探究式教學的模型建構實踐

摘要

闡述了教師如何成功地將沃森、克里克建立DNA雙螺旋結構模型的研究過程轉化為學生邊分析資料邊構建模型的學習過程。

關鍵詞 DNA結構 構建模型 教學案例

中圖分類號 G633.91

文獻標識碼 B

1背景

為推進并深化高中生物的教學改革，北京區教研中心在平谷四中舉辦了“新課程背景下的引導探究式教學研究”現場會。教學內容為人教版必修模塊二第三章的第二節。

2主題

探討在新課程背景下的課堂教學如何加強教師在探究教學中的引導，促使學生進行有效的探究式學習活動。

3教學方式

任務驅動式、引導探究式。

4教與學過程

4.1教學環節一：創設問題情景，引入課題

師：通過上節課的學習，我們已經知道DNA是生物的遺傳物質，而且它能夠自我復制、控制生物性狀。結構與功能是相適應的，那么DNA具有什么樣的結構呢?從20世紀40年代到50年代初，幾個美國和歐洲的研究小組既協作又競爭地對比進行了研究。今天我們將重溫當年科學家建立DNA雙螺旋結構模型這一段艱難與充滿智慧的過程。(此環節意在激發學生探究的欲望)

4.2教學環節二：引導探究DNA模型建立過程，并嘗試構建模型

此環節是引導學生模仿科學家探究建立DNA結構模型的過程，感悟DNA分子結構構建過程中的科學探索精神和思維方法，鼓勵學生大膽想象，培養學生創新思維能力，同時通過合作探究，培養學生團結協作精神。

教師展示資料1：在沃森和克里克研究之前，科學界對DNA的認識：DNA分子是以4種脫氧核苷酸為單位連接而成的長鏈。

教師引導學生回憶學過的DNA的相關知識：①組成DNA的基本元素?②DNA的基本組成單位名稱及種類?③脫氧核苷酸由哪幾部分構成?

生回答：①c、H、O、N、P；②脫氧核苷酸：4種，分別是腺嘌呤(鳥嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶)脫氧核苷酸；③一分子堿基、一分子磷酸、一分子脫氧核糖。

教師簡介信封中的用不干膠剪成的堿基、磷酸、脫氧核糖模型，并布置任務：構建四種脫氧核苷酸模型(此環節是構建多脫氧核苷酸鏈的基礎)。

兩名學生在黑板上粘貼構建。其余分組在學案上粘貼構建。

師巡視：發現有的學生磷酸或堿基連接部位不對：有的把堿基連到了脫氧核糖的2號位，有的把磷酸連到了3號位。教師在黑板上畫出脫氧核糖的結構簡式，引導學生評價，強調堿基應連在1號位，磷酸應連在5號位(利用生成資源為順利構建模型做好鋪墊，也為學習基因工程打下基礎)。

師設疑：這些脫氧核苷酸怎樣連接成多脫氧核苷酸長鏈?布置任務：構建多脫氧核苷酸長鏈模型。

兩名學生在黑板上用不干膠嘗試連接。其余學生分組在學案上用線段連接。有的小組連接正確，有的小組連接錯誤。

各小組展示自己的成果，并相互比較評價。

教師展示資料2：1952年，有機化學家證明：將DNA的脫氧核苷酸結合在一起的是3’—5’的磷酸二脂鍵。錯誤的小組動手糾正錯誤連接。

師設疑：平面的單鏈的脫氧核苷酸長鏈沒有DNA的功能，那么脫氧核苷酸長鏈會形成怎樣的空間結構?基于這種認識，有多名科學家開始研究DNA的空間結構。他們在不同的實驗室研究著同一個問題。沃森和克里克就是其中一對合作者。如果你就是當年的科學家，根據DNA的功能，推測一下DNA具有怎樣的空間結構?

生大膽推測：螺旋結構。

師：科學研究需要技術的支持，不只是創新想象。在沃森和克里克冥思苦想而不得其解時，沃森看到了富蘭克林拍攝的DNA的x射線衍射圖，頓時感覺柳暗花明。

教師展示資料3：富蘭克林拍攝的DNA的x射線衍射圖。簡介威爾金斯、富蘭克林及x衍射技術。沃森和克里克依據弗蘭克林拍攝的DNA的x射線衍射圖譜推測：DNA應該是規則的螺旋結構，而且應該是雙鏈或三鏈螺旋結構。三鏈螺旋結構很快被否定。繼續構建DNA雙鏈螺旋結構模型。

教師設疑：如果是雙鏈構成，雙鏈如何排列呢?并布置任務：用不干膠擺放DNA雙鏈的排布(DNA平面模型)。

兩名學生在黑板上用不干膠嘗試排布。其余學生分組在學案上用不干膠嘗試排布。

各學習小組展示自己的成果，并相互比較評價。

師生評價歸納：DNA結構中兩條鏈可能的排列情況有兩種：一是堿基排列在外側；一是堿基排列在內側。堿基配對方式有：同配方案A與A、T與T、G與G、C與C，異配方案A與T、c、G分別配對、T與c、G分別配對、c與G配對。

師：用幻燈片展示堿基排列在外側圖片，并簡介兩位科學家按著這種方式構建的模型與DNA的x射線衍射圖數據不符而失敗，在失敗面前毫不氣餒，繼續研究。

師設疑：堿基排列在內側的情況，需要解決的最關鍵問題是什么?

生：堿基到底怎樣配對?

師講述：沃森和克里克的研究陷入了低谷，這時，化學家查哥夫訪問了劍橋大學，帶來了振奮人心的研究成果。

教師展示資料4：1952年春天，奧地利的著名生物化學家查哥夫訪問了劍橋大學，沃森和克里克從他那里得到了一個重要的信息：A的量等于T的量；G的量等于c的量。

師引導學生分析：依據這個事實，判斷4種堿基如何配對?

學生討論分析后得出結論：A與T配對；G與c配對。

師布置任務：修改你們構建的平面結構模型。

生：兩名學生在黑板上修改，其余分組在學案上修改。師巡視。

師：兩條鏈的方向如何?

生：反向。

師：為什么會反向?

生：因為要保證堿基在內側進行配對。

師：展示合理的堿基連接方式。這說明在平面結構的基礎上進行規則的旋轉，就是沃森和克里克成功建構的DNA雙螺旋結構模型。構建模型方法是科學研究中的一個重要方法。播放DNA雙螺旋結構的動畫，展示模型。并說明：經驗證，沃森和克里克建立的DNA的雙螺旋結構模型與衍射圖相符，并能解釋DNA的多種功能。因此此模型一提出，便得到了科學界的認可，并由此而引發了一場蔚為壯觀的生命科學和生物技術領域的重大革命。沃森、克里克和威爾金斯也因此榮獲1962年諾貝爾醫學生理學獎。

4.3教學環節三：導引學生概述DNA雙螺旋結構的主要特點

課外活動小組的學生展示在課下用紙板、鐵絲等材料制作的DNA雙螺旋模型。

師演示DNA雙螺旋結構實物模型，引導學生從整體、外側、內側逐步觀察，要求學生用規范的生物學術語概述DNA分子結構的主要特點。

學生觀察后概述DNA分子結構的3個主要特點。

針對學生回答過程中出現的問題，教師及時點撥、糾正。

4.4教學環節四：師生共同總結

師生總結得出：DNA分子的結構層次：5種元素、4種基本單位、3種化學成分組成、2條多脫氧核苷酸鏈、1個雙螺旋。

5研討與點評

該教學案例的教學過程以沃森、克里克建立DNA雙螺旋結構模型的過程為主線，通過對科學史材料進行精心地選擇和組織，成功地將沃森、克里克建立DNA雙螺旋結構模型的研究過程轉化為學生邊分析資料邊構建模型的學習過程，學生通過親身體驗制作模型，不僅加深和強化了對DNA分子結構的認識和理解，同時也領悟了建立模型的科學方法及其在科學研究中的作用。

學生在嘗試構建模型的過程中，加強了師生之間、生生之間的交流、合作，并通過這種交流發現問題、解決問題(如堿基、磷酸在脫氧核糖上的連接部位，兩條鏈如何反向平行等)，有效地促進了知識和能力目標的達成。通過交流、探討和觀察等活動，也有效地促進了情感目標的達成。