖体只能容纳2个密码子，即6个碱基，教师在板画mRNA时，每两个碱基需要间隔4 cm左右;按照碱基间隔4 cm设计tRNA大小，高度约15 cm左右。教师准备好双面磁条。

3.2  课堂实施

3.2.1  碱基与氨基酸的对应关系

新课引入：展示转录图片，通过复习上节课遗传信息转录的知识，从转录的结果是一条mRNA切入新课。mRNA合成以后会通过核孔进行细胞质，最终mRNA中碱基序列翻译成蛋白质中的氨基酸序列。对比转录过程中，DNA的碱基序列转录到RNA的碱基序列中是根据碱基互补原则，那么mRNA中的碱基与氨基酸对应关系是怎样的？

设计意图：紧密联系转录知识引出新的学习问题，在复习旧知的同时帮助学生建立从DNA→mRNA→蛋白质的知识框架，有利于学生整体掌握知识。

教师展示密码子破译的部分科学史（密码子破译的过程思维量较大，为防止加深难度以及合理分配课堂时间，教师在课堂上仅介绍三联体密码子的推理和阅读方式的科学史），带领学生一起分析密码子表。由于上節课已经介绍过tRNA，而且课前已经布置学生制作tRNA，教师在介绍密码子表如何查阅后，可以以互动游戏来考查学生对密码子表的掌握。游戏如下：教师随机说氨基酸，请学生写出该氨基酸的密码子，如果学生对查阅密码子表无困难，可以提升难度，教师随机说氨基酸，请可以携带该氨基酸的tRNA（同学根据自己制作的tRNA）站起来。

设计意图：将枯燥的密码子表查阅设计成课堂游戏，游戏一方面能够集中学生学习的专注力，另一方面根据氨基酸书写密码子的过程让学生更容易发现密码子的简并性以及其意义。在提升游戏中，氨基酸所对应的tRNA频频出错，也及时暴露出学生在密码子、反密码子以及tRNA携带氨基酸三者之间关系的认知问题，在学生求知若渴之时教师的分析与解答最有效果。

3.2.2  模拟翻译过程

教师在黑板上板画一条mRNA（若学生层次一般，可以按照教材P66页的mRNA书写，便于学生根据课本模拟）。学生根据教师黑板上展示的mRNA先在小组内进行翻译过程的模拟，并写出所合成的多肽链的氨基酸序列。小组合作之后，教师组织全班学生一起进行板演，在板演过程中教师解答学生出现的问题。提升活动：小组间进行模拟，一个小组写出一条mRNA，另一小组进行翻译，合成出一条多肽链。教师提示学生可以向其他小组借所需的tRNA或者改造自己手中的tRNA。

设计意图：学生在小组模拟翻译的过程，既需要仔细阅读课本还需要跟同学进行合作，在活动中对翻译过程有了直观的认识，为接下来的板演及翻译过程的总结打好基础。提升活动中采用小组间相互出题、模拟的方式，使课堂更具开放性和生成性，学生充分理解、应用刚刚所学知识，在合作、讨论、辨析中对翻译过程有了更为深刻的理解。教师在巡视中及时收集课堂生成性的问题进行分析，如有两个小组写的mRNA不同，但是合成的多肽链的氨基酸序列相同;有的小组写的mRNA的第一个密码子不是起始密码子或者没有密码子;有的写出来的mRNA上的碱基数不是三的倍数等。

3.3  总结与讨论

教师播放“DNA指导蛋白质合成”的视频，学生观看视频并思考讨论老师提出的问题：（1）翻译过程中一条mRNA上只能结合一个核糖体吗？（2）在同一条mRNA上的每个核糖体上合成的肽链是一样的吗？（3）结合多个核糖体的意义是什么？

设计意图：在学生动手模拟的基础上播放视频，学生对模拟过程中出现的细节观察更为注意，也更容易发现、产生问题。

教师引导学生回顾DNA复制、转录以及翻译的过程，介绍中心法则，并对本节课进行总结。

3.4  课后延伸

教师指导学生针对课堂中的模拟活动对自己的模型进行改进和完善，并对本节课内容提出想继续探究的问题，提示学生可以充分利用课外材料以及网络资源辅助自己的学习。

4  教学反思

4.1  课堂实施反思与改进

遗传信息的复制、转录与表达属于分子生物学范畴，多年的教学实践显示，这部分知识微观、抽象，学生在学习过程中普遍觉得枯燥且难于理解。本节课基于课程标准中所倡导的“教学过程重实践”的理念，以小组为单位开展学习，教师创设特定的模拟环境，小组成员紧密配合、互相支持完成学习任务，因此教师对学习小组的组建尤为重要。经过几次课堂实践，笔者发现学习小组人数不宜过多，结合班级座位排列，以四人组最为方便。教师在组建小组时可全面参考小组成员的思考能力、探究能力以及应用能力，以便培养学生的合作学习能力。深度学习具有个性化和开放性，教师需要改变单一评价方式，对学生进行过程性、综合性评价，同时结合小组成员间的互评和自我评价。

4.2  模型制作反思与改进

教师根据课前自制模型为学生提出建议，采用彩色卡纸进行制作并给出模型大小的范围。实际中有个别学生仍然采用普通A4纸，模拟时容易折皱破损，有的学生采用瓦楞纸，边缘粗糙且大小不一;绝大多数学生采用厚卡纸，模型既有型又剪裁光滑，模拟时贴上老师提供的磁条进行板演，颜色鲜艳，视觉效果很好。本节课结束后学生对自制模型主动进行了改进和完善，如课前几乎大多数学生采用纸质模型，而课后的模型改进中，有学生利用粘土制作了模型，用不同颜色以及形状表示不同的碱基以及碱基的互补配对，在演示过程中鲜明直观，比如碱基的组成、互补配对的规则等。还有学生觉得在模拟过程中需要3人甚至更多同学一起固定、移动进行模拟，比较麻烦，设计了可以独立操作的动态模型，将核糖体和mRNA制作成上下层，在演示中以抽拉的方式模拟核糖体的沿着mRNA的移动。

5  总结

从本节课的教学实践效果来看，模型教学相比于图片和视频的传统教学，学生的学习更具有延续性，学生不仅可以在课下继续利用模型学习，而且还可以随着学习继续改进模型。在此过程中学生从理解认知到利用高阶思维分析、评价、创建并改进模型，将DNA的结构、复制、转录以及翻译等知识进行整体性联通，还将知识有效地融入到原有的认知体系中进行构建，正符合深度学习的特征[ 4 ]。本节课中模型教学使学生的想法更容易得到充分的展示，课堂的学习不仅收获知识，更是一种成功的体验，有效地激发了学生主动学习的积极性。学生通过探究活动加深对生物学概念的理解，提升了学生应用知识的能力，更为有意义的是给学生提供了认识世界的知识、方法和工具，有助于提升学生解决实际问题的能力，很好地发展了学生的核心素养[ 5 ]。

参考文献：

[1] 郭华.深度学习及其意义[J].中小学教育，2017（3）：70-77.

[2] 赵萍萍，刘恩山.科学教育中模型定义及其分类研究综述[J].教育学报，2015，11（1）：46-52.

[3] 苏惠.物理模型在高中生物学中的应用[J].课程教育研究∶学法教法研究，2018（24）：155-156.

[4] 付亦宁.深度学习的教学范式[J].全球教育展望，2017，46（7）：47-56.

[5] 孫琦，卜庆梅.自制教具在高中生物学概念教学中的应用——以“遗传信息的翻译”为例[J].中学生物学，2019，35（8）：78-80.