1       探究活动的知识背景

高中生物（人教版）第6章第1节“遗传的物质基础”中，“基因的表达”既是重点又是难点，其主要内容为基因控制蛋白质的合成，这部分内容以前面所学习的DNA是主要的遗传物质、DNA的分子的结构和复制、基因与DNA和遗传信息的关系等作为知识基础，同时又是后面将要学习的基因突变、生物的进化等的基础。教材上以叙述性知识为主，简单介绍了基因控制蛋白质合成的过程。以往教学常常以接受式学习方式，把这个过程介绍给学生，即使使用多媒体教学，也不过是用动画展示DNA转录和蛋白质翻译的动态过程，给学生一个直观认识。这样就忽略了利用这部分教学资源对学生进行科学探究能力和科学精神的培养，结果是学生仅仅知道或者了解了蛋白质翻译的基本过程，使知识传授与能力培养相互脱节，不能达成高中生物的有关教学目标。

其实，该内容蕴涵有丰富的科学史探究素材，非常适合学生进行探究性学习活动，在这个探究性学习活动中，能使学生经历和体验科学探究的过程，激发其学习生物学的兴趣，更有效地促进学生智力的发展和科学探究能力的提高，全面培养学生的生物科学素养。在教学实践中，我发现学生对蛋白质的翻译过程很感兴趣，常常提出下列问题：科学家是怎样知道信使RNA碱基和氨基酸的对应关系的？如何研究不同氨基酸的密码子？所以，在学习这部分内容时，我增加了“基于‘破译遗传密码’科学史的课堂探究活动”这样一节课，通过学生的探究性学习活动，体味科学的本质，并且达到知识、能力、情感三者合一的教学目标。取得了良好的教学效果。

2 课堂探究活动的过程

该教学过程需要教师查阅与教学内容有关的大量文献资料，利用相关科学史中的科学方法，将教材中的结论性知识转化设计为适合学生进行探究性学习的问题，精心设计探究性学习活动的过程，把问题逐步呈现给学生，引导学生通过问题的分析、思考、讨论、交流、反思将数据或资料内化整合，经过主动探究获取新知识。

2.1  引入新课题并明确探究目标---碱基与氨基酸之间的对应关系是怎样的？

复习转录过程，经转录合成的mRNA通过核孔进入细胞质中并与核糖体结合，然后在tRNA的参与下，按照mRNA的碱基排列次序合成相应氨基酸排列次序的蛋白质分子的过程叫做翻译。mRNA是怎样把其中的遗传密码转化为蛋白质中相应氨基酸排列次序的？mRNA的碱基与氨基酸之间是如何对应的？下面我们将通过同学们的探究性学习活动，研究碱基与氨基酸之间的对应关系。

2.2  通过简单的数学计算与推理，使学生从数学的角度认识碱基与氨基酸的对应关系。

将整合的资料问题（1）展示给学生，让学生分组讨论，并告诉他们，可以分析讨论、交流合作，3～5min后向全班同学陈述展示他们的探究成果，由其他同学评价订正。

问题内容：mRNA只有4种碱基，而组成蛋白质的氨基酸有20种，这四种碱基是怎么决定蛋白质的20种氨基酸的呢？如果1个碱基决定一个氨基酸，那么4种碱基只能决定4种氨基酸，显然这种组合是不够的。想一想，①如果2个相邻碱基决定一种氨基酸，最多能编码多少种氨基酸呢？②如果3个相邻碱基决定一种氨基酸，结果又是如何呢？③由此仅从数据上分析你认为应该多少个碱基编码一个氨基酸，4种碱基才足以组合出构成蛋白质的20种氨基酸？（①4²=16种；②4³=64种；③3个）

经过小组成员的分析、讨论与交流，一般能够顺利解决上述问题。在这个过程中，学生得到科学推理能力的训练，能够利用已有的知识去推理和猜想也属于科学素养的一个组成部分。

2.3 利用克里克（F.Crick）T₄噬菌体的经典实验，让学生学会实验的推理与分析，并培养学生的类比分析能力。

向学生展示资料问题（2），内容为：仅从数量对应关系上，我们分析出理论上应该是三个碱基决定一个氨基酸，这样会有64种密码子，对应蛋白质的20种氨基酸就足够了。但这仅仅是理论上的分析，上世纪50～60年代，DNA分子结构的发现者克里克和他的同事为了这个问题的研究，做了大量的实验工作，于1961年发表了他们的研究成果：T₄噬菌体某个基因碱基的增加或减少对基因所编码的蛋白质有一定影响，在相关碱基序列中增加或者删除一个碱基，无法产生正常功能的蛋白质；增加或删除两个碱基，也不能产生正常功能的蛋白质；但是，当增加或者删除三个碱基时，却合成了具有正常功能的蛋白质。为什么会产生这样的结果？请分析上述材料，试找出原因。

根据学生讨论分析的情况可给他们以提示：把下面一句英语的每三个字母组成的单词看作决定一个氨基酸的密码子，试着插入或删去其中的一个字母，看后面的语意会有什么变化？结合该问题，上述材料的问题应该怎样理解？

THE FAT CAT ATE THE BIG RAT

通过学生的分组讨论和类比推理，学生能够想到克里克的实验结果说明了信使RNA的每3个碱基决定一个氨基酸，而不是2个或1个。但这只是推论性的，还不能说是直接的证明。这个过程让学生从科学实验的层次体味科学推理的魅力。

2.4 利用尼伦伯格（Marshall Warren Nirenberg）和马太（H. Matthaei）的大肠杆菌无细胞系统蛋白质合成的实验，让学生设计实验过程，体会科学实验的内涵。

首先展示资料问题（3），内容为：1955年，科学家奥巧阿（S、Ochoa）发发现了一种被称为多聚核苷酸磷酸化酶（PNP酶）的生物大分子，它能在试管中催化合成RNA，而不需要DNA作模板。1961年，尼伦伯格和马太利用大肠杆菌的破碎细胞溶液，建立了一种利用人工合成的RNA在试管里合成多肽链的实验系统，其中含有核糖体等合成蛋白质所需的各种成分。利用这个实验系统，尼伦伯格和马太设计了一个巧妙的实验，破译了第一个遗传密码，即UUU-苯丙氨酸。

依据上述资料，想一想，实验应该怎样设计？实验前要把大肠杆菌破碎液中原有的DNA和mRNA除去，为什么？

让学生分组讨论，然后让小组间相互交流。这个问题难度稍大，学生根据资料内容，了解两种实验技术后，一般可以想到用单核苷酸人工合成mRNA，但很难想到分多个实验组，分别加入不同的氨基酸。根据学生探究情况，必要时可以提示：实验提供有多个试管和20种氨基酸溶液。

探究性学习应该以过程为重，学生经过分析与思考设计实验方案，不管结果怎样，他们都经过了思维的训练，毕竟他们努力思考了，这样，我们的目的已经达到。如果学生设计的实验不严密或者是错误的，我们也应该事后再做总结，但一定要对学生的努力给予肯定和鼓励，这样他们才能保持较高的激情继续下面的探究性学习活动。在这个过程中学生不仅体味了科学过程的评价与反思，而且经历了科学假设和实验方案的设计，对科学素养的提高起到不可忽视的作用。

此时应该向学生介绍尼伦伯格的实验原理：把二磷酸尿嘧啶核苷（ppU）聚合成一个“多聚U”（poly U）的长链，即UUUUUUUUU……，将此长链作为人工mRNA模板，进行细胞外蛋白质合成试验。结果发现，只有苯丙氨酸能够掺入蛋白质多肽链，而其他氨基酸均不能参与其中。从而知道苯丙氨酸的密码子是UUU。1961年8月，在莫斯科召开的国际生物化学代表大会上，当尼伦伯格宣布他们破译的第一个密码子时，引起了全场震动，因为这标志着人类破译遗传密码的开端。不久，尼伦伯格等用同样的方法又鉴定出AAA是赖氨酸的密码子，CCC是脯氨酸的密码子。

但是，密码子不可能全都是同质聚合的三核苷酸，在一个密码子中也可以是二种或三种不同核苷酸任意的顺序。怎样才能知道其他氨基酸的密码子呢？由此引出下面一个探究性问题。

2.5  利用霍拉纳（H、G、Khorana）的RNA重复序列翻译实验，对学生进行科学方法教育，并进行科学推理的训练。

展示资料问题（4），内容为： 1966年印度—美国科学家霍拉纳（H、G、Khorana）发明了一种新的RNA合成方法，通过这种方法合成的RNA可以是2个、3个或4个碱基为单位的重复序列，例如，将A、C两种核苷酸缩合为ACACACACAC……长链，以它作人工信使进行蛋白质合成，结果发现产物是苏氨酸和组氨酸的多聚体，说明苏氨酸的密码子可能是ACA，也可能是CAC；同样，组氨酸的密码子可能是CAC，也可能是ACA。光凭这一组实验不能得到肯定的结果，但是，若与另一组实验如（CAA）n的结果进行比较，则可找到肯定答案。在（CAA）n即CAACAACAACAA……为人工信使时，蛋白质合成产物为谷氨酰胺、天冬酰胺和苏氨酸的多聚体。三者的密码子都可能是CAA、AAC、ACA。将两组实验加以比较，很自然得出ACA是苏氨酸的密码子，那么，CAC必定为组氨酸的密码子了（并且氨基酸：碱基=1：3）。

有人说，RNA的重复序列ACACACACAC……翻译出来的是产物是苏氨酸和组氨酸的多聚体，这个实验结果同时还证明了决定一个氨基酸的密码子是由相邻3个碱基组成的而不是2个，同学们想一想，你认为这个观点正确吗？为什么？

学生通过分析，一般可以想到如果是2个碱基决定一个氨基酸，那么上述结果应该合成只有一种氨基酸组成的多肽链，既然合成结果是2种氨基酸交替连接的多肽链，一定是3个碱基决定一个氨基酸，即：一个密码子由3个相邻碱基组成。通过这个过程，学生不仅学习了霍拉纳的科学实验方法，拓展和训练了他们的科学思维，而且得到了批判性思维能力的训练。

2.6 利用尼伦伯格的“微型mRNA”实验技术和方法，让学生设计实验步骤，训练他们的科学探究能力。

首先展示资料问题（5），内容为：1964年，尼伦伯格等找到了另外一种高效破译遗传密码的方法。他们首先在体外合成全部64种三核苷酸分子（即长度为3个碱基的RNA，如AGC、UCC、UGA等），同时制备了20种氨基酸混合溶液，每种混合溶液中分别含有一种用¹⁴C作放射性标记的氨基酸和其他19种氨基酸。然后，向各混合溶液中添加tRNA分子，使各种氨基酸分别与各自的tRNA分子结合，在溶液中形成各种氨酰tRNA（即：携带有氨基酸的各种tRNA，如：甘氨酸-tRNA、赖氨酸-tRNA等）。

根据以上步骤，同学们想一想，下面的实验应如何进行？（可提示学生：氨酰tRNA与核糖体可结合成体积稍大的复合体，当使用硝酸纤维膜过滤时可留在过滤膜上）。

该探究性问题难度较大，由于学生没有接触过类似的实验问题，所以应适时给他们以提示，并随时表扬那些有创意的学生，给他们以探究的信心。探究过程采取分小组讨论、小组间交流的方式，让学生通过分析讨论逐步探索实验方法，沿着科学家的思路完成上述实验过程。（实验时，取某一种三核苷酸分子，如CGU，使其和核糖体混合，再向其中分别加入上述不同的氨基酸混合溶液。如果CGU是某种氨基酸的密码子，它便会和带有这种氨基酸的氨酰tRNA分子以及核糖体结合形成体积稍大的复合体。当使用硝酸纤维膜过滤时，只有含核糖体的复合体可以留在膜上，而其他的氨酰tRNA分子将被冲洗掉。从20种反应体系中找出有放射性的硝酸纤维膜，根据该体系所标记的是哪一种氨基酸，便可知道CGU所对应的氨基酸种类了）。

这个过程属于较高层次的学习活动，学生根据提供的两种实验技术设计方案，解决新的问题，是一种创造性思维活动，对培养学生的创新精神和创新能力是很有帮助的。而且学生还可以从中体味科学方法的巧妙与科学家的智慧。

3 教学体会

3.1  探究性学习的目的在于能够使学生掌握科学研究的方法，培养其科学探究能力，如果不亲自参与探究，学生就无法理解科学的本质，无法体会科学家在科学研究中是如何提出问题，解决问题的。探究学习的成功与否并不取决于问题的解决，探究过程中的问题情境和探究体验是学生获得科学方法教育的主要途径，也是学生培养科学态度、提高思维能力的主要途径。

3.2  在分组探究性学习的过程，通过科学史整合出来的资料问题，可给各个探究小组提供丰富的探究素材，分组探究过程中小组成员间的讨论过程和小组间对探究问题的交流完善过程中，能够推动学生批判性思维能力的发展与提高，这一点也正是高中生物的能力教学目标之一。

3.3  教材内容中蕴涵的科学史料，需要教师在备课过程中整理和转化，使之成为利于在课堂上进行的探究学习素材，不要认为学生的思维能力不能和科学家同日而语，当学生的思维能力被你想方设法激发出来的时候，你会发现他们的创造力是无穷的。

总之，恰当地利用科学史探究学习方式，转化教材内容，挖掘探究素材，使课堂教学探究更易于操作与实施，学生之间的对话、答辩、争论会使探究层次更深入，并能够促进学生的思想交流，培养团结协作精神，构建民主和谐气氛，养成良好个性品质。另外，资料问题的探究素材逐步呈现方式，使学生的探究方向更为明确，在一定程度上弥补了探究性学习课堂容量小的缺憾，更有利于教学目标的顺利实现。

参考文献

1 任本命．封面人物:马歇尔·沃伦·尼伦伯格（Marshall Warren Nirenberg）．遗 传，2004，26(5)：ix～x

作者简介：

刘本举，男，1971年12月出生，理学硕士。中学高级教师，省级示范性高中---濮阳市第一高级中学生物教研组组长，河南省基础教研室高中教研中心生物学科中心组成员，濮阳市教育局兼职教研员。01年获河南省高中生物优质课大赛一等奖。发表教学研究论文30篇，其中国家级核心期刊发表16篇，2005年有2篇被中国人民大学资料中心全文转载。