融入生物科學(xué)史教育培養(yǎng)學(xué)生探究性能力

帖步霞

【摘?要】生物科學(xué)史對于培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)科核心素養(yǎng)具有重要作用，筆者結(jié)合高中生物新課程教學(xué)實踐案例，以《基因?qū)π誀畹目刂啤方虒W(xué)為例，通過融入生物科學(xué)史教育來重構(gòu)教材內(nèi)容，將“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”、“遺傳密碼的破譯”和“基因?qū)π誀畹目刂啤钡葘W(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)融合，幫助學(xué)生建構(gòu)“基因的表達(dá)”這一核心概念，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，提升學(xué)生的生物學(xué)科核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】高中生物;生物科學(xué)史;探究性能力;生物學(xué)科核心素養(yǎng)

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》提出了“生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、社會責(zé)任”四大生物學(xué)科核心素養(yǎng)。生物科學(xué)史不僅提供了相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)知識，而且蘊藏著豐富的核心素養(yǎng)培養(yǎng)素材。為此，筆者在高中生物學(xué)新課程教學(xué)過程中，適時融入生物科學(xué)史教育，在幫助學(xué)生深入理解生物學(xué)科核心概念的同時，培養(yǎng)學(xué)生以科學(xué)探究能力為中心的生物學(xué)科核心素養(yǎng)。下面以《基因?qū)π誀畹目刂啤方虒W(xué)為例，探討如何通過融入生物科學(xué)史教育來重構(gòu)教材內(nèi)容，助推學(xué)生在有效構(gòu)建“基因表達(dá)”概念的同時，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、案例設(shè)計思路

在教學(xué)過程中筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生很難理解“基因的表達(dá)”這一核心概念，主要原因一是學(xué)生對抽象概念的理解能力不強(qiáng);二是教師過于糾結(jié)于知識細(xì)節(jié)，使學(xué)生難以建構(gòu)整體的科學(xué)概念。所以本案例的思路為：用大概念重構(gòu)課程內(nèi)容框架，淡化細(xì)枝末節(jié)的內(nèi)容，突出對重要概念的深入理解，為學(xué)生自主、合作、探究性學(xué)習(xí)留出時空，在引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)“基因通過指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成來控制性狀——基因的表達(dá)”這一概念的同時，發(fā)展學(xué)生的以科學(xué)探究能力為中心的生物學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、案例實施分析

（一）以科學(xué)史為主線回憶“基因的本質(zhì)”

導(dǎo)入：在學(xué)習(xí)本課內(nèi)容前，我們先回憶一下在《遺傳與進(jìn)化》模塊前三章，我們學(xué)習(xí)了哪些主要內(nèi)容？

問題情境：經(jīng)過這么多科學(xué)家的共同努力，我們終于解決了“基因是什么？”的問題。但還有一個懸而未決的問題是“基因是如何控制性狀的？”

轉(zhuǎn)折：今天我們將以科學(xué)史為主線，一起追尋“基因本質(zhì)”的發(fā)現(xiàn)歷程，這樣既可以對之前所學(xué)內(nèi)容做一個有序梳理，又可以解決“基因是如何起作用的？”這個問題。

（二）“基因通過指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成控制性狀”的實驗證據(jù)

引導(dǎo)：1865年孟德爾就提出了生物的性狀是由遺傳因子決定的，即是說基因控制生物的性狀?；虻降资峭ㄟ^什么途徑來控制生物的性狀？隨著科學(xué)家對蛋白質(zhì)的研究有了長足的進(jìn)展，人們認(rèn)識到性狀的形成離不開蛋白質(zhì)的作用，于是推測基因通過指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成來控制性狀。

演示：實驗證據(jù)：鐮刀型細(xì)胞貧血癥患病機(jī)理?？茖W(xué)家通過對鐮刀型細(xì)胞貧血癥患者血紅蛋白的研究，首次揭示了基因（DNA功能片段）可以控制氨基酸的順序。正常血紅蛋白分子是由α和β兩條多肽鏈組成，，如果一個人的兩條同源染色體都帶有β珠蛋白基因的S型等位基因，就會導(dǎo)致鐮刀型細(xì)胞貧血癥，患者的紅細(xì)胞呈鐮刀型。

反思：通過追蹤科學(xué)家的探索過程，一步步揭示基因與性狀的關(guān)系，并提供實驗證據(jù)證明，引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)思維的嚴(yán)密、探究的嚴(yán)謹(jǐn)、結(jié)論的嚴(yán)正，這些都是為社會和人民負(fù)責(zé)任的態(tài)度。

（三）融入史料分析，探秘RNA的發(fā)現(xiàn)

引導(dǎo)：RNA適合作DNA的信使，不能僅來自于理論推測，科學(xué)是追求實證的。

演示：RNA發(fā)現(xiàn)的科學(xué)史料，并展示問題情境：①與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的RNA有幾種？②轉(zhuǎn)運RNA轉(zhuǎn)運何種物質(zhì)？③信使RNA（mRNA）的作用是什么？

史料：①核糖體RNA（rRNA）約占細(xì)胞總RNA的85%，在蛋白質(zhì)合成旺盛的細(xì)胞中，rRNA的絕對數(shù)量急劇增加，在所有生物中，大小亞基的rRNA堿基組成基本相同（有較高的G和C）。

②轉(zhuǎn)運RNA（tRNA）幾年后，Zamecnik與Mahlon B.Hoagland合作研究獲得重要發(fā)現(xiàn)：在被整合進(jìn)蛋白質(zhì)之前，氨基酸首先結(jié)合到tRNA分子上。tRNA約占細(xì)胞總RNA的10%。

③信使RNA（mRNA）T4RNA不僅與T4DNA的堿基組成很相似，且T4RNA首先與已存在的核糖體結(jié)合，然后移動穿過核糖體表面，使其堿基進(jìn)入適當(dāng)位點，在這里進(jìn)行蛋白質(zhì)的合成，這種情況下，T4 RNA就決定了氨基酸的順序，它就是長期尋找的蛋白質(zhì)合成的RNA模板。由于它將DNA信息帶到了進(jìn)行蛋白質(zhì)合成的核糖體位點，故稱為信使RNA。

反思：探秘RNA的發(fā)現(xiàn)旨在引導(dǎo)學(xué)生了解RNA的科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程，促使學(xué)生明白模板RNA發(fā)現(xiàn)的重要意義，了解科學(xué)家的實驗思路，培養(yǎng)科學(xué)思維能力。

（四）融入史料分析，遺傳密碼對應(yīng)規(guī)則的發(fā)現(xiàn)

引導(dǎo)：mRNA作為蛋白質(zhì)合成的模板，其堿基順序如何決定蛋白質(zhì)的基本單位——氨基酸的順序？

演示：發(fā)現(xiàn)遺傳密碼的科學(xué)史及密碼子表，并設(shè)置下列問題串：①編碼氨基酸的密碼子共有多少種？②一種密碼子只編碼一種氨基酸嗎？③一種氨基酸只對應(yīng)一種密碼子嗎？

史料：1961年克里克發(fā)現(xiàn)，在基因堿基序列中增加或刪除一個堿基、二個堿基都無法產(chǎn)生正常功能的蛋白質(zhì);當(dāng)增加或刪除三個堿基時，卻合成了具有正常功能的蛋白質(zhì)?？死锟耸状瓮ㄟ^實驗證明了mRNA中3個相鄰的堿基決定1個氨基酸的事實。他把每3個這樣的堿基就稱為一個密碼子。在克里克實驗完成的同一年，尼倫伯格和馬太觀察到將體外合成的多聚核苷polyU（UUUUU……）加入能合成蛋白質(zhì)的無細(xì)胞體系中，產(chǎn)生的是只含苯丙氨酸的多肽。所以，UUU這一組核苷酸肯定編碼苯丙氨酸。

反思：克里克、尼倫伯格和馬太的實驗，包含著極其精彩的科學(xué)探究思路和方法，通過體會他們的實驗過程，有助于學(xué)生理解mRNA如何指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，同時可以提高學(xué)生的科學(xué)思維與探究能力。

（五）動態(tài)展示“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成過程”

引導(dǎo)：通過探究活動，我們已經(jīng)知道基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成過程分為兩大步驟：首先是在細(xì)胞核內(nèi)基因?qū)⑦z傳信息轉(zhuǎn)移至mRNA中，然后mRNA進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。

演示：基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成過程非常抽象，為幫助大家理解，我們一起觀看相關(guān)的模擬視頻。

反思：借助視頻材料，模擬基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成過程，幫助學(xué)生對此過程形成整體且清晰的認(rèn)識，助推學(xué)生順利進(jìn)行概念建構(gòu)。

（六）概念建構(gòu)，總結(jié)提升

引導(dǎo)：早在1957年克里克就提出：遺傳信息可以從DNA流向DNA，也可以從DNA流向RNA，進(jìn)而流向蛋白質(zhì)。此后五六年，科學(xué)家們通過不懈的努力揭示了蛋白質(zhì)的合成過程，證實了基因通過指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成過程控制生物的性狀，此過程即為基因的表達(dá)。

反思：1957年克里克提出的中心法則，引領(lǐng)了整個“DNA通過指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成來控制性狀”的科學(xué)研究進(jìn)程。通過師生合作總結(jié)提升，共同構(gòu)建“基因的表達(dá)”這一核心概念，助推學(xué)生形成“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”的生命觀念。

三、融入生物科學(xué)史教育的體會

生物科學(xué)史與一般教學(xué)內(nèi)容相比，更具有吸引性、趣味性、真實性，融入科學(xué)史教育情境能很好地激發(fā)學(xué)生的探究興趣，更快地進(jìn)入探究環(huán)節(jié);更好地展示科學(xué)探究的發(fā)生與發(fā)展過程，有助于學(xué)生理解科學(xué)知識的本質(zhì)，掌握科學(xué)探究的方法，領(lǐng)悟科學(xué)思維的方式，這對于培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)科核心素養(yǎng)意義重大。

四、結(jié)語

總之，因諸多因素的限制，編者不可能以科學(xué)史為主線來編寫教材，故一線教師可嘗試通過融入生物科學(xué)史來重構(gòu)教材內(nèi)容，根據(jù)核心概念產(chǎn)生和發(fā)展的過程，設(shè)置一系列的問題情境，智慧地利用學(xué)生在發(fā)現(xiàn)新問題、分析新問題、解決新問題的過程中所生成的新的教學(xué)資源，引導(dǎo)學(xué)生弄清楚概念的來龍去脈，幫助學(xué)生根據(jù)自己的思考和理解進(jìn)行核心概念的建構(gòu)，最終達(dá)到深入理解核心概念，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力，提升學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)的目的。

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