基于学习进阶的生物学概念学习路径设计

2023-09-22雒微

知识窗·教师版 2023年8期

雒微

摘要：文章以人教版高中生物学教材必修2“遗传与进化”第4章第1节“基因指导蛋白质的合成”为例，借助北京师范大学郭玉英教授团队提出的科学概念理解发展的层级模型，构建基于学习进阶的生物学概念的学习路径，促进学生认知水平的提升。

关键词：高中生物学；学习进阶；概念学习

一、确定生物学概念

核心概念可以统筹一门学科知识的核心内容。相对于核心概念，一般概念是下位概念。人教版高中生物学教材必修2“遗传与进化”第4章第1节“基因指导蛋白质的合成”的教学要求是说明DNA（脱氧核糖核酸）通过转录和翻译过程来进行基因表达。教材中“基因指导蛋白质的合成”包括遗传信息的转录、翻译和中心法则三部分，其中转录和翻译属于“基因指导蛋白质合成”的下位概念。同时，《2022年普通高等学校招生全国统一考试大纲（生物）》将生物学科的考试内容以知识内容表的形式呈现，分别用Ⅰ和Ⅱ表示知识内容要求掌握的程度，其中对“遗传信息的转录和翻译”的要求标注为Ⅱ，表明学生要在更高程度上掌握这一内容。因此，本节课的核心概念为基因指导蛋白质的合成，一般概念为转录是遗传信息从DNA流向RNA（核糖核酸）的过程，翻译是形成有特定氨基酸序列的蛋白质的过程。

二、分析进阶起点

进阶起点要根据学生已有的知识、能力水平和学习内容确定。基因指导蛋白质的合成是遗传学模块的重要基础知识，此前学生已经掌握基因、遗传物质、DNA等概念及其关联知识，具备了学习本节生物学概念的基础。通过对DNA结构及复制过程的探究，学生的思维和探究能力得到了一定锻炼，同时对基因产生了探究欲望。但转录和翻译是学生首次接触的知识，又是发生在微观结构中的不可见事件，比较抽象。因此，基于进阶设计的概念学习路径，教师应从进阶起点逐级升“阶”至终点，帮助学生厘清思路，掌握知识主干。

三、预设进阶目标

进阶目标的预设要以教材分析和学情分析结果为依据。根据前期确定的生物学概念和进阶起点，进阶目标包括三个方面：①学生通过分析相关实验，对比DNA与RNA的结构和功能，能够得出RNA是基因指导蛋白质合成信使的结论；②学生通过回忆DNA分子的复制过程及分析图文资料，可以描述转录和翻译的全过程；③学生通过分析中心法则的生成过程，认同科学是动态的，是不断更新和发展的，并逐步提高批判性思维。

四、预设进阶点和进阶层级

根据科学概念理解发展的层级模型，笔者对“基因指导蛋白质合成”这一核心概念包含的一般概念进行层级划分，并设计概念进阶图，如图1所示；相邻近阶层級间的跨度要适中，遗传信息转录和翻译的学习分别设置进阶点如表1所示，并依据预设的进阶点设计本节课的学习进阶活动。

（一）遗传信息的转录进阶活动设计

1.进阶点：RNA适合做DNA的信使的探究

教师播放电影《侏罗纪公园》中的片段，引导学生讨论“利用灭绝生物的DNA可以复活物种的原因是什么”，由此引出课题“基因指导蛋白质的合成”。然后，教师向学生提问：“基因指导蛋白质合成可以通过哪些方式？”学生通过讨论和分析教师提供的事实资料得出结论：DNA与蛋白质之间存在信使。教师继续提问：“充当遗传信息的信使会是什么物质呢？该物质为什么可以充当信使呢？”

教师引导学生提出RNA充当信使的假设，并寻找依据论证假设是否正确。对比DNA与RNA的化学组成、结构及功能，推知RNA能够储存遗传信息，且其结构一般是单链，能够通过核孔从细胞核转移到细胞质中。教师再提供科学家探究遗传信使的实验资料：在洋葱根尖和变形虫实验中，加入RNA酶分解RNA后，蛋白质就不再合成，而把从酵母中提取的RNA加入细胞后，蛋白质合成又恢复了。由此得出结论：RNA是基因指导蛋白质合成的信使。

设计意图：以科幻电影引出课题，引导学生回顾已知的基因与蛋白质知识，引发学生的认知冲突；通过提出问题、作出假设、解决问题的教学方式，引导学生解决“基因指导蛋白质合成的方式”“RNA可以作为信使的原因”两大问题。

2.进阶点：转录的概念

教师播放转录过程的视频，让学生在观看视频资料和教材中的图文资料后回答以下问题：遗传信息的转录过程是怎样的？转录的过程与DNA复制的过程有什么关系？转录的场所、条件、原料、产物、特点是什么？你可以给遗传信息的转录下一个定义吗？通过回答以上问题，学生能够说出转录的过程。最后，教师引导学生总结出转录的概念。

设计意图：转录过程是微观的、抽象的、难以理解的，教师通过视频动态呈现这一过程，能够有效突破这一难点。教师以DNA分子的复制过程为铺垫，让学生学习转录过程，是知识的迁移过程；以问题串的形式实现这一进阶点的目标，学生更清晰地了解这一部分的知识层次。

3.进阶点：转录的实质

教师用多媒体设备展示转录过程的示意图，如图2所示，并提出问题：转录的实质是什么？学生在教师的引导下得出转录的实质是遗传信息从DNA流向了mRNA。

设计意图：转录是基因指导蛋白质合成的第一个环节，以示意图的形式将其展示出来，既能使转录过程更加明晰，又能引出对翻译过程的学习。

（二）遗传信息的翻译进阶活动设计

1.进阶点：mRNA上密码子与氨基酸的对应关系

教师引导学生回顾转录的结果是遗传信息从基因传递到了mRNA，并提出问题：“mRNA上的遗传信息是怎样传递到蛋白质中的？mRNA上的碱基序列与蛋白质中氨基酸的种类、数量、排列顺序有什么关系？”学生回答：“RNA的碱基种类有4种，氨基酸的种类有21种。”教师追问：“4种碱基是怎么决定21种氨基酸的呢？碱基与氨基酸之间的对应关系是什么？”这些问题能引导学生采用数学方法推测得出三个碱基可以决定一个氨基酸。

设计意图：教师在出示科学史料的基础上，通过设问的方式层层递进，然后采用数学方法一步步引导学生分析mRNA上密码子与氨基酸的对应关系，为学习翻译的过程作好铺垫。

2.进阶点：tRNA识别与转运氨基酸的过程

教师提问：“蛋白质是在核糖体上合成的，那么组成蛋白质的氨基酸是如何到达核糖体的？”学生讨论tRNA结构的特点，总结密码子与反密码子遵循碱基互补配对的规律，由此证明tRNA是将氨基酸运送到核糖体上的转运工具。

设计意图：教师结合学生已经学习的蛋白质的相关知识引出新问题，有利于学生的知识迁移，为新知的巩固和内化奠定坚实基础。

3.进阶点：翻译的概念

教师播放翻译过程的视频，引导学生阅读教材中蛋白质合成的示意图，然后提出问题：“mRNA翻译蛋白质的过程是怎样的？翻译的场所、条件、原料、产物以及特點是怎样的？你可以给遗传信息的翻译下一个定义吗？”

设计意图：视频动画有助于学生理解翻译的过程，突破本节课的教学难点。教师鼓励学生用自己的话给翻译下定义，有助于提高学生的总结归纳能力和表达能力，也能考查学生的学习效果。

4.进阶点：翻译的实质

教师用多媒体设备展示翻译过程示意图，如图3所示，并提出问题：“翻译的实质是什么？”学生在教师的引导下得出翻译的实质是遗传信息mRNA流向了蛋白质。

设计意图：从信息传递的角度画出示意图，能够为后续中心法则的学习作好铺垫，也是对基因指导蛋白质的合成整个过程的提炼，有利于学生更好地把握本节课的核心概念和一般概念。

5.进阶点：中心法则

教师可以让学生从遗传信息的传递过程总结中心法则，并结合教材补充中心法则，归纳遗传信息的一般规律，最后总结基因的表达概念。