物理模型在高中生物教学中的应用实例

卷宗

深圳市布吉高级中学

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摘要：以廉价的卡纸材料制作简易教具模拟“基因指导蛋白质的合成过程”为例，探讨物理模型在高中生物教学中的作用。此物理模型的应用既可以帮助学生更好地理解转录和翻译，又能让学生在课堂上活跃起来，把抽象的知识转化为可以直接动手操作的动态过程。

关键词：物理模型；转录；翻译；教具

高中生物教材中是这样定义模型的，“模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所做的一种简化的概括性的描述。”模型的形式包括有物理模型、概念模型、数学模型等。以实物或图画形式直观地表达认识对象的特征，这种模型就是物理模型。例如人教版必修2《遗传与进化》模块中“建立减数分裂中染色体变化的模型”，“制作DNA双螺旋结构模型”等。我国的《普通高中生物课程标准（实验）》也明确强调学生应“领悟建立模型等科学方法及其在科学研究中的应用”，将模型建构规定为高中生必须掌握的科学方法之一。

本文将结合笔者的教学实践，分享在“基因指导蛋白质的合成”这节课的教学中，如何利用自制物理模型辅助教学的实例。

1制作背景

“基因指导蛋白质的合成”是新课标人教版高中生物教材必修2第四章“基因的表达”第一节的内容，该节内容是对前面所学内容DNA的结构和复制知识的具体应用，也为后面学习生物的变异奠定了良好的基础。但本节知识点抽象、繁多且细碎，过程不好理解，是高中阶段学习的难点之一。学生要将基因、mRNA、tRNA、核糖体、蛋白质顺序联系起来，是需要一定的空间想象能力的。因此，采取一定的直观教具手段去引导学生领会动态过程非常有必要。

2制作材料

制作DNA脱氧核苷酸链、mRNA链的白色A4纸；制作核糖体、tRNA及氨基酸的彩色卡纸；装书钉、胶水、双面胶、记号笔、剪刀。

3制作过程

3.1DNA双链、mRNA单链

在word文档中绘制出DNA双链模拟图，绘制的时候注意两条链上的碱基要遵守碱基互补配对原则，为了更好体现这个特点，在选择图形代表碱基的时候，要注意图形之间嵌套。用黑色记号笔在图形中写上相应的碱基符号，所绘制的DNA片段转录形成的mRNA链上要带有起始密码子和终止密码子。

3.2 tRNA、氨基酸、核糖体

用铅笔在彩色卡纸上绘制出tRNA模型图，用剪刀剪下该图形，长约8cm，宽约4cm。一端的反密码子用和mRNA链中大小一致的碱基图形表示，用白色A4纸打印出来后记号笔标好碱基然后用胶水贴在反密码子一端即可。氨基酸则用卡纸剪出来的圆圈表示，上面标好对应的氨基酸，之后利用胶水把氨基酸模型固定在tRNA上。

用铅笔在彩色卡纸上绘制出核糖体模型，形象地表示出大小两个亚基，用剪刀剪下，长约15cm，宽约7cm。绘制的时候要注意核糖体中要能有两个tRNA的结合位点。

4使用方法

4.1模拟转录过程

将DNA双链用双面胶固定在黑板上，用剪刀把两条链分开代表在RNA聚合酶的作用下发生了解旋现象。根据碱基互补配对原则，周围游离的对应核糖核苷酸与模板链中的脱氧核苷酸相结合，用透明胶将核糖核苷酸连接起来，以代表形成磷酸二酯键。RNA链不断延伸，直到遇到终止子，RNA链与模板链分离，转录完成，如图三。

4.2模拟翻译过程

将核糖体模型用双面胶固定在黑板上，转录出来的mRNA单链作为翻译模板，和核糖体相结合。核糖体认读mRNA上的密码子，携带甲硫氨酸的tRNA通过与密码子AUG配对，进入核糖体中的位点1，接着第二个tRNA携带组氨酸进入位点2。相邻氨基酸通过脱水缩合形成肽键，肽键用装书订来表示。甲硫氨酸从第一个tRNA取下，用装书订和第二个tRNA上的组氨酸连在一起。核糖体沿着mRNA向前移动，读取下一个密码子。原来占据位点2的tRNA进入位点1，一个新的携带氨基酸的tRNA进入位点2，继续肽链的合成。按照这样的步骤，多肽链逐步延伸，直到核糖体遇到了终止密码子，翻译结束。核糖体脱离mRNA。演示过程如图五-图八。

5使用效果

本教具动态模拟了基因表达过程中的转录和翻译，能够将抽象微观的知识简单化、直观化，可以克服传统挂图、动画视屏所带来的局限性。

学生亲手模拟体验，对平常容易忽略的细节体验得更加深刻，而不只是处于一种看热闹的状态。例如在制作教具的时候选用的互补碱基图形是相互嵌入式的，这让学生深刻体会到碱基互补配对取决于两者空间结构上的特异性。转录过程中，并不是DNA两条链完全解旋，而是相应的遗传效应片段发生解旋，并且模板只是DNA双链中的其中一条单链。tRNA由一条RNA链折叠形成，整体呈三叶草结构，一端带有能与相应密码子结合的反密码子，另一端携带对应的氨基酸。翻译过程中，核糖体可以沿着mRNA移动，直到遇到终止密码子才脱离mRNA。像以上平时容易忽略的细节在动态模拟过程中都体现地淋漓尽致，可以帮助学生更好地体验基因表达过程中的和谐美，对突破本节内容的重难点起到事半功倍的效果。

整套教具取材方便、价格低廉、结构简单，准确地演示了基因表达中的转录和翻译。教具制作中可大可小，做大可以当教师的演示教具，做小可以用来学生分组练习，应用于课堂教学中，使学生和教师都受益匪浅。

此案例说明，模型的建立过程就是一个科学探究的过程，学生在做中学，做中进行思考，不仅培养了学生的科学探究精神，还增强了合作交流意识，提升了理性思维品质，完全体现了“学生为主体，教师为主导”的新课改理念。由此看来，在高中新课程标准的指导下，教师应该设置一定的情境，创造机会引导学生通过自己动手建构相关模型来学习生物学知识，有利于学生对相关内容的掌握，为学生以后进行更高层次的学习奠定良好的基础。物理模型的应用创新了教学方式，使得课堂气氛更为活跃，加强了师生间的互动，调动了学生的学习积极性，因此，在生物课堂中灵活使用物理模型，能起到事半功倍的效果。

参考文献

[1]徐平珍，郑怡.基因表达磁铁教具的制作与使用：生物学通报，2016，51（6）：49.

[2]曾锦红.“基因的表达”教具的巧妙制作：中学生物学，2011，27（1）：45.

[3]吴建华，王雪，刘艳丹.自制教具“基因表达模型”简介：生物学通报，2014，49（5）：56.

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