基于科学史论证和模型建构的深度教学策略探究

田敏

摘 要 以“基因指导蛋白质的合成” （第1课时）为例，采用科学史论证和模型构建相結合的方式展开教学，对中间信使RNA相关的科学史资料进行论证，并引导学生自主构建、修正和完善转录模型，培养学生的生物学学科核心素养，达到深度学习的目的。

关键词 科学史论证 模型构建 RNA 转录

中图分类号 Ｇ633. 91 文献标志码 B

1 教材分析

“基因指导蛋白质的合成”是人教版高中生物学《必修2·遗传与进化》第四章第一节的内容。在前一章中，学生已经论证出 DNA 是遗传物质并构建出DNA的双螺旋结构，梳理出基因、DNA与染色体之间的关系，从而掌握了基因的本质。在此基础上，教师采用科学史论证和模型构建的教学策略，指导学生深度学习基因的表达过程。本节课为后续学习基因与性状的关系、生物的进化和基因工程等奠定了理论基础，在高中生物学中有举足轻重的地位。

2 教学策略

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》 （以下简称《课程标准》）特别强调，让学生获得基础的生物学知识的同时，要指导学生像生物学家一样去思考，领悟其研究过程中所持有的观点以及解决问题的思路和方法，养成理性的科学思维，形成积极的科学态度，发展终身学习及创新实践的能力。论证式教学是教师指导学生论证科学家研究过程的一种研究性教学，使学生经历像科学家一样提出问题、收集证据、得出观点、再支持或辩驳、得出正确结论的论证过程，发展了学生演绎与推理、批判性与创造性等科学思维，促进学生掌握了科学探究的一般思路与方法，因此论证式教学有助于新课标强调的核心素养达成。模型构建帮助学生理解微观的物质与过程，突破了学生主体思维的认知限制，培养了学生的空间想象力。下文以“基因指导蛋白质的合成” （第1课时）的教学为例，根据相关的科学史，采用论证式教学策略并进行模型构建，促进学生的深度学习。

3 教学目标

（1）通过科学史资料论证，运用归纳与概括、演绎与推理的方法，概述 DNA 分子上的遗传信息是以RNA为媒介指导蛋白质合成，体会生命的信息观；

（2）基于科学史论证，运用模型与建模的方法，小组合作动手构建、完善并制作转录的模型，提升实践能力和团队协作能力，解释DNA如何将遗传信息传递到RNA，建立批判性和创造性的科学思维；

（3）形成生命是物质、能量和信息的统一体的观念，认识到生命科学的重要性，养成严谨的科学态度和不断创新的科学精神。

4 教学过程

4.1 创设情境，导入新课

新冠疫情爆发以来，新冠病毒疫苗的研发备受关注。结合时代背景，教师以新冠病毒疫苗为例，播放几款已上市的新冠病毒疫苗研发路线的视频，提出问题：① 在DNA疫苗研发中，为什么在细胞内导入的是基因，但得到的是S蛋白？② 基因与蛋白质有什么关系呢？③ mRNA疫苗研发中，为什么在细胞内导入的是RNA，得到的也是S蛋白？④ RNA和蛋白质又有什么关系呢？以问题串激发学生的好奇心，继而展开本节课的内容，引导学生跟随科学家的脚步，探究基因与蛋白质的关系。

设计意图：新冠疫情的爆发给人类的生活带来了严峻的挑战，教师在高中生物学教学中通过生物学知识解读新冠疫情，将知识灵活运用到实际生活中，激发了学生强烈的求知欲，促进了学生对科学本质的理解，学生的爱国主义情怀得到升华。

4.2 科学史论证，获取新知

4.2.1 论证中间信使的存在

教师针对遗传物质的产生场所和蛋白质的合成场所提出问题：细胞核中的基因如何指导核糖体上蛋白质的合成？接着，教师引导学生积极思考提出两种假说，假说一：DNA直接控制蛋白质的合成；假说二：DNA间接控制蛋白质的合成，并且由提出两种不同假说的学生代表阐述理由。接着，教师先展示科学史1及其观点：DNA作为蛋白质合成的直接模板。在此基础上，教师展示科学史2的实证，引导学生从空间水平上排除假说一，得出结论：转录需要中间信使的参与。

4.2.2 论证中间信使的本质

教师提出问题：DNA间接控制蛋白质的合成，那中间信使是什么物质呢？学生的猜测可能是RNA、糖类、脂质等，同时，学生通过比较化学组成和结构组成，认为RNA是中间信使的最佳候选者。接着，教师展示科学史3，克里克同样提出了RNA是中间信使的假说。这与学生的猜想不谋而合，激发了学生强烈的求知欲和自信心。

教师展示科学史4和科学史5，引导学生分析实验得出：RNA在细胞核中合成，并由细胞核移动至细胞质中。最后教师展示科学史6，引导学生得出结论：RNA 以 DNA 的一条链为模板合成。通过这一系列科学史的实证，克里克提出的假说得到支持，即在细胞核中，以DNA的一条链为模板合成RNA，移动到细胞质中指导蛋白质的合成。

设计意图：通过真实的科学史论证，带领学生体会科学家探索科学本质的过程，使学生的思维与科学家的思维产生碰撞，激发学生的好奇心和求知欲。科学史中科学家运用假说演绎法、加法原理、减法原理和同位素标记法等，完整还原了RNA作为中间信使的发现过程，学生从中了解并掌握科学探究的一般思路和方法，培养了学生严谨务实的科学态度、批判性科学思维和分析讨论等科学探究能力。从化学组成和结构组成两方面分析比较 DNA 和RNA，帮助学生形成结构与功能相适应的观念，并渗透一定的信息观。

4.3 实践探究，模型构建

4.3.1 阅读文本，初构模型

教师提出问题：转录的场所，原料、模板、能量和酶等是什么？学生根据问题针对性地阅读教材，分析讨论后回答问题，并得出转录的概念：在细胞核中，通过RNA聚合酶以DNA的一条链为模板合成RNA的过程叫做转录。

教师引导学生根据教材中获取的信息，以小组为单位尝试模拟DNA转录过程的物理模型。教师首先介绍构建模型所需的教具，小白板上是已解旋的基因图片，有基因A和基因B两种（图3）；袋子里的小卡片代表游离的核苷酸，包含若干个不同的碱基A、T、C、G、U（图4）。

小组成员动手构建转录的模型，形成一条完整的RNA单链，并由两个小组展示构建的模型。在模型初构的过程中，学生存在以下问题： （1）对DNA和RNA的特有组成不明确：形成的RNA上含有碱基T，并与DNA上的碱基A配对； （2）对转录过程中的RNA聚合酶的移动方向不清晰：无法根据转录的方向判断以哪一条链为转录模板。

4.3.2 播放视频，修正模型

教师播放转录过程的视频，引导学生利用视频中直观生动的微观分子变化，对其构建的模型中存在的问题进行进一步修正与完善。接着，由两到三个小组派代表演示修正后的模型，其他小组成员对模型进行评价，促进学生之间的合作与交流。

4.3.3 动画演示，深挖模型

由一个小组以动画的形式演示A基因的转录过程，学生讲解转录步骤：解旋—配对—聚合—释放，既锻炼学生的语言表达能力，又检测了学生对转录的掌握程度。

接着，由分别构建A基因和B基因的两个小组代表将A基因和B基因连接，比较分析DNA上基因的转录情况。教师以问题串的形式引导学生深挖模型：（1）转录时，DNA链完全解开吗？ （2）一个DNA分子中某个基因转录时，其他基因是否一定也在进行转录？ （3）一个基因的两条链都能转录吗？ （4）不同基因的模板鏈是否相同？ （5）转录方向如何判定？

设计意图：转录是一个微观变化的过程，学生通过亲手构建模型将微观动态形象生动化，有助于帮助学生熟悉每种分子的特点、作用以及相互关系，促进学生对生命现象本质的掌握。通过对比A基因和B基因的转录模型，对其差异进行思考，学生加深理解了结构与其功能相适应的观念。由一个基因的转录上升到DNA上多个基因的转录，使学生层层深入地理解基因选择性表达的本质。在整个构建模型过程中，教师引导学生发现和探讨问题，提升学生解决问题的能力，发展学生的科学思维和科学探究能力。

4.4 比较归纳，提升思维

教师引导学生以表格的形式比较DNA复制与转录的异同及意义，明确两者之间的细微差异，如DNA复制和转录中都存在解旋，但作用的酶种类存在差异，DNA复制中为解旋酶，转录中为RNA聚合酶，这既是对本节课所学内容的总结，又是对上一章中DNA复制的检测。

设计意图：对比分析DNA复制和转录，引导学生运用比较、分析与综合的方法进行归纳总结，提升归纳与概括、比较与分析等科学思维。

5 教学反思

本节课以高中生物学学科素养的落实为核心，运用科学史论证和模型构建等方式展开教学。教师带领学生梳理科学史资料，找到中间信使RNA，并结合模型构建，将抽象的生物学分子动态变化转变为生动可见的实物模型。在模型构建的过程中，学生发现问题、思考并解决问题，加深了对转录本质的理解，体验了科学探究的奇妙过程，感悟到生命科学之美。整节课学生积极主动参与，从简入难，学生逐步达到深度学习。

参考文献：

［1］ 中华人民共和国教育部. 普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］. 北京：人民教育出版社，2020：56，19-21，77.

［2］ 王星乔，米广春.论证式教学：科学探究教学的新图景［J］.中国教育学刊，2010 （10）：50-52.

［3］ 李金赫.高中生生物建模能力培养研究［J］.教育科学发展，2021，3 （10）：169-170+177.