5E教學模式應用于高中生物核心概念的教學

陶楊娟

摘 要 根據本節“遺傳信息的傳遞——DNA復制”的科學史實較多，且核心概念不易理解的特點，應用5E教學模式，引導學生開展探究性學習活動，促進學生新舊概念的認知沖突，幫助學生自主建構、理解并應用新概念，提高核心概念教學的有效性，并提高學生處理信息的能力，提高生物學素養。

關鍵詞 5E教學模式 核心概念 高中生物 遺傳信息的傳遞 DNA復制

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

5E教學模式是美國生物學課程研究（BSCS）開發的一種基于建構主義理論和概念轉變理論所開發的一種教學模式，該模式將課程分為參與（engagement）、探究（exploration）、解釋（explanation）、拓展（elaboration）及評價（evaluation），簡稱5E教學模式。“參與”是5E教學模式的起始環節，通過創設問題來激發學生對學習內容的興趣。問題情境可與課程內容和教學任務聯系起來，盡量與學生的生活實際相聯系，激發學生主動探究，自覺構建知識。“探究”是5E教學模式的中心環節，新課程提倡學生是主體，教師是引導者和組織者。這一環節就要求教師根據學生的認知沖突，引導學生進行探究。教師只需對學生思維活動進行適當引導，使學生能掌握準確的生物學概念。“解釋”是5E教學模式的關鍵環節，教師要引導學生對探究結果進行分析和解釋，讓學生展示其對概念的理解、看法及認識，對學生的解釋進行綜合分析。“拓展”是在學生理解了新概念的基礎上進行的，教師在此基礎上對新概念作進一步深化、遷移到與此概念相關的知識，并與之建立某種聯系，擴充概念的基本內涵，發展學生對概念的理解和應用技巧。“評價”是5E教學模式的最后環節，教師通過檢測或提問的方式對整個教學活動做最后的評估，判斷整個教學活動的優缺點，提供一個評估自己教學能力的機會。

此教學模式不僅可以提高課堂教學效率，而且有利于學生學習能力及溝通能力的培養，充分體現和尊重學生課堂主體地位。現以“DNA復制”一節教學為例，闡述5E教學模式在高中生物學教學中的實踐探索。

1 分析教學內容，把握核心概念

“DNA復制”是浙科版高中生物必修二第三章第三節內容，本節的教學重點是DNA的復制方式和復制過程，教學難點是探究DNA的復制方式。教師在授課時，可以用教材第61頁的“活動”和第64頁的“小資料”為背景，展開探究式教學，并設置一定的問題情境，引導學生對實驗進行分析，進而理解并掌握核心概念。

2 實施教學過程，準確構建概念

2.1 激發學生參與學習

參與課堂教學環節的活動形式有多樣，教師可以提供問題情境，展示相異事件，以吸引學生參與課堂的注意力和激發學生學習興趣。學生通過“DNA結構”一節的學習，已經明確DNA分子結構的多樣性和特異性，DNA兩條鏈之間堿基互補配對和反向平行的概念。但在學習DNA復制時，學生很難理解半保留復制時母鏈和子鏈之間的反向平行與DNA復制方向的矛盾。因此教師在教學中應該為學生提供暴露這些已有知識的機會，以此激發學生的學習興趣，積極參與課堂學習。

2.2 實施探究學習活動

《普通高中生物課程標準（實驗）》倡導研究性學習來促進師生互動、生生互動，在此過程中不斷完善、重組或細化學生已有的認識，使學生對某個概念的認識更豐富、更準確、更清晰。科學探究活動要求學生能夠提出和分析問題、設計和實施方案、查找證據及分析數據，然后用證據進行解釋、表達和交流。

活動1：教師從復習舊知導入新課，首先出示DNA分子結構模式圖，組織學生復習鞏固DNA分子結構的主要特點和遺傳信息的概念，為本節課學習DNA復制即遺傳信息的傳遞作鋪墊。教師引導閱讀教材，思考問題：① 作為遺傳物質，DNA分子能貯存大量的遺傳信息，這些遺傳信息如何從親代傳遞給子代呢？引出DNA復制的概念。② DNA復制的場所在哪里？③ 一個DNA分子有兩條多核苷酸鏈，復制一次后能形成幾個DNA分子？得到幾條鏈？

學生通過教材閱讀，歸納出DNA復制的概念：以原來DNA分子為模板合成相同分子的過程；關于DNA復制的場所問題，學生結合已學的細胞結構知識，原核生物的DNA場所在擬核，真核生物DNA主要存在于細胞核，從而判斷不同細胞DNA復制的場所不同。針對第③題，教師可以引導學生計算并回答，檢測學生對DNA復制概念的掌握程度。

教師通過設疑：DNA真是一種能自我復制的分子嗎？DNA的復制方式及過程又是如何的呢？引出對DNA復制的探究。

活動2：教師引導學生回憶DNA復制的時間和場所，進而提出探究問題：完成DNA復制還需要哪些條件呢？

教師呈現資料：1958年美國生物化學家kornberg的設想：細胞內必有合成DNA所需要的一系列酶，所以他將大腸桿菌細胞破碎后，在其中加入4種脫氧核苷酸（實際上是4種脫氧核苷三磷酸），對其中一種核苷酸用同位素進行標記，經保溫孵育后測定DNA含量，發現并沒有DNA合成。再加少量DNA作為復制的模板和ATP，然后將上述混合液置于適宜溫度下孵育一段時間，發現放射性標記已經進入DNA，說明有新的DNA合成。Kornberg測定了新DNA的堿基排列順序，發現它們與模板DNA上的堿基序列非常相似，由此說明了DNA復制需要的條件。

根據資料，再結合必修2課本P63內容，學生能答出：如果要在生物體外完成DNA復制，必須具備模板、四種脫氧核苷酸、能量和酶（后者由大腸桿菌研磨液提供）。這類結論的得出也可通過分析教師預設的問題：① 事先加入的4種脫氧核苷酸起什么作用？② 大腸桿菌研磨液為DNA復制提供了什么條件？③ 如果不加“模板”DNA，那么新DNA可以合成嗎？

活動3：為了充分給予學生探究發現的機會，教師設置問題情境，引導學生思考：你認為DNA復制的方式可能是怎樣的呢？組織學生分組討論DNA復制方式、子代DNA可能的鏈的組成。教師可引導學生用磁性貼紙或簡筆畫圖進行分析，擇優展示。之后可讓學生展示各自討論的結果，進行自評和互評。討論的結果大體有兩種設想：全保留復制和半保留復制。endprint

教師呈現資料：1953年，Meselson和Stahl利用氮的同位素15NH4Cl為唯一氮源的培養基中生長，經過連續培養12代，從而使所有DNA分子標記上15N。15N-DNA的密度比普通14N-DNA的密度大，在氯化銫密度梯度離心時，這兩種DNA形成不同的區帶。如果將15N標記的大腸桿菌轉移到普通培養基（含14N的氮源）中培養，經過一代以后，所有DNA的密度都介于15N-DNA和14N-DNA之間，即形成了一半含15N，一半含14N的雜合子，兩代后，14N-DNA和14N-15N-DNA雜合子等量出現，若繼續培養，可以看到14N-DNA分子增多，當把14N-15N雜合分子加熱時，它們分開成14N鏈和15N鏈，這充分說明了，在DNA復制時，原來DNA分子均可被分成兩個亞單位，這些亞單位經過多代復制后仍保持完整性。

據此史料，學生推測DNA分子復制過程為半保留復制，即子代DNA分子中僅保留一條親代鏈，另一條鏈則是新合成的（可用磁性貼紙模擬，教師擇優展示）。

活動4：教師提出當年科學家的一個疑問，也是最初否認雙螺旋結構的原因：他們認為復制對于雙螺旋結構來說是個困難，比如DNA全部打開后，很可能發生打結以及單鏈配錯的情況。該史料讓學生形成認知沖突，之后教師展示DNA復制過程的動畫并讓學生思考：DNA復制究竟是一個怎樣的過程呢？

教師呈現資料：1963年，Cairns用放射自顯影的方法第一次觀察到完整的正在復制的大腸桿菌DNA，他將3H-脫氧核苷標記大腸桿菌DNA，然后將大腸桿菌的細胞璧去除，使完整DNA釋放出來，鋪在一張透析紙上，在顯影后的片子中看到大腸桿菌DNA的全貌，用這種方法Cairns闡明了DNA復制以半保留的方式進行復制，并且是邊解旋邊復制方式進行的。

學生已經學過DNA分子結構，再結合半保留復制特點，利用所學知識進行推理并建構新的知識。學生觀看DNA復制過程視頻。教師指導學生閱讀教材P63，對文中的語句表述進行解釋。隨后，師生共同梳理DNA復制過程。

通過上述問題的討論，學生對DNA復制過程大致有框架，只要完整的語言表述出來即可：DNA復制過程包括解旋、合成子鏈、形成雙鏈DNA分子；而所謂的模板即是能提供合成一條互補鏈所需精確信息的核酸鏈。

對DNA復制過程的學習是以問題串形式引出，史實資料呈現證據，學生根據課本內容進行推理分析得出。這一方面體現了教師“用教材教”，另一方面這也能進一步培養學生分析實驗的能力。

2.3 引導學生解釋概念

解釋環節是考驗探究性學習過程有效性的階段，使新概念過程或方法明確化和可理解化的過程。教師可以通過學生練習、解釋等形式，給學生表達其對核心概念理解的機會，從而了解學生對核心概念的掌握程度。如在本節中，教師可根據課本中的核心概念，設置以下習題：

① 如果用同位素32P標記一個噬菌體內的雙鏈DNA分子，然后讓它侵染大腸桿菌，最后釋放出400個后代，則其后代中含有32P的噬菌體應占總數的

。

② 某DNA分子的一條鏈上某個堿基由“G”突變為“C”，則該DNA復制n次，堿基序列發生改變的DNA占總DNA分子的 。

對①，學生根據核心概念“半保留復制”可知，400個后代中含有32P的噬菌體有2個，故應為0.5%；②考查對“模板鏈”的理解，題中一條模板鏈的堿基發生改變，則以這條鏈為模板合成的子鏈堿基均發生改變，故應為1/2。

2.4 促進概念遷移

學生初步掌握“DNA復制”“半保留復制”“模板鏈”等核心概念后，教師應創設問題情境，讓學生明確核心概念的內涵及外延，促進概念的應用與遷移。教師可呈現以下資料，供學生討論。

教師呈現資料1：1974年，Korenberg和Freedlender用姐妹染色單體色差法證明了半保留復制。在DNA復制過程中用胸苷尿嘧啶的類似物5-溴脫氧尿嘧啶（簡稱BUdR）摻入到新合成的DNA中，使新合成鏈中的T被BUdR所取代。這樣母鏈中含有T，而新合成鏈中的T被BUdR取代。在摻入BUdR后經紫外光的照射，可損傷含有BUdR的雙鏈，這樣再用Giemsa染色，只有含T雙鏈或T-BUdR雜種鏈可被染色，而BUdR雙鏈則因DNA破壞染不上色。這樣在熒光顯微鏡下可觀察到兩條姐妹染色單體有無熒光，這個實驗可以直接觀察結果。

針對資料，教師可以提出以下問題供學生討論分析：① 經紫外線照射自顯影后，第一次有絲分裂中期，每個染色體的兩條染色單體中有幾條被標記？到第二次有絲分裂中期，每個染色體有幾條染色單體被標記？到第三次有絲分裂中期，又有幾條染色單體被標記？② 上述結果說明了什么問題？③ 如果是到第一次至第三次有絲分裂后期，被標記的染色體又有幾條呢？

教師呈現資料2：1958年H.Taylay用3H標記蠶豆根尖細胞的DNA，通過放射自顯影技術證實了真核生物的DNA復制也符合半保留復制模型。每條染色體含有一條雙鏈DNA分子，Taylay用3H標記蠶豆根尖細胞的DNA（標記雙鏈），然后將細胞置于不含放射性的培養液中，讓細胞進行有絲分裂。第一次有絲分裂中期，染色體全部有標記；第二次有絲分裂中期，染色體也全部有標記；后期細胞兩極的放射性強度沒有第一次有絲分裂后期強。

針對資料，教師可引導學生對DNA半保留復制過程和結果進行分析，可以提出以下問題供學生討論：① 第一次有絲分裂、第二次有絲分裂、第三次有絲分裂中期細胞內染色體的染色情況如何（主要指各個染色體的染色情況和每個染色體的兩個姐妹染色單體的染色情況）？② 這樣的染色結果支持半保留復制模型嗎？如何解釋？

教師呈現資料3：由于DNA的兩條鏈都可以作為模板而復制是從特定的復制起點開始雙向復制，起點的一側為3′→5′方向，另一側為5′→3′方向，在3′→5′模板鏈上，子代DNA鏈可以連續復制，速度較快。而以5′→3′DNA鏈為模板合成的3′→5′互補鏈，不能按3′→5′方向進行，故必定要按照5′→3′方向先合成一系列較短的DNA片段，再連接起來，這種片段稱之為岡崎片段，是由1968年岡崎、及其同事進行一系列實驗證實的。endprint

通過對資料1、2的分析，學生明確了原核生物和真核生物DNA復制過程一樣，但復制后DNA存在的位置有差別，這可以從資料中的熒光標記和放射性標記中可以看出。資料3很好地解釋了文首制造的認知沖突，起到首尾呼應的效果。

通過上述問題的解決，學生既可以學習實驗思路和方法，并得到發散思維的訓練，也訓練和提高了學生的推理分析能力。同時資料1又向學生介紹了一種新的實驗方法，讓學生從一個新的角度進行科學方法的訓練，體驗了科學家的智慧，并使所學的知識得到應用和遷移。

2.5 評價概念學習

經過上述4個環節的教學，學生對于遺傳信息的表達過程中所涉及的核心概念及其統領的普遍概念的理解已經較為深刻。這時，教師可以精選幾道練習題觀察學生對所學概念的理解，并綜合評價，一方面保證概念教學目標的達成，另一方面也有助于改進概念教學。

① 假設一個雙鏈均被32P標記的噬菌體DNA由5 000個堿基對組成，其中腺嘌呤占全部堿基的20%，用這個噬菌體侵染只含32P的大腸桿菌，共釋放出100個子代噬菌體。下列敘述正確的是（ ）

A. 該過程至少需要3×105個鳥嘌呤脫氧核苷酸

B. 噬菌體增殖需要細菌提供模版、原料和酶等

C. 含32P與只含32P的子代噬菌體的比例為1∶49

D. 該DNA發生突變，其控制的性狀即發生改變

② 下列敘述中錯誤的是（ ）

A. 圖中DNA分子復制是從多個起點同時開始的

B. 圖中DNA分子復制是邊解旋邊雙向復制

C. 真核生物DNA分子復制過程需要解旋酶

D. 真核生物的這種復制方式提高了復制速率

3 反思教學過程，完善5E教學模式

本節課上，教師通過組織學生分組討論、動手作圖和制作模型、分析史料推測并提出DNA復制方式，學生主動參與學習過程，自行分析資料、推斷及推測實驗結果、最后得出結論。學生不僅從中獲得生命科學的基礎知識，同時領悟科學家在對DNA復制過程的研究運用的科學技術以及解決問題的思路和方法，逐步養成科學思維的習慣。本節課采用的5E教學模式的教學目的正是如此，該模式不僅要求學生在與學習內容、教師和其他同學等互動過程中構建、重組與修正自己對生物學概念的認識，而且在動手和動腦過程中，最終達到提高學生生物素養這一核心目標。

由于DNA分子比較微小，肉眼不可見，本節課采用磁性貼紙模擬DNA復制的慢動作，輔助多媒體演示，結合科學史實的證據說明，再設置一系列的思考分析回答，將生命科學的微觀領域的知識可視化，很好地突破了教學重點和難點。在具體教學過程中，教師要把握好時間，因為本節設計的探究活動較多，所以可以將5E中的最后一個環節“評價”作為課后作業，以保證本課結構的完整性。

參考文獻：

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