5E教学模式在高中生物学科学思维培养中的应用

摘要：“5E教学模式”是科学教育领域的重要教育模式，它包括五个教学环节，分别是吸引、探究、解释、迁移和评价。本文尝试利用“5E教学模式”对人教版高中生物必修二“基因指导蛋白质的合成”一节内容进行系统化设计，加强学生对核心概念的理解，培育学生的科学思维。

关键词：5E教学模式；核心概念；科学思维

2018年初，教育部颁布的《普通高中生物学课程标准（2017年版）》在基本理念中首次提出“内容聚焦大概念”，课程设计和实施追求“少而精”的原则，便是希望让学生摆脱孤立的生物学事实和概念的记忆，有相对充裕的时间主动学习，以达成对生物学核心概念的深刻理解，发展生物学学科核心素养[1]。初高中生物教材中蕴含着众多的生物学概念，教师在设计和组织每个单元的教学活动时，应以核心概念为中心，精选教学内容并设计恰当的教学活动方式[2]。

5E教学模式是美国生物科学课程研究所在Atkin-Karplus学习环的基础上提出来的，其宗旨是是帮助学生实现概念转变和科学概念的构建[3]。“DNA分子上的遗传信息通过RNA指导蛋白质的合成”这一核心概念的教学按照5E教学模式的五个教学环节依次进行、循序渐进。首先通过我国抗虫棉的真实案例，“转入的是基因，得到的却是蛋白质”激发学生的学习兴趣，通过展示DNA和蛋白质的的位置与大小相冲突的资料让学生明白DNA不能直接与蛋白质建立联系，可能需要信使。设置探究活动明确RNA的合成场所，验证RNA能从细胞核转移到细胞质，进一步探究mRNA编码并结合氨基酸的方式，在探究环节中理解基因的表达包含转录和翻译两个过程，达成对概念的初步认识，随后经过解释、迁移、评价环节完成核心概念的建构。

一、教学背景分析

（一）教材分析

本节为人教版高中生物必修二“遗传与进化”第4章第1节：基因指导蛋白质的合成。本节内容从分子水平上阐述了遗传物质在生物体内是如何起作用的，承接第3章“基因的本质”，并为第5章“基因突变及其他变异”和第6章“生物的进化”埋下伏笔。它作为二者之间的桥梁，让学生在掌握DNA的结构和基因本质的基础上，进一步认识DNA分子上的遗传信息如何通过RNA指导蛋白质的合成，并影响生物的性状。

（二）学情分析

学生已经学习了第3章“基因的本质”，知道DNA上储存着遗传信息，基因通常是有遗传效应的DNA片段，那么，基因又是如何起作用的呢？这是学生学习前3章后自然产生的问题。高一阶段的学生好奇心强，逻辑思维和抽象思维能力已经有了一定发展，本节内容涉及众多的分子生物学知识，过程复杂、微观、抽象，对学生来说有一定的难度，教师要结合学生的生活经验，通过设置巧妙的问题串，引发学生的好奇心和求知欲，让学生们在一个个探究活动中逐步达成对这一核心概念的理解。

二、教学目标

（一）通过分析、归纳图文资料，概述遗传信息的转录和翻译过程。

（二）运用数学方法，分析DNA的碱基、mRNA的碱基与氨基酸之间的对应关系。

（三）阐明中心法则的具体内容，认同科学是不断发展的。

（四）通过对抗生素作用机理的分析，对抗生素滥用形成正确的价值判断。

三、教学过程

（一）吸引环节（Engagement）

教师展示图文资料，展示我国科学家郭三堆教授及其团队培育出转基因抗虫棉的过程，使中国成为世界上第二个具有自主产权的抗虫棉国家。教师提问：为什么转入的是基因，得到的却是蛋白质？为什么转入棉花的是Bt抗虫蛋白基因，表达出来的一定是Bt抗虫蛋白？为什么会这样？为什么一种生物的基因能在另一种生物中表达呢？通过问题串激发学生的学习兴趣，唤起学生的探究欲望。

（二）探究环节（Exploration）

教师引导学生回忆基因的本质以及DNA的结构，提问：基因主要在细胞的什么位置？蛋白质的合成在细胞哪里？学生回答后教师追问：位于细胞核中的基因如何控制细胞质中蛋白质的合成呢？基因会从细胞核进入细胞质从而指导蛋白质的合成吗？还是核糖体会从细胞质进入细胞核来合成蛋白质呢？对于这一问题教师及时提供资料引发学生思考：DNA和蛋白质的直径分别约2nm和23nm，核孔直径只有0.9nm，说明什么问题？学生经小组讨论后认为可能需要一种信使将基因上携带的遗传信息传递到核糖体上。那么这个信使是什么物质呢？作为DNA的信使需要哪些条件？

教师提供资料一：有人曾在1955年用洋葱根尖和变形虫进行如下实验：①细胞中加入RNA酶（分解其中的RNA），蛋白质的合成就停止;②上述实验出现现象后，再将从酵母菌中提取出来的RNA加入细胞中，则细胞又可重新合成一定数量的蛋白质；资料二：1955年拉斯特等人用变形虫所做的换核实验。教师提问：综合分析资料一和资料二，你认为遗传信息的传递途径是什么？学生归纳后得出：DNA→RNA→蛋白质。教师引导学生对比DNA和RNA的化学组成和结构差异，分析总结RNA适合作为DNA信使的原因。

教师追问：mRNA进入细胞质后如何将遗传信息翻译成蛋白质呢？引导学生对比RNA和蛋白质的结构差异，思考mRNA的4种碱基与21种氨基酸之间可能的对应关系，一个碱基决定一个氨基酸还是两个、三个呢？教师此时提供脚手架，展示克里克以T4噬菌体为实验材料的突变实验，让学生分组模拟mRNA序列在不同阅读方式下，某处插入不同数目的碱基对蛋白质的影响，从而认同克里克的主张。教师进一步展示美国生物学家尼伦伯格等的蛋白质体外合成实验，设置问题串：体外合成同位素标记的多肽链需要哪些材料？多聚尿嘧啶核苷酸的作用是什么？为什么要除去细胞提取液中的DNA和mRNA？如何设计对照组？怎样推知其他氨基酸对应的密码子？通过推理，让学生深入认识密码子表，并介绍几乎所有的生物体都共用一套遗传密码，拓展关于生物进化的内容。教师进一步提问：游离的氨基酸怎样运送到核糖体并与mRNA结合？教师呈现衔接子发现实验，学生讨论得出需要蛋白质的合成需要tRNA作为搬运工。接下来教师提供Bt毒蛋白基因的部分序列信息，让若干同学进行角色扮演，有的同学扮演核糖体、有的同学扮演不同种类的tRNA、有的同学扮演游离的核糖核苷酸，完成翻译过程的游戏模拟，在游戏中进一步加深对翻译过程的认识。

（三）解释环节（Explanation）

在完成以上探究活动的基础上，学生对基因指导蛋白质的过程已经产生了感性认识，教师展示转录与翻译过程的动画，引导学生概括转录与翻译的过程，建构基因表达的概念模型，理解知识的内在联系，掌握重要概念。引导学生观察烟草花叶病毒和HIV病毒侵染细胞的图示，补充遗传信息从 RNA 流向 RNA 以及从 RNA 流向 DNA 的过程，认识到科学的发展是是一个不断开拓、继承和发展的过程。学生阐明在遗传信息的流动过程中DNA、RNA是信息的载体，蛋白质是信息的表达产物，ATP为信息的流动提供能量，进而认识到生命是物质、能量与信息的高度统一体。

（四）迁移环节（Elaboration）

教师提供红霉素、环丙沙星、利福平等抗菌药物的抗菌机制，教师提问：这些抗菌药物通过影响中心法则的什么过程来抑制细菌的生长？学生经分析后得出环丙沙星影响DNA的复制过程、利福平影响转录过程以及红霉素影响翻译过程。教师追问抗生素能对病毒起作用吗？学生经小组讨论后得出病毒无细胞结构，不会在细胞内完成转录和翻译过程，因此抗生素对病毒无效果，建立科学用药的健康观念。

（五）评价环节（Evaluation）

为了评价学生对“DNA分子上的遗传信息通过RNA指导蛋白质的合成”这一核心概念的理解和应用情况，教师可以结合学生在课堂上的表现及学生的自评、互评表对学生做出初步评定；另外布置学习任务，让学生课后通过多渠道搜集与基因的表达相关的资料、最新研究进展，并在班级内交流。通过引导学生关注科学前沿，将学习的新概念与现实生活联系起来，引发学生兴趣，班内交流中学生的实际表现将作为重要的评价指标。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定. 《普通高中生物学课程标准（2017年版）》[M]. 北京：人民教育出版社，2018.

[2]H. Lynn Erickson. 概念为本的课程与教学[M]. 北京：中国轻工业出版社. 2003.

[3]吴成军，张敏. 美国生物学“5E”教学模式的内涵、实例及其本质特征[J]. 课程·教材·教法，2010，30（06）：108-112.