STEM教育在高中生物探究式教學(xué)中的初探

摘 要：基于STEM教育理念，開(kāi)展DNA分子的結(jié)構(gòu)的探究式教學(xué)，旨在為新高考生物教學(xué)模式的改革與創(chuàng)新提供參考。

關(guān)鍵詞：STEM教育;探究式教學(xué);物理模型

STEM教育是科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)等多學(xué)科交叉融合，以問(wèn)題為導(dǎo)向而形成系統(tǒng)化學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的教育方式，它培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科交叉知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，發(fā)展學(xué)生終身學(xué)習(xí)的能力。本文基于STEM教育，以構(gòu)建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的科學(xué)史為基礎(chǔ)，通過(guò)小組合作探究的方式，運(yùn)用模型與建模，歸納-概括的方法，開(kāi)展DNA分子結(jié)構(gòu)的探究式教學(xué)，提升學(xué)生多學(xué)科交叉知識(shí)的綜合應(yīng)用能力和科學(xué)探究能力，達(dá)成生物學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、 創(chuàng)設(shè)情境，感受雙螺旋之美

教師展示雙螺旋結(jié)構(gòu)的建筑和雕像的圖片，同學(xué)感受雙螺旋的科學(xué)之美。

設(shè)疑1：在實(shí)驗(yàn)證明DNA是生物體的遺傳物質(zhì)之后，人們質(zhì)疑：DNA是如何儲(chǔ)存遺傳信息和決定生物性狀？它應(yīng)具備何種結(jié)構(gòu)與其功能相適應(yīng)？小組討論：DNA。

設(shè)疑2：若時(shí)間倒流到1951年，根據(jù)當(dāng)時(shí)已有材料，你能否破解DNA的結(jié)構(gòu)之謎？

二、 探究DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的構(gòu)建歷程

（一） 舊知鏈接：知識(shí)搶答——DNA的組成

搶答題目：DNA全稱(chēng)是什么？基本單位是什么？堿基有幾種，分別是什么？DNA的每一條鏈?zhǔn)侨绾谓M成的？各小組踴躍的搶答，課堂氣氛熱烈。

知識(shí)搶答活動(dòng)吸引學(xué)生的興趣，渲染課堂氛圍，借助問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生有序回憶DNA的組成，為DNA分子結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)埋下伏筆。

（二） 探究DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的構(gòu)建歷程

視頻播放：生命的秘密——DNA，結(jié)合課本內(nèi)容，沿著科學(xué)家探索生物世界的道路，小組討論構(gòu)建DNA模型的過(guò)程，并歸納概括。各小組交流后歸納：沃森和克里克構(gòu)建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的歷程。

思考：1. 上述資料中涉及哪些學(xué)科的知識(shí)和方法？這對(duì)理解生物學(xué)科的發(fā)展有什么啟示？小組回答：物理學(xué)、生物化學(xué)、數(shù)學(xué)及分子生物學(xué)等;X射線(xiàn)衍射結(jié)構(gòu)分析、建構(gòu)模型等方法;多學(xué)科交叉運(yùn)用，推動(dòng)生物學(xué)的發(fā)展。

思考：2. 沃森和克里克默契配合，構(gòu)建了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，給予你哪些啟示？小組回答：善于學(xué)習(xí)和借鑒他人的研究成果和經(jīng)驗(yàn);善于與他人交流和合作;鍥而不舍的科學(xué)精神。

利用視頻資料介紹DNA結(jié)構(gòu)的構(gòu)建歷程后，由學(xué)生自主歸納與概括，有助于他們理解科學(xué)的本質(zhì)和研究的思路，認(rèn)同與人合作在科學(xué)研究中的重要性和技術(shù)的進(jìn)步在探索遺傳物質(zhì)奧秘中的重要作用，形成科學(xué)態(tài)度和價(jià)值觀。

（三） 構(gòu)建DNA分子結(jié)構(gòu)物理模型

1. 探究活動(dòng)：構(gòu)建模型，歸納特點(diǎn)

材料：DNA分子結(jié)構(gòu)——球棍模型，包括脫氧核糖20個(gè)，磷酸分子20個(gè)，堿基A、T、C、G各5個(gè)，連接棒60個(gè)。

小組探究如何構(gòu)建模型，思路：制作脫氧核苷酸→脫氧核苷酸單鏈→雙鏈DNA→DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。

小組展示和觀察DNA模型，思考討論：你的模型是否完全正確？若發(fā)現(xiàn)有不完全正確之處指出并說(shuō)明改進(jìn)，嘗試分析DNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。小組成員與他人交流所得結(jié)果和存在的問(wèn)題后，運(yùn)用科學(xué)術(shù)語(yǔ)精確闡明：DNA分子是由四種脫氧核苷酸構(gòu)成，兩條堿基互補(bǔ)配對(duì)（A與T配對(duì)，G與C配對(duì)）的反向平行長(zhǎng)鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，脫氧核糖和磷酸交替連接，排列在外側(cè)，構(gòu)成基本骨架;堿基對(duì)通過(guò)氫鍵連接排列在內(nèi)側(cè);具有穩(wěn)定性、多樣性和特異性等特性。

類(lèi)比記憶，DNA——螺旋樓梯，堿基對(duì)——臺(tái)階，磷酸-脫氧核糖骨架——扶手。

科學(xué)-技術(shù)-社會(huì)：DNA分型技術(shù)，測(cè)定特殊片段的DNA的序列，用于個(gè)人識(shí)別、親緣鑒定、建立DNA數(shù)據(jù)庫(kù)等。

學(xué)生采用建模與模型，觀察法、比較分析法、歸納概括法完成DNA分子結(jié)構(gòu)的探究式學(xué)習(xí)，從基本單位到平面結(jié)構(gòu)再到空間結(jié)構(gòu)，逐步認(rèn)識(shí)DNA分子，發(fā)展學(xué)生觀察、分析、操作等科學(xué)探究能力，形成科學(xué)的思維方法。學(xué)生能應(yīng)用DNA的相關(guān)概念和模型分析，解決個(gè)人識(shí)別、親緣鑒定、建立DNA數(shù)據(jù)庫(kù)等實(shí)際問(wèn)題，面對(duì)親緣鑒定有爭(zhēng)議的社會(huì)議題，通過(guò)邏輯思維闡明個(gè)人立場(chǎng)，培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任感。

2. 運(yùn)用模型，推算DNA分子的堿基比例

學(xué)生觀察DNA結(jié)構(gòu)模型，完成教材拓展題，根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，推導(dǎo)出相關(guān)的數(shù)學(xué)公式，概括規(guī)律。

規(guī)律一：在雙鏈DNA分子中，互補(bǔ)堿基兩兩相等，A=T，C=G，A+G=C+T;

規(guī)律二：在雙鏈DNA分子中，互補(bǔ)的兩堿基之和，在已知鏈、互補(bǔ)鏈及雙鏈中恒等;

規(guī)律三：DNA分子一條鏈中（A+G）/（C+T）的比值是互補(bǔ)鏈的倒數(shù)，整個(gè)DNA分子中該比值等于1。

鞏固提升：某雙鏈DNA分子中，G與C之和占全部堿基總數(shù)的34%，其一條鏈中的T與C分別占該鏈堿基總數(shù)的32%和18%，則在它的互補(bǔ)鏈中，T和C分別占該鏈堿基總數(shù)的比為（A）

A. 34%和16%

B. 34%和18%

C. 16%和34%

D. 32%和18%

運(yùn)用模型，挖掘DNA分子結(jié)構(gòu)中隱含的原理，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題的能力，依據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，推算DNA分子的堿基比例，學(xué)會(huì)用數(shù)學(xué)語(yǔ)言表述生命現(xiàn)象，鍛煉學(xué)生的數(shù)理邏輯思維。

3. 小結(jié)與評(píng)價(jià)

學(xué)生繪制DNA分子結(jié)構(gòu)的概念圖，小結(jié)本節(jié)內(nèi)容。

評(píng)價(jià)：各小組均能利用材料正確拼接成DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，展示模型，觀察模型，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，作解釋說(shuō)明，能準(zhǔn)確描述DNA分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和發(fā)展生物學(xué)科的理性思維。

（四） 反思

本節(jié)以學(xué)生探究活動(dòng)還原科學(xué)史和構(gòu)建物理模型，闡明DNA作為遺傳物質(zhì)所具有的特征，樹(shù)立結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念;重視滲透科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)相互關(guān)系的教育，通過(guò)DNA分型技術(shù)幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)生物學(xué)與社會(huì)發(fā)展的緊密聯(lián)系，感悟社會(huì)的責(zé)任與擔(dān)當(dāng);注重培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用多學(xué)科交叉知識(shí)解決DNA的相關(guān)問(wèn)題，促進(jìn)STEM教育融入生物課堂，并結(jié)合探究式教學(xué)，形成新型教學(xué)模式，為新高考生物教學(xué)模式的改革與創(chuàng)新提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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[2]官仕坤.對(duì)高中生物模型教學(xué)的幾點(diǎn)思考[J].中學(xué)生物教學(xué)，2018，2（1）：37-38.

作者簡(jiǎn)介：

鐘圣，福建省龍巖市，福建省龍巖第一中學(xué)。