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視頻標(biāo)簽：遺傳密碼的破譯
所屬欄目：高中生物優(yōu)質(zhì)課視頻
視頻課題：人教版高中生物必修二4.3遺傳密碼的破譯-福建省 - 寧德
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《遺傳密碼的破譯（選學(xué)）》教學(xué)設(shè)計(jì)
一、教材分析
《遺傳密碼的破譯》是高中生物必修2第4章《基因的表達(dá)》中的一節(jié)內(nèi)容，是對(duì)本章
第一節(jié)《基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成》的重要補(bǔ)充，在教材中屬于選學(xué)內(nèi)容。該內(nèi)容是理解基因突變和基因工程的理論基礎(chǔ)，同時(shí)也蘊(yùn)涵著豐富的科學(xué)史探究素材，非常適合學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)。通過經(jīng)歷和體驗(yàn)科學(xué)探究歷程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)的興趣，發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。
二、學(xué)情分析
學(xué)生通過本章第一節(jié)《基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成》的學(xué)習(xí)，對(duì)遺傳密碼的特點(diǎn)、作用有了清楚的認(rèn)識(shí)，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和理解《遺傳密碼的破譯》創(chuàng)造了條件。
高一的學(xué)生，學(xué)習(xí)興趣濃厚、思維較活躍，但未經(jīng)過系統(tǒng)的科學(xué)探究訓(xùn)練，理性思維能力亟待提高。因此，在學(xué)習(xí)科學(xué)史的過程中，應(yīng)注意設(shè)置問題串，適時(shí)引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生思考，加強(qiáng)其對(duì)破譯過程的理解，以期發(fā)展其生物學(xué)核心素養(yǎng)。
三、教學(xué)目標(biāo)
1、運(yùn)用排列組合的相關(guān)知識(shí)，解釋堿基與氨基酸的數(shù)量對(duì)應(yīng)關(guān)系； 2、比較不同方式的閱讀結(jié)果，說出遺傳密碼的閱讀方式是非重疊閱讀； 3、基于克里克的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，論證遺傳密碼中3個(gè)堿基編碼1個(gè)氨基酸； 4、討論蛋白質(zhì)體外合成實(shí)驗(yàn)和霍拉納實(shí)驗(yàn)，分析并嘗試破譯遺傳密碼。
四、教學(xué)重點(diǎn)
遺傳密碼的破譯過程。
五、教學(xué)難點(diǎn)
尼倫伯格和馬太設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)體外合成實(shí)驗(yàn)。
六、課時(shí)安排
1課時(shí)
七、教學(xué)過程
（一）設(shè)置游戲，趣味導(dǎo)入
1、展示圖片，介紹摩爾斯電碼。
圖1.摩爾斯電碼表 圖2.泰坦尼克號(hào)海報(bào) 圖3.名偵探柯南截圖
2、趣味游戲：“誰是大偵探？”。
用“希沃白板”自帶的“樂器”功能，彈出“— · ·/— ·/· —”，讓學(xué)生破譯。
【設(shè)計(jì)意圖：①趣味游戲，激發(fā)學(xué)生對(duì)本節(jié)課學(xué)習(xí)的興趣；②通過參與游戲，學(xué)生認(rèn)識(shí)到“莫爾斯電碼表”的重要性，進(jìn)而感悟到生物學(xué)中破譯遺傳密碼的重要性。】
（二）重溫歷史，親歷探究
1、早期研究
簡單介紹“一個(gè)基因一個(gè)酶”假說
【設(shè)計(jì)意圖：交代科學(xué)史背景，同時(shí)指出破譯遺傳密碼，實(shí)際上就是要找到基因中的堿基序列與它所編碼的氨基酸序列之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這也是本節(jié)課的設(shè)計(jì)思路。】
2、破譯一：遺傳密碼的組成
PPT上呈現(xiàn)思路，讓學(xué)生們分組交流、討論，通過排列組合計(jì)算，明確：當(dāng)3個(gè)以上的堿基決定1種氨基酸時(shí)，4種堿基才夠決定20種氨基酸。請一位學(xué)生上臺(tái)，展示小組交流成果，其他同學(xué)點(diǎn)評(píng)。
圖4.授課PPT截圖
師：歷史上，第一位對(duì)遺傳密碼提出挑戰(zhàn)的，是科普作家伽莫夫。1954年，他在《Nature》雜志上首次發(fā)表了遺傳密碼的理論研究文章，指出三個(gè)堿基編碼一個(gè)氨基酸。另外，考慮到效率的問題，伽莫夫認(rèn)為一個(gè)堿基可能被重復(fù)讀多次，也就是說遺傳密碼的閱讀是完全重疊的。
【設(shè)計(jì)意圖：①小組合作學(xué)習(xí)，上臺(tái)發(fā)言，訓(xùn)練了學(xué)生的合作能力、語言表達(dá)能力和評(píng)價(jià)能力；②運(yùn)用數(shù)學(xué)推理，得出結(jié)論，訓(xùn)練了學(xué)生的科學(xué)思維，同時(shí)體現(xiàn)學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)，啟發(fā)學(xué)生可以結(jié)合數(shù)學(xué)方法來解決生物問題；③簡單介紹科普作家伽莫夫，讓學(xué)生體悟到科學(xué)發(fā)現(xiàn)需要大膽想象，同時(shí)引出遺傳密碼的閱讀方式，自然過渡到下一個(gè)教學(xué)內(nèi)容。】
3、破譯二：遺傳密碼的閱讀方式
（1）以“…GGACTCCTC…”序列為例，介紹重疊閱讀和非重疊閱讀兩種方式。 （2）介紹科學(xué)史
師：1957年，布倫納發(fā)表了一篇令人興奮的理論文章，他通過蛋白質(zhì)的氨基酸順序分析，發(fā)現(xiàn)不存在氨基酸的鄰位限制作用，從而否定了遺傳密碼重疊閱讀的可能性。
（3）分析“鐮刀型細(xì)胞貧血癥”，驗(yàn)證遺傳密碼的閱讀方式
分別用兩種閱讀方式，分析血紅蛋白序列在改變前后，所編碼的氨基酸的變化情況，得出遺傳密碼是非重疊閱讀的。
閱讀方式 遺傳 密碼 堿基 序列
正常序列： …GGACTCCTC… 異常序列：
…GGACACCTC… 重疊閱讀
… 、 、 、 、 、 、 … … 、 、 、 、 、 、 … 非重疊閱讀 … 、 、 …
… 、 、 …
【設(shè)計(jì)意圖：①學(xué)生在本章第二節(jié)“基因?qū)π誀畹目刂?rdquo;的學(xué)習(xí)中，已經(jīng)對(duì)鐮刀型細(xì)胞貧血癥有所了解，因而采用這個(gè)例子，學(xué)生不陌生，更容易得出結(jié)論。同時(shí)，這個(gè)例子也為下一章第一節(jié)“基因突變和基因重組”做了很好的鋪墊。②通過比較兩種閱讀方式的結(jié)果，進(jìn)而推出結(jié)論，不僅訓(xùn)練了學(xué)生的理性思維，也比直接告知學(xué)生結(jié)論，印象更為深刻。】
4、克里克的實(shí)驗(yàn)證據(jù)
（1）分析資料，理解克里克的實(shí)驗(yàn)
1961年，克里克與布雷納合作，利用大腸桿菌的T4噬菌體做突變實(shí)驗(yàn)，研究某個(gè)基因中堿基發(fā)生增加或缺失，對(duì)其所編碼的蛋白質(zhì)的影響。
增加/刪除一個(gè)堿基，無法產(chǎn)生正常功能的蛋白質(zhì)→影響 （大/小）
增加/刪除兩個(gè)堿基，無法產(chǎn)生正常功能的蛋白質(zhì)→影響 （大/小） 增加/刪除三個(gè)堿基，合成具有正常功能的蛋白質(zhì)→影響 （大/小）
（2）用“ABC ABC ABC ABC …”序列，類比分析克里克的實(shí)驗(yàn)
增加一個(gè)堿基 ABC AAB CAB CAB C… 增加兩個(gè)堿基 ABC AAA BCA BCA BC… 增加三個(gè)堿基 ABC AAA ABC ABC ABC…
【設(shè)計(jì)意圖：①克里克的實(shí)驗(yàn)證據(jù)不僅可以表明遺傳密碼中3個(gè)堿基編碼1個(gè)氨基酸，還能表明遺傳密碼從一個(gè)固定的起點(diǎn)開始，以非重疊的方式進(jìn)行閱讀，編碼之間沒有分隔符。可以討論的東西太多了，有點(diǎn)混亂，所以只選“3個(gè)堿基編碼1個(gè)氨基酸”這一點(diǎn)展開分析。 ②用“ABC ABC ABC ABC …”序列，類比分析克里克的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果簡單明了，同
時(shí)也訓(xùn)練了學(xué)生的類比分析能力。】
5、破譯三：遺傳密碼的對(duì)應(yīng)規(guī)則 （1）蛋白質(zhì)體外合成實(shí)驗(yàn)
學(xué)生小組合作，自學(xué)以下實(shí)驗(yàn)資料，思考并討論學(xué)案中的問題串。
實(shí)驗(yàn)步驟：
1）取20只試管，標(biāo)號(hào)，往每只試管中分別加入一種用14C標(biāo)記的氨基酸，如1號(hào)試管中加入標(biāo)記的酪氨酸，2號(hào)試管中加入標(biāo)記的絲氨酸等；
2）每只試管中均加入人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸（UUUUU……）； 3）每只試管中均加入除去了DNA和mRNA的細(xì)胞提取液； 4）補(bǔ)充能量，保溫使其合成新的蛋白質(zhì)；
5）用三氯乙酸將蛋白質(zhì)沉淀，并轉(zhuǎn)移至濾紙片上，測定其放射性的有無或強(qiáng)度。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
添加了放射性標(biāo)記的苯丙氨酸體系中檢測到合成的蛋白質(zhì)有放射性，而其他氨基酸均沒有這種效應(yīng)。
思考與討論：
1）本實(shí)驗(yàn)的自變量是什么？起什么作用？
2）加入的多聚尿嘧啶核苷酸（UUUUU……）起什么作用？ 3）為什么細(xì)胞提取液中要除去DNA和mRNA？
4）除去了DNA和mRNA的細(xì)胞提取液能為翻譯提供了哪些條件？ 5）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，你可以得出什么結(jié)論？
（2）霍拉納實(shí)驗(yàn)
舉例，讓學(xué)生進(jìn)行簡單推理，理解霍拉納的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。 實(shí)驗(yàn)序號(hào)
重復(fù)的mRNA序列 可能的密碼子
多肽中氨基酸的組成 1 UCUCUCUCUCUC…
絲氨酸、亮氨酸 2 UUCUUCUUCUUC… 絲氨酸、亮氨酸、
苯丙氨酸 3 UUACUUACUUAC…
亮氨酸、亮氨酸、 蘇氨酸、酪氨酸
（3）小結(jié)
師：利用這種方法，霍拉納破譯了很多遺傳密碼。同期，尼倫伯格等也找到了另外一種高效破譯遺傳密碼的方法。直至1966年，64種遺傳密碼全部被破譯，并有了第一張遺傳密碼子表。1968年，尼倫伯格由于“對(duì)遺傳密碼及其在蛋白質(zhì)合成過程方面作用的解釋”而與霍拉納及霍利分享了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
【設(shè)計(jì)意圖：1.課本對(duì)“蛋白質(zhì)體外合成實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行了簡化處理，而本節(jié)課則還原真實(shí)的實(shí)驗(yàn)步驟，更尊重科學(xué)史；2.小組合作，思考并討論問題串，思維碰撞的同時(shí)，有助于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；3.補(bǔ)充霍拉納的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維。】
（三）總結(jié)歷程，當(dāng)堂檢測
總結(jié)遺傳密碼的破譯歷程，并用希沃白板中的趣味游戲（幾道判斷題）來檢測學(xué)生的掌握情況。
【設(shè)計(jì)意圖：將檢測用的判斷題設(shè)置成了趣味游戲，PK賽的形式，更吸引學(xué)生。】
八、教后反思
1、本節(jié)課為遺傳密碼的破譯歷程，科學(xué)史中涉及的實(shí)驗(yàn)非常多，教師要對(duì)眾多實(shí)驗(yàn)進(jìn)行取舍，并對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)處理。比如克里克的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，可以用來說明遺傳密碼的許多特點(diǎn)，但容易混亂且有一定難度，故而本節(jié)課就只用于驗(yàn)證遺傳密碼中3個(gè)堿基編碼1個(gè)氨基酸；再比如尼倫伯格的另一種破譯方法，由于時(shí)間關(guān)系并沒采用，而換成了容易推理的霍拉納實(shí)驗(yàn)。
2、高一的學(xué)生，沒有進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)專題訓(xùn)練，實(shí)驗(yàn)探究能力比較弱，因而本節(jié)課更偏向于科學(xué)思維的訓(xùn)練。反思：接下來要有意識(shí)地訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力。
3、本節(jié)課其實(shí)還設(shè)置了一題高考選擇題（2019全國I.2）對(duì)全體學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)，但在上課過程中忘了發(fā)送作業(yè)，最后只完成了游戲PK環(huán)節(jié)，評(píng)價(jià)沒有涵蓋全體學(xué)生。反思：以后備課要更充分！
4、科學(xué)史是進(jìn)行情感、態(tài)度和價(jià)值觀教育的良好素材。本節(jié)課由于時(shí)間關(guān)系，舍棄了“尼倫伯格事跡”這一教育環(huán)節(jié)，故而在情感教育這一項(xiàng)上比較薄弱。反思：需更加充分備課，思考如何在各個(gè)環(huán)節(jié)、各個(gè)實(shí)驗(yàn)中滲透情感教育。
視頻來源：優(yōu)質(zhì)課網(wǎng) www.jjlqy.cn
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