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課程規畫

或許是因為生物科的考試方式,目標總是要 學生是否「知道」某個生物知識,而使得生物總 被學生認為是一科「背科」─只要不明究理的 全部背下來,就可以考高分。而藉由十二年國教 新課綱的改革,在自然科必修中設置了「探究與 實作」課程,我們可以開始思考,生物課本上的 所有知識,難道不是科學家經由探究與實作而來 的嗎?

一、只要兩個動作,讓生物課變成探 究與實作課程

筆者認為,科學本身就帶有探究與實作的特 性,我們只需要從兩個問題著手,就可以通往科 學的道路,這兩個問題就是「為什麼是…,而不 是…?」和「科學家是如何知道的…的」,其中 的「…」就是生物課本上的知識,讓我們用分子 生物學中的「以密碼子為三個核苷酸一組」為例 子,說明到底怎麼將一門傳授知識的生物課,變 成探究與實作課程。

分子生物學的中心法則中,若要將mRNA上 核苷酸的排列,轉譯成蛋白質的胺基酸排列順

序,就必須以三個相連的核苷酸,才能解讀出一 個胺基酸,我們將mRNA上三個一組的核苷酸稱 為「密碼子」,那麼「為什麼mRNA上的密碼子 是三個一組,而不是兩個、一個或四個一組?」

回答問題之前,我要先強調問句中第二句

「而不是…」的重要性,如果問題只是「為什麼 密碼子是三個?」,那可能的回應會是「就是三 個,沒有為什麼啊…」。而如果加上「那為什麼 不是兩個、一個或四個?」,就有了對比,學生 就可以專注去想─如果是其他個數的話,可能 會有什麼問題,導致大自然非「三」這個數字不 可。

在課堂中問學生這個題目,他們可以很快 地討論出答案─ 因為mRNA是由四種核苷酸

(A、T、C、G)排列組合而成,但是構成蛋白 質的胺基酸種類,卻高達二十種,那麼四種胺基 酸,該如何對應那麼多種胺基酸呢?如果是一種 核苷酸對應一種胺基酸,那麼剩下有十六種胺基 酸都沒有可對應的核苷酸了;抑或是一種核苷酸 必須對應到五種胺基酸,若是這樣的話,就無法 分辨要到底是五種的哪一種了。

對話式教學在探究與實作的應用

-「如何知道」比「知道」更重要!

以密碼子為三個核苷酸一組為例

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下載教材電子檔 教師 陳妙嫻、賴雪蕙

板橋高中生物科

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如果是兩個相鄰的核苷酸一組,對應一種胺 基酸,那麼總共會有十六種組合,因此會剩下四 種胺基酸沒有可對應的組合;因此,三個相鄰的 核苷酸一組,就可以有六十四種組合,對應二十 種胺基酸可說是綽綽有餘。以此類推,既然三個 一組核苷酸已經可以組合出超過二十種組合,那 麼就沒有必要四個一組、五個一組作為密碼了。

二、邏輯上是這樣,事實上是這樣嗎?

按照推理,可以知道mRNA上的密碼子以三 個一組最為合理,但是,科學家到底「怎麼知道

/證明」密碼子真的是三個核苷酸一組呢?

學生初聽這個問題,完全不明所以,思忖 著:「剛剛不是才討論完密碼是三個一組嗎?」

此時老師可以再次跟學生強調「思想先於行動」

的觀念─在做實驗之前,科學家心中早已演過 長長的內心戲,幾經思索推敲,老早想好各種劇 本,才著手做實驗。因此,提煉出生長素並定出 其結構之前,早已知道「應該」有生長素的存 在;在摩根以果蠅證實「染色體學說」前,薩登 與包法利早已預測「基因應該位在染色體上」;

而我們現在正走著先人的路,先「預測」密碼 是三個字一組,接下來,要證明事實上真的是這 樣!

這個問題比較困難,如果看到學生沉默不做 答,除了可以給予思考時間外,也可以給予一些 鷹架,讓學生可以搭著鷹架回答出答案來。例如 說,可以告訴學生,以我們的技術,可以將一條 已知序列的mRNA,令細胞轉譯成蛋白質後,可 以用儀器檢測此蛋白質的胺基酸序列。以下就筆 者的課堂經驗,紀錄與學生的對話,呈現在課堂

個胺基酸組成,則可知兩個字組成一個密碼,其 他依此類推。」

示意如下:

A A A A A A A A A

若以一個核苷酸為一個密碼,則會轉譯出九個胺基酸

AA AA AA AA A

若以兩個核苷酸為一個密碼,則會轉譯出四個胺基酸

AAA AAA AAA

若以三個核苷酸為一個密碼,則會轉譯出三個胺基酸

這個想法非常好,不但邏輯上可行,也可以 由結果倒推出哪一個假說是對的。經過這樣的一 輪對話,教師可以嘗試更進階的問題─給予一 些技術上的限制,激發學生創意及解決問題的思 考,例如,如果技術只能合成一串A,沒辦法精 準的合成九個A,那該怎麼設計實驗呢?

另一位同學為了解決老師的問題,提出一個 很好的想法:可以做一條GAAAAAAAA……的 mRNA,再放到細胞內轉譯成蛋白質,再檢查蛋 白質的胺基酸序列。

讓同學們了解他的方法之後,老師可以帶領 全班一起對這個想法進行討論,如果是一個字組 成密碼,則胺基酸序列會是1 2 2 2 2 2 2 2……;

若是兩個字組成密碼,則胺基酸序列會是1 2 2 2 2 2 2……;三個字組成密碼的胺基酸序列還是1 2 2 2 2 2 2……!

大家此時發現,這條mRNA無法測試到底 密碼子是幾個為一組,因為做出的胺基酸完全 相 同 , 因 此 這 個 方 法 並 不 能 證 明 哪 個 假 說 是 正 確 的 。 但 是 看 似 失 敗 的 假 說 , 卻 引 發 了 下 一 個 同 學 的 想 法 , 第 三 位 同 學 說 : 「 做 一 條 ACCACCACCACCACC……試試看!」

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科學探究 MIT - 生物

個密碼,做出來的胺基酸序列是1 1 1 1 1 ……接 下來,只消去測試實際做出來的胺基酸序列為 何,就可以得到真正的答案了!

結論是,只要做一條三個一循環的核苷酸 鏈,轉譯後再檢測其核苷酸序列,就可以測試到 底哪個假說是正確的!

三、錯誤的答案往往是引發思考的好 開端

從這個課堂的風景中,可以發現第二位同學 提出的方法雖然失敗了,但是她身先士卒,在第 一時間就想出方法,表示她不但聽得懂題目,而 且可以運用所學想出一個沒人想到的方法,這是 非常有創意的人才做得到的;如果沒有這位同學 的想法,第三位同學恐怕無法一次就想到解答,

他是站在巨人的肩上,才能看得更遠;而且,全 班同學恰好利用這次機會,練習如何判斷這個方 法是否可行,而在這堂課中,剛好出現錯誤答 案,與正確答案的結果呈現對比,更加深同學理 解的程度。

因此,若是善用課堂上的錯誤答案,引發同 學思考,更能夠促進全班同學的邏輯能力,也能 促使深刻的體悟。因此,錯誤答案是探究與實作 課堂中,非常有價值的內容,老師甚至可以蒐集 許多錯誤答案,作為課堂對話的材料!

然而在臺灣的教室裡,通常是鼓勵答對者、

懲罰答錯者,造成學生害怕犯錯的心理,因此,

探究與實作課堂中,老師必須大大鼓勵答「錯」

的同學,看到答案的創意、對其他同學的影響,

營造出全班勇於說出心中想法的氣氛,才能讓想 像力奔馳,激發出各種創意的答案。

四、標準答案可不只一個!隨時隨地 可進行探究與實作

就上一個班級討論的結果,可以得出做出三 個一循環的核苷酸鏈的結論,而這可不是唯一 解,有學生提出,若做出GGAAAAAAAA……

或GGGAAAAAAA……這樣的mRNA,也可以 得出核苷酸以三個一組的結論。這樣的討論,不 像一般課堂上有標準答案的問答,學生的腦中可 能創意迸發,丟出各式各樣可能的答案,而這些 答案都可能是對的!老師可要隨時接招!這樣的

「對話」不但考驗同學的邏輯思考,也讓老師在 這樣的對話實戰中磨練成長。

在一個具探究與實作特徵的生物課堂中,老 師的工作不再是傳授知識的夫子,而是提出問 題、提供鷹架、引導討論、做出結論的導航員,

因此,每堂課都可以是探究與實作課程。試想,

如果在生物課時拼命傳授知識,絲毫不進行任何 思考活動;卻又另闢一個時段,特別尋找額外的 課程主題,要求學生探究,不是很奇怪嗎?

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教案簡介:如何確認密碼子是三個字一組?

搭配課程 高中 生物科 選修生物(下) 11-3 基因的表現 教學對象 高中 生物科 三年級

教學時間  50 分鐘

學習目標

一. 欲培養學生的能力與態度:

1. 利用分子生物學的素材,帶領學生挑戰課本提到的密碼子是三個字一組,除了問

「為什麼是三個」以外,更進一步問「為什麼是三個,而不是一個、兩個或四 個?」,以猜想與反駁的方式,讓學生自行發現後者的錯誤之處,並進而建構出前 者的正確。

2. 能大膽提出假說,並能設計相對應實驗應證該假說正確與否的科學能力。

3. 培養學生勇於推理,面對錯誤亦無懼的大無畏精神。

二. 學生能獲得的知識內容:

1. 密碼子是三個字一組,而不是一個字、兩個字或四個字一組。

2. 科學家如何確定上述這件事。

教學活動 1. 地點:一般教室即可。

2. 不必分組,學生可自由與鄰近同學討論。

教學建議

1. 營造安全的教室氣氛,答錯不會被扣分或受懲罰,而且還鼓勵學生「有錯誤答案比 完全沒有答案來得好」的學習精神。

2. 學生提出假說後,留一小段時間讓他們與鄰近同學自由討論,教師見機收網。

3. 只要舉手回答,請教師務必把握機會予以正向鼓勵,再進行接下來的討論。

學生先備知識 1. 已學習高三選修生物(下) 11-3 基因的表現。

2. 理解分子生物學得中心法則,知道轉錄、轉譯的基本原理。

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教案規畫

教學內 容架構

投影片 頁碼 教學重點 教學策略

引起動機 2

教師提問:

「為什麼mRNA上的密碼子是三個一組,不是一 個或兩個?」

讓學生討論、舉手回答。

這個問題學生可以很快就討論出來,

所以可先用這個簡單的問題建立學生 討論的信心。

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引導學生思考推論出參考答案:

因為RNA由四種核苷酸組成,蛋白質由二十種胺 基酸組成,若一種核苷酸對應一種胺基酸,密碼 只有四種,顯然不夠對應於二十種胺基酸;當兩 個核苷酸一組形成一個密碼對應一種胺基酸時,

這是從四種元素可重複的取兩個出來排列的狀 況,可有十六種密碼,依然少於二十,因此也不 夠用;此時很自然的,三個一組共六十四組密 碼,對應二十種胺基酸則綽綽有餘。

• 教師可提供「構成蛋白質的胺基酸 有二十種」與「構成RNA的核苷酸 有四種」這兩項資訊。

• 提問後讓學生討論學習單問題一,

再進行全班討論。

進階問題 4

老師提出挑戰題:

上面的討論解釋了因為密碼種類不夠,所以一 個、兩個一組皆不可行,理論上三個一組是可行 的,但如何證明事實真的如此?

• 學生初聽此提問,常會不明所以,

需 再 次 跟 學 生 強 調 「 思 想 先 於 行 動」的觀念,在做實驗之前,科學 家心中早已演過長長的內心戲,幾 經思索推敲,老早想好各種劇本,

才著手做實驗。因此,提煉出生長 素 並 定 出 其 結 構 之 前 , 早 已 知 道

「應該」有生長素的存在;在摩根 以果蠅證實「染色體學說」前,薩 登與包法利早已預測「基因應該位 在染色體上」,所以我們現在正走 著先人的路,「預測」密碼是三個 字一組,接下來要證明事實上真的 是這樣!

• 提問後讓學生分組討論學習單問題 二與三,再進行全班討論。

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問題討論 5

學生猜想狀況1

做一條「GAAAAAAAA……」的RNA,看看轉譯的 結果。

• 學生猜想,老師引導討論。

• 此處謹以此為例說明,請依實際情 狀調整。

• 其實學生原來猜想狀況如下:

「 做 一 條 都 是 由 八 個A 所 組 成 的 RNA。如果做出來的多肽鏈由八個 胺基酸組成,那就是一個字組成一 個密碼;若做出來的多肽鏈是由四 個胺基酸組成,則可知兩個字組成 一個密碼,其他依此類推。」

但教師可根據學生的狀況,修改命 題 , 增 加 挑 戰 性 , 例 如 : 「 非 常 好 ! 邏 輯 上 可 行 , 也 可 以 由 結 果 倒推出哪一個假說是對的,但是,

我的技術只能合成一串A給你,沒 辦法精準的合成九個A給你,怎麼 辦?」

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學生猜想狀況1之討論

以「GAAAAAAAA……」為例說明:

一組密碼一個字 G A A A A A A A A……

做出來的胺基酸鏈序列為 1 2 2 2 2 2 2 2 2……

一組密碼二個字 GA AA AA AA A……

做出來的胺基酸鏈序列為 1 2 2 2 ……

一組密碼三個字 GAA AAA AAA……

做出來的胺基酸鏈序列為 1 2 2 2 ……

在無法控制核苷酸數目的情況下,該實驗設計針 對三種假說推出來的結果是相同的,因此無法以 此判斷何種假說才是正確,所以此法行不通。

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學生猜想狀況2

做一條「GGAAAAAAAA……」的RNA,看看轉譯 的結果。

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學生猜想狀況2之討論

以「GGAAAAAAAA……」為例說明:

一組密碼一個字 G G A A A A A A A A……

做出來的胺基酸鏈序列為 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2……

一組密碼二個字 GG AA AA AA AA A……

做出來的胺基酸鏈序列為 1 2 2 2 ……

一組密碼三個字

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9 學生猜想狀況3

「做一條ACCACCACCACCACC……試試看!」

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學生猜想狀況3之討論

以「ACCACCACCACCACC……」為例說明:

一組密碼一個字

A C C A C C A C C A C C A C C ……

做出來的胺基酸鏈序列為 1 2 2 1 2 2 1 2 2……

一組密碼二個字 AC CA CC AC CA CC……

做出來的胺基酸鏈序列為 1 2 3 1 2 3 1 2 3 ……

一組密碼三個字 ACC ACC ACC……

做出來的胺基酸鏈序列為 1 1 1 1 ……

用此方法推論,不同假說會有不同的結果,因此 只要實際著手進行實驗,即知哪一個假說是正確 的,所以該策略可行。

延伸問題 11

用上述方法,可證明三個一組可行,但不排除三 的倍數例如六個一組的可行性呀!如何證明是三 個一組而非六個一組?

若 學 生 會 有 如 此 提 問 , 表 示 大 成 功!!

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提問一:為什麼mRNA上的密碼子是三個一組,不是一個或兩個?

提問二:上面的討論解釋了因為密碼種類不夠,所以一個、兩個一組皆不可 行,理論上三個一組是可行的,但如何證明事實真的如此?請提出實 驗設計以便證明「密碼子確實是三個字一組」。

提問三:根據上述實驗設計,分別預測「一字一組」「二字一組」及「三字一 組」的實驗結果,並說明你的實驗設計是否可以達到預期目的。

學習單

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