《遗传密码的破译》的教学设计

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1、1遗传密码的破译的教学设计唐庆圆 福州高级中学 350007一、设计思路科学史展现了科学家探索生物新知的过程，不同的科学家在不同时期都对某同一个问题进行反复的研究和验证，资料中涉及的一些知识背景、设计思路、技术手段与学生的认知水平存在一定的距离。在本节课中，通过还原遗传密码破译的研究场景，让学生亲历科学知识的获得过程，运用问题引导的教学模式，采用个体学习与合作学习相结合、体验探究与自主构建相结合的教学策略理解科学的本质，领悟科学方法。二、教学分析1教材分析遗传密码的破译是高中生物必修 2 第 4 章 基因的表达的一节内容，是对本章第一节基因指导蛋白质的合成的重要补充，在教材中本来属于选学内容。

2、该内容是理解基因突变和基因工程的理论基础，同时也蕴涵着丰富的科学史探究素材，包含了“假说-演绎”的完整案例，也体现了实验设计的许多科学方法，非常适合学生进行探究性学习活动。通过探究性学习活动，能使学生经历和体验科学探究的过程，体味科学的本质，激发其学习生物学的兴趣，培养学生的生物科学达素养，是达成三维目标之一“情感态度价值观“的难得载体。2学情分析（1）学生对基因指导蛋白质合成的具体过程有了一定的知识准备，对遗传密码的特点、作用有了清楚的认识，为进一步认识和理解遗传密码的发现创造了条件。（2）高二的学生的学习兴趣浓厚、思维较活跃。通过高中阶段生物课程的学习，具有较强的实验设计、分析能力。学生对

3、科学探究的一般过程的理解程度，将影响其对于蛋白质体外合成实验的设计。因此在探究实验设计的过程中应加强引导，细化各步骤的问题，做好知识的铺垫。3 教学重难点（1）教学重点：通过遗传密码破译的过程，理解科学的本质,体会“假说-演绎”的重要作用, 体验科学探究的方法态度。（2）教学难点：遗传密码阅读方式的实验证据，无细胞系统破译遗传密码的实验设计。2三、教学目标1知识与能力（1）遗传密码的破译过程。（2）遗传密码的特点。 2过程与方法（1）从数学的角度认识碱基与氨基酸的对应关系训练学生科学推理能力。（2）通过再现科学史，培养实验设计与科学探究能力。 （3）通过总结遗传密码的特点，提高对比分析、归纳总

4、结能力。 3情感态度与价值观（1）通过再现科学史，体验科学探究的方法和态度。（2）感受科学知识发现过程的艰辛和漫长，理解科学的本质。（3）培养敢于质疑、勇于创新的精神。四、教学策略和手段运用问题引导的教学模式，采用个体学习与合作学习相结合、体验探究与自主构建相结合的教学策略开展教学。复习旧知识：DNA 结构特点及遗传信息的物质基础环节一DNA 如何指导蛋白质的合成碱基编码氨基酸环节二几个碱基编码一个氨基酸结论：遗传密码的阅读方式是非重叠阅读资料 2 镰刀型细胞贫血症的病因环节三遗传密码的阅读方式结论：3 个碱基编码1 个氨基酸资料 3 大肠杆菌 T4噬菌体的移码突变实验结论：用实证验证了三联体

5、假说。环节四哪几个碱基决定某一种氨基酸？ 环节四资料 4 尼伦伯格和马太的大肠杆菌实验课后作业分析尼伦伯格“微型 mRNA”的背景资料，设计实验小组合作，设计对照组，提升认识分析第一个密码子发现的方法，体会探索实验中的巧妙设计3五、教学过程教学环节 教师的组织和引导 学生活动 教学意图复习引入 复习 1953 年沃森和克里克提出的 DNA 分子模型，回顾遗传信息的物质基础。1944 年薛定谔曾大胆地预言，染色体是由一些同分异构的单体分子连续所组成。这些同分异构单体就像莫尔斯电码的两个符号：“ ”、 “”，通过排列组合来储存遗传信息。回顾双螺旋结构，明确遗传信息是什么，遗传信息沿着DNARNA蛋

6、白质的途径传递。通过复习、类比，展现矛盾，引入新课。环节一碱基编码蛋白质背景资料 1955 年 Brachet（布拉什）首次用实验证实了蛋白质的合成是依赖于 RNA。1958 年，克里克提出了“中心法则”假说，揭示了 DNARNA 蛋白质的信息传递途径。 思考：1、细胞核内的 DNA如何指导细胞质中蛋白质的合成？2、对于 mRNA 上的碱基序列转化为蛋白质中相应氨基酸排列次序，需要解决哪些问题。确定“碱基编码氨基酸” ，并具体编码提出问题。环节二几个碱基编码一个氨基酸资料 1：mRNA 只有 4 种碱基，而组成蛋白质的氨基酸有 20 种，这 4 种碱基是怎么决定蛋白质的 20 种氨基酸的呢？=

7、1954 年，美籍俄裔理论物理学伽莫夫应用排列组合计算来研究遗传密码。提出遗传密码的三联体假说。通过排列组合计算，明确：当 3 个以上的碱基决定 1 种氨基酸时，4 种碱基才够决定 20 种氨基酸引导结合数学方法解决生物问题。环节三遗传密码的阅读方式资料 2 大肠杆菌 T4 噬菌体的移码突变实验1961 年，克里克与布伦纳合作，利用大肠杆菌的野生型 T4 噬菌体作实验。用丫啶类药物处理野生型噬菌体，在此噬菌体 写出不同的突变对5环节三遗传密码的阅读方式DNA 发生缺失 1 个、2 个、3 个或插入 1个、2 个、3 个核苷酸的各种突变类型。实验结果：1缺失一个核苷酸时，在 K 菌株上不生长；插

8、入一个核苷酸时，在 K 菌株上不生长。2缺失两个核苷酸时，在 K 菌株上不生长；插入两个核苷酸时，在 K 菌株上不生长。3缺失三个核苷酸时，在 K 菌株上生长（拟野生型） ；插入三个核苷酸时，在 K 菌株上生长（拟野生型） 。ABC ABC ABC ABC ABC+1 ABC AXB CAB CAB CAB+2 ABC AXB CXA BCA BCA+3 ABC AXB CXA BXC ABC+1 和+2 自插入点后，每个氨基酸都发生了变化，+3，只改变了插入点之间的 3 个氨基酸，其余不变，相对影响较小。资料 3 镰刀型细胞贫血症的病因1957 年英格兰姆阐明了镰刀型细胞贫血症的分子机制。由

9、于正常人血红蛋白基因产生了碱基替换突变，T 取代了 A，导致正常血红蛋白多肽链上第六个氨基酸谷氨酸被缬氨酸取代。转 录转 录模板链 GGACTTCTC正常CCTGAAGAG模板链 GGAC ATCTC 异常 CCTG TAGAG于 mRNA 的影响。当插入一个核苷酸时：当插入两个核苷酸时：当插入三个核苷酸时：总结：增加或减少 几个核苷酸对编码的蛋白质影响最小。写出转录合成的mRNA 碱基序列。思考：如果按照不同的遗传密码阅读方式，分别改变几个氨基酸。总结遗传密码的阅读方式引导学生通过理解移码突变所引起的蛋白质结构差异，并结合数学的思想，从实验角度验证“密码子的三联体特性” 。能够通过资料提供的

10、信息，依靠学案的问题提示，总结出遗传密码的阅读方式等问6题。环节四哪几个碱基决定某一种氨基酸？提示 1955 年，科学家奥巧阿发现了多聚核苷酸磷酸化酶。它能在试管中催化合成RNA，而不需要 DNA 作为模板。资料 4 1961 年，美国两位年轻的生化学家尼伦伯格和马太利用大肠杆菌的破碎细胞溶液，建立利用人工合成的 RNA 在试管合成多肽链的实验系统，破译了第一个遗传密码。实验步骤：20 支试管中均加入除去 DNA和 mRNA 的破碎细胞溶液（也称为无细胞系统） 、人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸（UUU） ，并分别加入一种氨基酸。 1 2 3 20思考：1可能观察到什么现象，得出什么结论？2除了添加

11、的氨基酸和多聚尿嘧啶核苷酸外，无细胞系统为合成多肽链提供了哪些条件？3为什么要除去破碎细胞溶液中存在的DNA 和 mRNA？4如果是你是尼伦伯格同期的科学家，你觉得是否要设计对照实验，如何设计？5破碎的细胞溶液中有氨基酸吗？如果有，结合之前的知识，领悟实验设计的意图：通过问题串，明确这是一个体外合成多肽（模拟体内翻译）的过程，可解决问题 1、2： 添加的氨基酸原料；多聚尿嘧啶核苷酸模板；无细胞系统为翻译提供了酶、核糖体、转运 RNA，合成需要的 ATP 需另行添加。通过问题 3-5，进一步探索实验设计的巧妙之处：通过除去破碎细胞溶液中存在的 DNA和 mRNA 保证翻译模板的唯一性；由于 mR

12、NA 不能用常规办法去除，若有对照试验，可将mRNA 的影响排除 通过提示，让那个学生了解当时的知识背景和已有的技术手段；通过问题串，引导学生理解设计意图。体会科学家在探索前进的过程中面临困难时，如何摸索、如何解决，提高实验探究的能力。酪氨酸组氨酸苯丙氨酸 谷氨酸7是否会影响尼伦伯格和马太设计的实验结果？6通过这种方法还破译哪些遗传密码？；通过放射性同位素标记明确原料的来源。课后作业密码子不可能全都由相同的 3 个核苷酸构成，在 1 个密码子中可以是 2 种或 3种不同的核苷酸的任意顺序，怎样才能知道其他氨基酸的密码子呢？ 资料 5尼伦伯格“微型 mRNA”的实验1964 年，尼伦伯格发现无细

13、胞系统中，特殊的三核苷酸（即长度为 3 个碱基的RNA，如 AGG）能够促使特殊的氨酰 tRNA与核糖体结合，如加入三核苷酸 UUU 促进苯丙氨酸 tRNA 与核糖体结合，加入三核苷酸 AAA 促进赖氨酸 tRNA 与核糖体结合。补充知识点：氨酰 tRNA 和核糖体会结合成体积较大的复合体，当使用硝酸纤维膜过滤式，会留在膜上根据资料 4 的结论及方法，通过小组讨论，尝试设计实验材料和实验思路。锻炼学生的小组合作能力，培养学生实验设计和科学探究的能力。总结遗传密码破译的历程从 1954 年伽莫夫大胆的假设到 1966 年尼伦伯格和霍拉纳完全破译遗传密码。科学家不断改进实验方法，从研究突变对蛋白质

14、的影响到合成人工 RNA 再到建立无细胞系统，终于将 64 个密码子的含义一一解读出来，这些工作成为生物科学史上一个伟大的里程碑！ 体会探索过程中科学家的大胆尝试、方法改进、思路更新。体验科学方法与科学态度，感受科学知识发现过程的艰辛。七、教后反思1. 立足学生，将教育的效果落实在终身成长。新课标的理念中，希望通过生物这样一门科学课程，进一步的提高、发展学生生物科学素养，特别是发展学生的科学探究能力，帮助学生理解生物科学、技术和社会的相3互关系，增强学生对自然和社会的责任感，促进学生形成正确的世界观和价值观。而这些目标的达成需要一个情感态度价值观的良好载体。通过这节课的学习，可以让学生更真实的

15、了解科学知识的获得过程，它并不是一帆风顺的，有停滞也有曲折，有时需要不同国籍、多位科学家的合作交流和相互佐证。同时其中包含的科学方法和态度也有利于学生在今后更好的分析思考问题。2. 立足探究，合作讨论共同成长。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。在分组探究性学习的过程中，通过科学史整合出来的资料逐步呈现，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，若课堂时间不足，也可作为课后作业继续探索， 更有利于教学目标的顺利实现。 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

16、样，他们都经过了思维的训练，如在探索“遗传密码表的初步破译 ”实验时，关于如何排除mRNA 对实验的影响时，教师的意图是设计空白对照。学生则有不同看法，有的提出了设计对比实验，如设计对比加入不同量的模板，看产物如何；还有的试图通过基因工程的方法，用逆转录酶让 mRNA 失效。即使学生设计的实验不严密或者是错误的，可以先让同伴进行点评，学生之间的对话和争论会使探究的层次更为深入，教师事后再做总结，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会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。