5E教學模式在高中生物學核心概念教學中的實踐

陶楊娟

(浙江省紹興市柯橋區柯橋中學 312030)

基于建構主義理論和概念轉變理論，將課程教學分為參與(engagement)、探究(exploration)、解釋(explanation)、拓展(elaboration)及評價(evaluation)，簡稱5E教學模式。此教學模式強調學生的主體性，遵循學生的認知規律，通過探究活動解決學生對新舊概念的認知沖突，使得學生能主動進行科學概念的構建及錯誤概念的轉化?，F以“遺傳信息的表達——RNA和蛋白質的合成”一節教學為例，闡述5E教學模式在高中生物學教學中的實踐探究。

1 分析教學內容，把握核心概念

“遺傳信息的表達——RNA 和蛋白質的合成”是浙科版高中生物學教材《遺傳和進化》第三章第四節內容，本節的概念可用陳述句表述為：蛋白質是生命活動的主要承擔者；轉錄是指遺傳信息由DNA傳遞到RNA上的過程；轉錄的產物RNA分為信使RNA、轉運RNA和核糖體RNA等種類，這些RNA分子都是以DNA上的基因區段為模板轉錄而來的；在真核生物中，遺傳信息的翻譯是以mRNA為模板，利用細胞質中的各種氨基酸，合成具有一定氨基酸排列順序的蛋白質的過程；生物性狀的遺傳信息是由核酸中核苷酸的排列方式決定的?？蓪⒈竟潈热菀愿拍顖D形式呈現(圖1)。

圖1 RNA和蛋白質合成的知識構圖

經圖1分析，本節最上位的概念即重要概念：真核細胞中，細胞核中DNA上的遺傳信息指導蛋白質的合成，即DNA上的脫氧核苷酸排列順序決定了蛋白質中氨基酸的排列順序。

2 應用5E教學模式，開展核心概念教學

2.1 激發學生參與學習 學生參與教學活動的形式是多種多樣的，可以是教師口頭提問、用幻燈片提供問題情境、展示實物模型等方式，吸引學生的注意力和激發學生學習興趣。學生通過對前面幾節內容“核酸是遺傳物質的證據”和“遺傳信息的傳遞”的學習，已經明確基因和遺傳信息的概念和關系，但這兩個概念在學習“轉錄”概念時存在隱蔽性，所以教師在教學中應該讓學生主動發現并暴露這些已有知識。

教師可用情境導入法，以對轉基因熒光鼠的介紹引起學生的注意力，激發學生的學習興趣，導入課題。學生對基因主要位于細胞核內而蛋白質的合成在細胞質中已經有了一定的認識，必定產生疑問：細胞核中的基因如何控制細胞質中蛋白質的合成呢？然后以預設的問題組織學生開展課堂討論，實施探究活動，教師在討論過程中注意傾聽學生暴露的錯誤概念，最后再一并指正。

2.2 實施探究活動 受實驗材料和條件的限制，學生無法開展對DNA指導蛋白質合成的探究實驗，可以問題驅動引發學生的學習興趣，再加資料講解的形式重現當年的研究過程，讓學生自主建立核心概念。

活動1：針對轉基因熒光鼠的例子，引出“轉錄和翻譯”，將遺傳信息的表達過程分為轉錄和翻譯兩個過程。讓學生帶著問題去閱讀教材：①轉錄和翻譯的場所在哪里？②細胞核中DNA上的基因在指導細胞質中蛋白質的合成過程中，是DNA出來還是核糖體進去？③轉錄和翻譯的產物是什么？

引發學生思考，學生結合已學細胞器知識，細胞核中沒有核糖體的分布及DNA主要存在于細胞核中，解答以上問題。再提供事實材料，如DNA分子的直徑約2nm，核糖體直徑約23nm及核孔直徑0.9nm等，鞏固學生的認知，并為活動2作鋪墊。

活動2：教師布置任務：整理從DNA指導蛋白質合成過程的邏輯事件圖，以mRNA為發射點，提出若干問題。

問題1：轉錄產物mRNA在遺傳信息的表達過程中起什么作用？

展示資料：1955年布拉舍用洋蔥根尖和變形蟲為材料進行實驗，他用核糖核酸酶(RNA酶)分解細胞中的核糖核酸(RNA)，蛋白質的合成就停止。而如果再加入從酵母中抽提的RNA，蛋白質的合成就有一定程度的恢復。同年，戈爾德斯坦(Goldstein)和普勞特(Plaut)觀察到用放射性標記的RNA從細胞核轉移到細胞質。因此，人們猜測RNA是DNA與蛋白質合成之間的信使。后人將此類RNA稱為信使RNA(mRNA)[1]。

問題2：如何用實驗證明mRNA來自細胞核？

展示資料：拉斯特的變形蟲實驗，先將A組變形蟲置于含15N標記的尿嘧啶核糖核苷酸培養液中培養；B組變形蟲置于不含15N標記的尿嘧啶核糖核苷酸培養液中。一段時間后，發現標記的RNA首先在A組細胞核中出現，過一段時間在其細胞質中也出現，而B組中均未出現相應標記。隨后取A組變形蟲的細胞核移植到未標記的B組去核變形蟲的細胞質中，得到重組變形蟲(C組)，用未標記的尿嘧啶核糖核苷酸培養液中培養，結果原先沒有標記的細胞質中出現了有標記的RNA。此資料表明：是RNA在細胞核中合成并將核中DNA的遺傳信息帶到細胞質。

問題3：mRNA在連接DNA和蛋白質之間究竟起什么樣的作用呢？

讓學生復習教材課外讀“DNA和RNA的化學成分比較”，分析DNA與RNA的不同，可知RNA分子比較小，而且往往是單鏈結構，能通過堿基與DNA鏈配對，故也能儲存遺傳信息。而在合成蛋白質時，核糖體特殊的結構，可容納mRNA、tRNA及進行氨基酸結合等反應。

問題4：請你猜測DNA指導蛋白質合成過程。

學生通過對上述提示的思考，初步認定RNA是在DNA指導下合成，穿過核孔到達細胞質的核糖體上，與核糖體結合后合成蛋白質。但是，對具體過程表述比較模糊。教師可引導學生觀看遺傳信息表達過程視頻，并指導學生閱讀教材，對文中的語句表述進行解釋。

隨后，師生共同梳理這個過程：在細胞核中，以DNA的一條鏈為模板合成了具有一定堿基排列順序的RNA，轉錄時，RNA聚合酶結合在基因的啟動部位，合成的RNA，也就是說細胞核中DNA上基因的堿基排列順序決定了RNA上堿基排列順序，此過程類似于磁帶翻錄，故名轉錄。而形成的產物稱為信使RNA(mRNA)。mRNA在細胞核中加工后，通過核孔與細胞質中的核糖體結合，進行翻譯。這樣mRNA上的堿基排列順序決定了蛋白質中氨基酸的排列順序。

問題5：既然mRNA是指導蛋白質合成的模板，但mRNA由4種核糖核苷酸組成，而蛋白質卻由20種氨基酸組成。4種堿基是如何排列組合起來以決定每一種氨基酸的呢？這就是分子遺傳學中著名的“遺傳密碼”問題。

展示資料：1954年，美籍俄裔理論物理學家莫夫(G.Gamow)應用排列組合計算來研究遺傳密碼，如果1個堿基為1個氨基酸編碼，只能決定4種氨基酸，若2個堿基，則能決定16種氨基酸，若3個則能決定64種，因此提出了遺傳密碼的三聯體假說。1961年，克里克用吖啶黃引起的移碼突變證明遺傳密碼確實是三聯體。美國科學家尼倫伯格與霍拉納，尼倫伯格先合成了一條全部由尿嘧啶核苷酸(U)組成的多核苷酸鏈，即UUU……然后將這種多聚U加入到含有20種氨基酸以及有關酶的緩沖液中，結果只產生了一種由苯丙氨酸組成的多肽鏈。于是第一個遺傳密碼誕生了：與苯丙氨酸對應的遺傳密碼是UUU。后來又陸續破譯了其他密碼子。在這64個密碼子中，有3個并不編碼任何氨基酸，而是作為蛋白質合成的終止信號(“句點”)，稱為終止密碼子。

教師小結：mRNA上每3個相鄰的堿基叫做密碼子。教師指導學生閱讀教材內容，介紹同樣在細胞核中合成，經加工進入細胞質中發揮作用的RNA，其單鏈比mRNA分子還小，結構比較特別，經加工后折疊似三葉草的葉形，一端能攜帶氨基酸；另一端有3個堿基為反密碼子，與mRNA上的密碼子互補，此RNA既有搬運氨基酸功能，又有識別密碼子功能，稱為tRNA。

為幫助學生梳理對所學知識的理解，教師可通過視頻動畫對轉錄和翻譯過程中的模板、原料、產物、酶、堿基配對、信息傳遞方向等相關問題進行對比，還可以跟DNA復制作比較，加深對遺傳信息表達過程的理解。

2.3 引導學生解釋概念 教師根據教材中的核心概念，以判斷題的形式，要求學生判斷并解釋：①轉運氨基酸的tRNA是基因的表達產物；②合成該蛋白質時，相應的rRNA的堿基排列順序發生了變化；③核糖體認讀mRNA上決定氨基酸種類的密碼，選擇相應的氨基酸合成多肽鏈。

對于①，學生可利用教材關于基因表達的概念，“基因形成RNA產物以及mRNA被翻譯為基因的蛋白質產物的過程都稱為基因表達”，判斷此話是正確的。而②和③可根據對翻譯概念的理解，判斷②是錯誤的，③是正確的。

2.4 促進概念遷移 學生初步掌握了真核細胞中轉錄和翻譯過程涉及到的幾個核心概念后，創設問題情境，教師應將教材中的幾個材料整合并呈現于學案中，讓學生明確核心概念的內涵和外延，促進概念的應用與遷移。

材料1：多肽鏈合成時，在一個mRNA分子上有若干個核糖體同時進行工作(必修2教材中的內容)。

材料2：(在原核細胞中)DNA與周圍的核糖體直接接觸，并通過RNA傳遞信息，由核糖體合成所需要的多肽。(必修1教材中的內容)。

教師引導學生對材料進行分析，材料1展示了翻譯過程中的一種現象，即多聚核糖體，一般來說，mRNA的長度越長，上面可附著的核糖體數量就越多。由于這些多肽鏈的合成都是以同一條mRNA為模板合成的，可以在短時間內合成大量相同多肽鏈。需要注意的是，多聚核糖體只是讓很多核糖體可以一起工作，以增強肽鏈的合成效率，每條肽鏈還是只能有一個核糖體來合成，所用時間并沒有縮短，只是“同時性”提高了翻譯的效率。

材料2展示在原核細胞中，基因可以邊轉錄邊翻譯，這樣同樣也可以增加效率。從中是否也可以得出原核細胞的mRNA不需要加工直接可作為翻譯的模板呢？事實確實如此，除原核細胞的mRNA，其他RNA分子，包括真核細胞的3種RNA和原核細胞的rRNA、tRNA都要經過加工才能成為成熟有功能的分子，這個過程叫做“轉錄后的加工”或“RNA的成熟”。

通過引導學生閱讀教材材料，幫助學生實現概念的遷移。

2.5 評價概念學習 經過上述4個環節的教學，學生對于遺傳信息的表達過程中涉及的核心概念及其統領的普遍概念的理解已經較為深刻，這時可以精選幾道練習題觀察學生對所學概念的理解，并綜合評價，一方面保證概念教學目標的達成；另一方面也有助于改進概念教學。

例題1：下列有關蛋白質生物合成的敘述，正確的是( )

A．一種tRNA可以攜帶多種氨基酸

B．DNA聚合酶是在細胞核內合成的

C．反密碼子是位于mRNA上相鄰的3個堿基

D．線粒體中的DNA能控制某些蛋白質的合成

例題2：圖示細胞內某些重要物質的合成過程。該過程發生在( )

A．真核細胞內，一個mRNA分子上結合多個核糖體同時合成多條肽鏈

B．原核細胞內，轉錄促使mRNA在核糖體上移動以便合成肽鏈

C．原核細胞內，轉錄還未結束便啟動遺傳信息的翻譯

D．真核細胞內，轉錄的同時核糖體進入細胞核啟動遺傳信息的翻譯

5E教學模式注重學生在課堂上的主動參與，積極構建活動，以生為本，要求學生在與學習內容、教師和其他同學互動過程中構建、重組與修正自己對生物學概念的認識，這種互動不僅僅是動手活動，還包括動腦思考，最終達到提高學生生物學素養這一核心目標。