借用假说方法深层演绎生物进化观——人教版高中生物必修二《基因控制蛋白质的合成》教学回溯，本文主要内容关键词为：假说论文,人教版论文,蛋白质论文,基因论文,生物论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
高中新课程中的生物学教学非常重视学生科学素养的形成，把提高每个高中学生的生物科学素养作为课程标准实施中的核心任务。《普通高中生物课程标准》在阐述设计模块的价值时指出：“‘遗传与进化’模块有助于学生认识生命的延续和发展，了解遗传变异规律在生产生活中的应用；领悟假说演绎、建立模型等科学方法及其在科学研究中的应用：理解遗传和变异在物种繁衍过程中的对立统一，生物的遗传变异与环境变化在进化过程中的对立统一，形成生物进化观点。”人教版高中生物必修课二《基因控制蛋白质的合成》正是生物课程中理论性很强、思辨程度很高的一课，特别能体现这一课程模块的核心价值观。
一、搭建假说演绎的思维基础
（一）复习旧知识，构建知识的逻辑起点
教师引导学生回顾“DNA的功能”、“遗传信息的概念”等内容。其中，教师强调，在遗传信息传递时，是DNA通过碱基序列的——对应的配对式信息复制，实现由亲代传递到子代的。当子代获得了亲代传递而来的遗传信息后，就需要以性状的形式表达出来，这就是DNA的另一个功能——表达遗传信息。
随即，教师提出本节课的学习课题：“遗传信息表达——基因控制蛋白质的合成”。
接着，引导学生分析“遗传信息表达”的含义：DNA中含有遗传信息的片段——基因控制蛋白质的过程，即DNA中的脱氧核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的信息转换。
（二）学习新知识，沟通知识的逻辑联系
教师：由于表达的场所在细胞质的核糖体上，而DNA主要存在于细胞核中，有着空间上的间隔。这就需要一个中介物质参与，该物质就是mRNA，而形成mRNA的过程称为“转录”。
教师利用PPT动画讲解转录的过程。
重点引导学生关注DNA控制合成RNA的过程中：①遗传信息的编码方式；②由复制时碱基的一一对应关系，到转录时碱基的一一对应关系。
教师：请同学们比较、归纳出DNA的复制和转录之间的相似之处，说出转录的意义。
学生：DNA的复制和转录都是以碱基互补配对的方式，通过碱基的一一对应来实现遗传信息的准确传递。通过转录，将DNA中的遗传信息（碱基序列）转变成了mRNA的碱基序列，实现了遗传信息由DNA→RNA的传递。
教师：mRNA上的信息是如何决定蛋白质多肽链上氨基酸的顺序的？从而引出“翻译”的学习课题。
二、亲历假说演绎的思维过程
（一）学习新概念，讨论新课题
教师：（提出思考的新方向）同学们是否注意到，当mRNA控制蛋白质的合成时，需要进行信息的转换，即将mRNA上的碱基排列顺序转换成蛋白质中氨基酸的种类、数量和排列顺序。由于该过程中发生两种物质之间信息的编码方式变化，即由碱基编码变成了氨基酸编码，所以我们形象地将该过程称为“翻译”。
教师：（启发学生发现需要探索的问题）同学们是否意识到在翻译的过程中，mRNA要将其碱基序列转变成蛋白质中的氨基酸序列，面临着一个难关？
学生：（讨论得出）信息转换有问题。即mRNA信息的编码形式是由四种碱基组成，它如何能够决定由20种氨基酸进行编码的蛋白质序列呢？
教师：（归纳学生的思路，提出本节课的核心内容）mRNA上的碱基序列决定多肽链上氨基酸的种类、数量和排列顺序的方式。
（二）研究新问题，体验新方法
1.初步尝试提出假说和验证假说
教师：复制是遗传信息由DNA→DNA，通过碱基一对一实现的。而转录实现了遗传信息由DNA→RNA，也是通过碱基一对一实现的。而现在是RNA上的遗传信息如何反映到蛋白质的多肽链上？
学生：通过分析，提出解决问题的基本思路，需要通过实验证明
a.几个碱基决定一个氨基酸？
b.哪几个碱基的组合决定一个氨基酸？
其中，首要解决的问题是，几个碱基决定一个氨基酸？
学生通过思考、讨论，迅速找到运用数学排列组合知识来解决该问题的思路。
学生1：由3个碱基决定1个（即1种）氨基酸。
学生2等：既然可以由3个碱基决定1个（即1种）氨基酸，那么，从数量关系的角度，由4个及其以上的碱基，决定1个（即1种）氨基酸也应该成立。
教师：组成mRNA的A、G、C、U四种碱基中可重复选取几个碱基，能决定1种氨基酸？即：
假设：①mRNA上由3个碱基决定1个（即1种）氨基酸。
②mRNA上由4个及其以上的碱基，决定1个（即1种）氨基酸。
此时，学生们思维冲突的焦点是“是3个碱基还是4个碱基（或以上）构成的组合决定一种氨基酸”。而他们缺乏解决该问题的手段和方法，不知如何下手。
学生3：测定并计算mRNA上的碱基数量与蛋白质上的氨基酸数量之间的比值，即可得出结论。
同学们都赞同他的意见，但不知如何操作。教师提供当时人们研究这一问题时已经具备的技术手段，并通过PPT展示：
①提供适宜的外界条件，可以人工合成特定核糖核苷酸序列的mRNA，并且可以增添或者删减mRNA上的碱基；
②提供适宜的外界条件，可以在无细胞结构的基础上，利用人工合成的特定核糖核苷酸序列的mRNA指导形成肽链；
③借助特定的仪器可以对多肽链上的氨基酸进行测序。
得知这个条件后，学生们非常兴奋，大家一致提出的方案是，人工合成已知碱基数量的mRNA，并能利用这个mRNA控制合成相应的蛋白质，然后测定蛋白质的氨基酸序列。最后，计算mRNA的碱基数量与蛋白质上的氨基酸数量之间的比值，看是3∶1还是4∶1，或者是其他的比值，即可得出mRNA上是几个碱基决定一个（一种）氨基酸。
2.及时呈现新情境和讨论新问题
此时，似乎问题已经可以得到圆满的解决，大功即将告成了。这时，屏幕上呈现出了科学家的实验资料——耶洛夫斯基实验。
耶洛夫斯基实验
五十年代中期，斯坦福大学的耶洛夫斯基做过这样一个实验：他在研究大肠杆菌某种酶（蛋白质）的时候，发现控制这种酶的DNA片段大约有1000多个核苷酸的长度，转录形成的mRNA具有100碱基，但合成的这种酶大约由280个氨基酸组成。
学生阅读资料后愕然。他们十分困惑，不知道为何和预期的结果差异如此之大？因为，碱基与氨基酸的数量比既不是3∶1，也不是4∶1。同学们通过分析，计算实验结果，得出结论：如果是三个碱基决定一个氨基酸的话，280个氨基酸应该由280×3=840个碱基来决定；如果是四个碱基决定一个氨基酸的话，280个氨基酸应该由280×4=1120个碱基来决定。不管是哪一种可能性，和耶洛夫斯基的实验都不相符合啊，因此刚才的所有假设似乎都不成立。
此时学生认识到解决这个问题并不像想象中那么简单，感觉到科学研究的复杂性和艰苦性，并急切地想找到进一步研究的突破口。这时，学生才算是进入到了探究的状态，真正进发出探索该问题的强烈愿望。
3.积极寻求新思路和寻找新方法
教师首先引导学生从现实的实验结果入手，通过数量关系，分析出现该实验结果的可能原因。
学生4：①由于氨基酸的数量小于碱基与氨基酸的数量比3∶1的比值，可能是3个碱基决定一个氨基酸，但碱基未被全部利用。
教师：碱基为何没有被充分利用？
学生4：因为一条mRNA碱基序列决定氨基酸序列的起点可能不在第一个碱基。多数学生认同了他的观点，似乎问题得到了解决。
学生5：（提出了不同的观点）由于氨基酸的数量大于碱基与氨基酸的数量比4∶1的比值，可能是4个（或以上）碱基决定一个氨基酸。原因是，碱基序列不是以连续编码的方式决定氨基酸，其编码方式是重复（即重叠）编码的。
此时，多数学生还没有理解他的思路，议论纷纷，思维的矛盾冲突非常激烈。这时，教师先请该同学解释“重叠编码”的含义。学生在黑板上以一个mRNA的碱基模型，展示并说明“重叠编码”的含义：如前四个碱基决定一个氨基酸，然后前四个中的第四个和后面的三个碱基共同决定下一个氨基酸，即碱基在被重复使用，以此类推。
教师引导其他学生分析、评价他的观点是否合理？同学们经过讨论，认为他的解释是可以成立的。
学生6：（综合上述两种解释提出新观点）既然4个及其以上的碱基决定一个氨基酸时，碱基序列可以是重叠编码的，那么，3个碱基决定一个氨基酸时，也可能存在重叠编码么？
此时，整个课堂沸腾了，学生的思维碰撞达到了高潮，开始了激烈的辩论。大家都坚持自己的意见，但也无法否定对方的观点。在学生争执不下之际，教师引导大家冷静分析，归纳出上述三个问题的焦点：
(1)是3个碱基还是4个（或4个以上）碱基决定一个氨基酸？
(2)在碱基决定氨基酸时，是否存在重叠编码的情况？
教师进一步引导学生深入思考，从这两个问题中寻找到研究的突破口。
首先需要探究是否存在“重叠编码”的问题。因为，“4个或者4个以上的碱基决定一个氨基酸”的前提是存在“重叠编码”。一旦否定了“重叠编码”的可能性，也就解决了决定一个氨基酸的碱基数量的问题。教师出示课件：
此时，学生的思维变得更加主动活跃起来，思维集中在讨论是否存在“重叠编码”问题上，积极寻找解决问题的思路和方法。此时，他们想到了借助教师在前面提供的技术方法和手段，并提出了实验的新思路、新方法。
学生：在mRNA的首位碱基前面，添加一个碱基，然后测定并观察氨基酸的序列变化状况，以判断碱基是否存在“重叠编码”。
(1)如果添加一个碱基，在原氨基酸序列不变的前提下，数目增加一个，则说明是重叠编码的。
(2)如果添加一个碱基，氨基酸的种类和序列发生较大变化，则说明碱基不是重叠编码的。
该思路和方法是否可行呢？
教师提供“克里克实验”的材料，以供学生分析、验证。出示课件：
克里克实验
1961年，克里克在研究实验过程中做了如下尝试：
用T4噬菌体染色体上的一个基因通过用原黄素处理，可以使DNA脱落或插入单个碱基。插入碱基叫“加字”改变，脱落碱基叫“减字”改变，无论“加字”还是“减字”，都可以引起DNA上的相应碱基序列产生“移码”改变，从而导致mRNA碱基序列的变化。克里克用这种方法获得一系列的T4噬菌体“加字”和“减字”改变，来获得加入或减少1个、2个、3个的不同碱基数的系列改变。通过这样的方法，他们发现：加入或减少1个和2个碱基都会引起噬菌体氨基酸序列改变，而加入或减少3个碱基时氨基酸序列并没有改变，只是增加或减少一个氨基酸。
教师：（要求同学们在草稿纸上画出上述变化过程，同时请一位同学在黑板上演示：mRNA的碱基序列——AUGCUAACCUCA）当图中mRNA的碱基中插入一个碱基G后，可能会带来的多肽链上氨基酸种类的变化吗？
通过推导、分析，学生得出的一致结论有：
(1)加入或减少1个和2个碱基，都会引起噬菌体氨基酸序列改变。说明mRNA决定氨基酸时，不存在重叠编码的现象，是连续编码的。
(2)加入或减少3个碱基时，氨基酸序列并没有改变，只是增加或减少一个氨基酸。说明mRNA上是由3个碱基决定一个氨基酸。
这样，在得到相应结论的同时，教师也肯定学生在前面设计实验方案时思维的正确性和创新性，并提出“密码子”的概念。
4.运用新知识，解释新现象
前面的探究解决了mRNA的碱基决定氨基酸的数量比值关系，但学生头脑中仍然存在疑惑：为什么有1000个碱基的mRNA只翻译出具有280个氨基酸的蛋白质？因为，这个结果不符合3∶1的比值。
此时，教师指导学生阅读教材中的密码子表，归纳其特点，得出“起始密码子”、“终止密码子”的概念，即翻译时，起点是从固定的“起始密码子”处开始，在特定的“终止密码子”处结束。然后，教师要求学生运用“密码子”、“起始密码子”、“终止密码子”的知识，解释存在的疑惑。
这时，学生很轻松就分析得出了结论：是因为mRNA存在着起始密码子和终止密码子，导致起点不一定是第一个碱基；或者是从第一个碱基开始翻译，中间遇到了终止密码子。
三、总结假说演绎的最终结果
（一）综述基因控制蛋白质的合成过程
学生通过阅读教材，学习转录和翻译的完整过程。教师讲解并强调mRNA的结构及功能，特别是“反密码子”与“密码子”的对应关系。
这样，在学生的知识体系中，就清晰地建立了遗传信息是如何准确地由DNA传递给mRNA再由mRNA传递到多肽链。最终由多肽链上的氨基酸种类、数量和排列顺序准确地体现出来，实现了遗传信息的表达。
（二）归纳遗传信息的传递表达法则
教师请同学们归纳、总结遗传物质的传递与表达的全过程，得出中心法则。
学生结合教材得出中心法则：
教师强调：“中心法则”表达了遗传信息的流动方向，体现出基因与性状之间的内在联系，揭示遗传现象的本质。