基于實驗活動構建生物學概念的教學實踐研究
——以“DNA分子具有雙螺旋結構”的概念構建為例

潘 煒

（浙江省桐廬中學 浙江桐廬 311500）

概念是對事物的高度概括和抽象。在概念學習中，學生若不能真正把握其含義和使用知識，就會產生一些思維障礙及各種錯誤。概念是不能直接給予的,根本原因在于每個人的知識都必須經歷一個形成發展的過程。由于教學的時間有限，經歷常不可能是真實充分的，但無論如何，一個縮略的過程也是必要的。這個縮略過程的設計就是概念教學設計的主要內容［1］。美國心理學家布魯納曾提出：“教學生學習任何科目,絕不是向學生心靈中灌輸一些固定的知識,而是啟發引導主動去求取知識與組織知識”。建構主義心理學家還認為，在大腦中的知識結構不是直線型的層次結構，而是圍繞著一些關鍵概念所構成的網絡［2］。

如何將客觀的概念變得讓學生感覺親近，應引導學生理解概念的“來歷”，即要回到學科的范疇，回到學科研究事物的某些屬性上去［3］。這就需要教師轉變教學方式，學生轉變學習方式。實驗活動是促進學生構建生物學概念很好的“腳手架”，可幫助學生在真實情境中體驗實驗現象的抽象和概括，逐步建立生物學重要概念的知識框架，從而有利于學生的學習和知識的遷移運用,也將很好地落實生物學科核心素養。

1 通過實驗活動構建概念的教學實踐

2016年11月22日筆者有幸作為評委參與了本地區的優質課比賽，評比內容是“DNA 分子的結構和特點”。參賽教師充分挖掘和演繹了DNA結構的科學發現過程，多位教師將“DNA 分子結構和特點”與“制作DNA 雙螺旋結構模型”相結合進行教學,讓學生在實驗活動中構建概念——DNA 分子具有雙螺旋結構。

1.1 教學分析 本節內容包括DNA 分子結構和制作DNA 分子結構模型。教學重點是DNA 分子結構的主要特點和制作DNA 分子雙螺旋結構模型。教學難點是DNA 分子結構的主要特點,其中制作DNA 平面結構模型是制作模型中的難點。本節內容是浙科版教材選修2《遺傳與進化》中承前啟后的重要內容，只有明確了DNA 分子結構，才能明確DNA為什么作為生物的主要遺傳物質、DNA 的半保留復制機制、DNA 如何指導蛋白質的合成和如何變異。所涉教學內容的所在章節的概念體系見圖1。

圖1 本節課程所在章節的概念體系

從概念層次分析,本節課最重要的概念是DNA 分子具有規則的雙螺旋結構,具有多樣性、穩定性和特異性等。從結構與功能的角度看，DNA的雙螺旋結構決定了DNA 分子的功能（DNA 具有攜帶遺傳信息和傳遞遺傳信息的作用），同時二者又一起支撐了重要概念（3.1 親代傳遞給子代的遺傳信息主要編碼在DNA 分子上）［4］,進而支撐了大概念（概念3 遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳）［4］。大概念作為學科核心的概念，是通過深入探究而得到的來之不易的結果,是各領域專家的思考和感知問題的方式［1］。磷酸、脫氧核糖、4種堿基、脫氧核苷酸、脫氧核苷酸鏈等是一般概念，又支撐著本節最重要的概念——次位概念（概念3.1.2 概述DNA 分子是由4 種脫氧核苷酸構成的長鏈,一般由2 條反向平行的長鏈上的堿基互補配對形成雙螺旋結構,堿基的排列順序編碼了遺傳信息）［4］,即DNA 分子具有規則的雙螺旋結構，具有多樣性、穩定性和特異性等。

通過本節課學習，達成的學習目標，即預期結果是：學生應知道DNA 的結構特點、脫氧核苷酸的組成，理解脫氧核苷酸的連接方式、堿基互補配對原則和卡伽夫法則。學習收獲，即評估證據是：制作出脫氧核苷酸模型、脫氧核苷酸鏈模型、DNA 的平面結構模型和雙螺旋結構模型和能利用DNA 雙螺旋結構模型分析DNA 分子的特性。在制作模型過程中科學探究DNA 的雙螺旋結構模型,幫助學生形成結構與功能觀的生命觀念，能用生命觀念認識生物的多樣性、統一性、獨特性和復雜性；在互動中相互評價、質疑與探討，運用模型與建模、批判思維等方法，促進理性思維的深入與發展。

本文以本校一位參賽教師的教學案例進行分析說明。

1.2 教學過程

1.2.1 創設概念學習的情境 創設概念的學習情境，可引導學生進入學習概念的情境，激發學生學習的興趣和好奇心。本節課中授課教師展示自己的家庭親子照,提出問題串：①你是否認識他們？②照片中3 人是什么關系？③如何證明夫妻關系或親子關系？

這樣從身邊的事件（教師的家庭）出發，貼近學生的生活，學生很快進入情境想到DNA 及親子鑒定。

教師展示DNA 親子鑒定原理,引出：DNA 如此重要，它到底是一個怎樣的分子？學生帶著好奇心進入了學習DNA 分子結構概念的情境。

1.2.2 突破概念學習的難點 DNA 分子是看不見、摸不著的事物，其結構對于大多數人來說抽象且難以感受到。因此，DNA 分子結構是本節學習的難點。如何讓抽象的事物被學生感受到并理解？

1.2.2.1 明示要素，構建脫氧核苷酸模型 要了解DNA 的結構，必須要知道其基本結構單位——脫氧核苷酸，而要構建脫氧核苷酸，必須明確脫氧核苷酸構件的組成。因此，此部分內容學習要引導學生分析資料知道脫氧核苷酸組成,同時教師還要交待模型構件的組成要素,使學生將抽象的脫氧核苷酸的組成部分與模型的各構件建立起對應關系，否則將會直接影響后續實驗的深入開展。

展示資料1：20 世紀初萊文和瓊斯（美）發現DNA 由6 種小分子組成：脫氧核糖、磷酸和4 種堿基（A、G、T、C）。

提問：DNA 的基本單位是什么？它是由什么組成的？學生根據已有知識和閱讀資料1 回答。通過脫氧核苷酸結構式的分析,學生能理解脫氧核糖的1、3、5 號碳位（圖2），為制作DNA 分子模型做好準備。教師對照模型組成介紹模型構件和需要注意的事項。所用模型組成是球棍插接模型，強調各部件分別代表什么組成部分。

圖2 2-脫氧核糖［5］

教師再提示：3 種物質是如何構成基本單位的？學生明白脫氧核苷酸組成后，自己動手嘗試制作。要求每位學生至少構建2 個脫氧核苷酸模型，然后在小組內展示并討論所制作的模型,教師巡視并及時糾錯,師生一起觀察展示4 種脫氧核苷酸，討論并糾錯。

1.2.2.2 小組合作，構建脫氧核苷酸鏈模型 學生構建好脫氧核苷酸模型,有了構建DNA 分子結構的基本單位，教師可引導學生繼續構建DNA 分子。

教師引導：脫氧核苷酸是如何連接成一個DNA 分子的？（提示：聯系蛋白質的形成）學生思考后知道一個氨基酸的羧基上的羥基與另一個氨基酸的氨基上的氫通過脫水縮合形成肽鏈,聯想到DNA 應該是由脫氧核苷酸間相互反應形成核苷酸鏈。

展示資料2：1951年，英國化學家托德提出了核苷酸分子之間的化學連接方式。他認為核苷酸與核苷酸之間是通過磷酸二酯鍵（脫氧核糖的3位碳原子與相鄰核苷酸的磷酸發生化學反應形成的化學鍵）連接的。

教師展示2 個脫氧核苷酸的結構模型,再提示：磷酸基團很容易與脫氧核糖上的羥基反應，讓學生分析基本單位之間的連接方式。這樣學生就會很快明白脫氧核苷酸間的連接方式。然后，教師要求每個小組利用剛才完成的脫氧核苷酸模型，連接一條脫氧核苷酸單鏈。各小組展示成果，進行組與組間、師生間共同評價，及時糾正連接錯誤，得到正確的脫氧核苷酸單鏈。再通過觀察，認同磷酸與脫氧核糖的交替連接的排列方式。

1.2.2.3 嘗試探究,構建DNA 空間結構模型有了脫氧核苷酸鏈后，又如何構成DNA 分子？教師引導提問：4 種脫氧核苷酸通過3′，5′-磷酸二酯鍵相連，就形成了一條脫氧核苷酸鏈。DNA 分子就是這樣一條核苷酸鏈嗎？它們如何組合構成完整的DNA 分子？

展示資料3：1952年5月，富蘭克林利用X 射線晶體衍射技術獲得了DNA 分子照片（圖3），并指出了DNA 是由2 條長鏈組成的雙螺旋結構，螺旋直徑為2 nm。

圖3 富蘭克林獲得的DNA 分子X-衍射照片［6］

教師講述：沃森和克里克分析威爾金斯和富蘭克林提供了DNA 的衍射圖譜和相關數據，推斷出DNA 是一個螺旋體。但DNA 究竟是由幾條鏈組成的螺旋體？當時有的知名科學家曾提出DNA的3 鏈、4 鏈模型，但都被科學界否定了。后來聯想到生命現象中常出現成對的結構,例如同源染色體等，沃森和克里克開始構建DNA 的雙鏈結構模型，提出了如下構想1：將核糖和磷酸組成的骨架在螺旋的外面，里面是堿基對。要求學生按小組利用脫氧核苷酸在KT 板上構建DNA 雙鏈結構（此處教學環節又選用了4 種脫氧核苷酸的平面剪紙圖，而不用球棍插接模型。因為球棍模型在堿基間的3 個或2 個插接會提示學生,而平面剪紙圖沒有提示,可增加學生探究的機會和暴露錯誤的思維）。學生嘗試進行構建，有的組A 與A、T 與T、G 與G、C 與C 配對,有的組A 與T、G 與C 配對。引導提問，學生思考：堿基如何結合？任意結合嗎？能穩定存在嗎？

教師講述：沃森和克里克提出了如下構想2：將相同的堿基進行配對,即A 與A 配對、T 與T配對、G 與G 配對、C 與C 配對。但A 與A 配對、T與T 配對,又被化學家否定。展示學生中同型配對的模型,提問：為什么被否定？學生觀察并討論,發現這樣形成的脫氧核苷酸對的直徑有大有小，脫氧核苷酸就很難連接另一條脫氧核苷酸鏈。

展示資料4：奧地利生物化學家卡伽夫測定部分生物的DNA 的分子組成,發現DNA 中的4種堿基的含量如表1。1952年他訪問卡文迪什實驗室時，向克里克詳細解釋了其中的規律。

表1 奧地利生物化學家卡伽夫測定的部分生物的DNA 分子組成

引導提問：根據這則資料，你能得到哪些信息？學生回答說出：A 含量∶T 含量接近1∶1；G 含量∶C 含量接近1∶1。教師講述卡伽夫研究的結論：幾乎所有的DNA，其腺嘌呤含量與胸腺嘧啶含量相同,即A＝T；鳥嘌呤含量與胞嘧啶含量相等，即G＝C，總的嘌呤含量與總的嘧啶含量相等，即A+G＝T+C。提問：根據這個發現，大家可推斷堿基是如何進行連接的嗎？學生很容易說出：A 與T 配對，C 與G 配對。

展示資料5：美國化學家多諾休提供的正確的A、T、G、C 4 種堿基分子結構圖。由此，學生明白了A、G 為雙環結構，T、C 為單環結構,同型配對得到的DNA 模型不規則。

教師講述：A 與T 配對，C 與G 配對,成功地解釋了DNA 分子的堿基數量關系。事實也正是如此，在之后的研究中，沃森和克里克發現A—T 堿基對與G—C 堿基對具有相同的形狀和直徑，堿基間通過氫鍵連在一起,而且A 與T 有2 個氫鍵，G與C 有3 個氫鍵,這樣組成的DNA 分子呈規則的雙鏈結構，具有穩定的直徑，提出A 與T、G 與C 配對的堿基互補配對原則，堿基間以氫鍵相連。

要求學生再嘗試根據結論修正剛才的模型，并用筆在KT 板的堿基對間畫出氫鍵。在學生構建好DNA 分子的平面結構后,要求學生用球棍插件模型完成構建DNA 分子結構模型。教師巡查指導，及時發現各小組制作中存在的問題。這時主要出現了2 種結果：一種是不能形成螺旋結構，另一種是形成了螺旋結構。通過展示2 種模型，師生共同討論分析，達成共識：2 條鏈間是反向平行連接的。

1.2.2.4 利用模型,明確DNA 分子結構特點制作完成DNA 分子結構模型，至此也完成了將抽象DNA 分子轉換為直觀DNA 分子的過程。

教師展示DNA 分子結構模型，引導學生觀察并進行小組討論。師生共同討論問題，進行小結。問題：①DNA 分子中，外側由什么連接而成？內側是什么？②2 條鏈之間堿基的連接有什么規律？③構成DNA 的2 條鏈有怎樣的關系？

利用模型，小結DNA 分子結構的主要特點。至此，DNA 分子的雙螺旋結構從“點”（脫氧核苷酸）到“線”（DNA 單鏈）到“面”（DNA 平面結構）再到“體”（DNA 空間結構），就被完全構建起來了。在這樣的“嘗試→犯錯→討論→糾錯”過程中，學生對DNA 分子的結構有了深刻的感性認識。

1.2.3 嘗試概念學習的遷移 大概念是一種概念性的工具，用于強化思維，連接不同的知識片段，使學生具備應用和遷移的能力［1］。布魯姆（1981）等提出遷移是大概念的本質和價值所在［1］。

教師展示不同小組的模型,引導學生觀察討論：比較不同組的DNA 模型有何異同？學生通過比較觀察,得出不同組模型的差異是堿基對的數量和排列順序不同，從而明確遺傳信息是指DNA中的堿基排列順序。同時也解決了本節課開始的問題：為什么DNA 分子可用于親子鑒定以確定一個人的身份。因為每個人體內的DNA 的堿基排列順序是不同的，所以遺傳信息是不同的。

學生通過比較分析不同小組的模型,分析知道了堿基對的數量和排列順序的差異,由此知道DNA 分子有多種多樣,從而可推理得出DNA 分子具有多樣性的特性。比較觀察每一小組的DNA結構模型各不相同，學生明白每個DNA 分子都是獨特的，從而可推理得出DNA 分子具有特異性的特性。通過比較相同之處，知道DNA 分子都是由4 種脫氧核苷酸組成,堿基對通過氫鍵連接且配對遵循堿基互補配對原則,外側都是由磷酸基團和脫氧核糖交替連接組成。由此，學生可推理得出DNA 分子具有穩定性的特性（表2）。

表2 DNA 分子的組成、結構及其特性

最后要求學生完成概念圖（圖4）。

圖4 要求學生完成的概念圖示意圖

通過利用模型分析，學生在嘗試中遷移解決了DNA 分子蘊藏著豐富的遺傳信息及DNA 分子具有多樣性、特異性和穩定性的特性。最后完成概念圖的構建,又讓學生從具體的DNA 模型結構遷移回歸到抽象的DNA 分子結構,學生從而在概念的螺旋上升學習中真正理解了DNA 分子的結構特點。

2 通過實驗活動構建概念的教學策略

2.1 教學的逆向設計 在教學設計上,進行了教學的逆向設計。教師在開展“教”與“學”活動之前，先要努力思考此類學習要達到的目標是什么，以及哪些證據能表明學習達到了目的，能培養學生什么核心素養。逆向設計的3 個階段：確定預期結果→確定合適的評估證據→設計學習體驗和教學［1］。

首先,本節課教師確定了預期結果是學生學習后達成知道DNA 的結構特點、脫氧核苷酸的組成，理解脫氧核苷酸的連接方式、堿基互補配對原則和卡伽夫法則的目標。在學習過程中進行在合作探究中相互交流、互相評價，有意識地培養演繹與推理、模型與建模等科學的思維習慣與方法，幫助學生逐漸形成結構與功能觀的生命觀念。

其次，為了達成學習目標和落實核心素養，確定了合適的評估證據是學生學習中制作出脫氧核苷酸模型、脫氧核苷酸鏈模型、DNA 的平面結構模型和雙螺旋結構模型，完善概念圖。

最后,根據確定的預期結果和合適的評估證據，設計了概念學習的情境引入學習，設計了在合作探究、糾錯分析、共同評價中體驗了科學家的探索過程，在構建“基本單位—單鏈結構—平面結構—空間結構”模型過程中逐步深入，最后形成了概念——DNA 分子具有雙螺旋的結構。

這樣逆向設計的概念建模教學中,可圍繞教學預期的結果尋找合適的評估證據,然后設計學習體驗和教學。這樣的教學設計,教學路徑更明確，教學效益更有效，教學目標更有利于達成，核心素養的落實更有效。由此可知，逆向設計是一種追求理解的設計。

2.2 教學的合作探究 在教學組織上，采用小組合作討論、實驗探究方式。獲得一個學科的核心大概念有時會非常緩慢,學生需要通過教師引導探究學習和反思才能獲得［1］。

本節課在“嘗試→犯錯→討論→糾錯”的過程中，學生主動參與，在由“點”（脫氧核苷酸）到“線”（DNA 單鏈）到“面”（DNA 平面結構）再到“體”（DNA 空間結構）的合作討論和科學探究過程中，運用科學思維中的演繹與推理、模型與建模等方法，逐步構建DNA 分子結構模型，理解DNA 分子結構特點。這也充分體現了概念的獲得是一個習得過程。同時，在概念習得過程中很好地培養了學生的生物學學科核心素養。

2.3 教學的互動評價 “評價是日常教學過程中不可或缺的重要環節，是教師了解教學過程、調控教和學的行為、提高教學質量的重要手段”“評價應指向學生生物學科核心素養的發展”［4］。本節課在評價形式上,進行了生生互評和師生互評的方式。在互動評價活動中，教師通過評價得到反饋，有利于教師對活動的調控；學生在活動中通過評價得到反饋，有利于激勵自我，同時各種理性思維在互動評價中得到培養和提升,各級概念在互動評價中理解深化并習得。

在教學中，模型不僅是教學工具，更是學生分析和思考的素材。以DNA 模型為載體的建構學習中，學生既體驗了模型構建的科學研究方法，又很好地培養了動手能力和空間想象能力。在這樣的“嘗試→犯錯→討論→糾錯”過程中，充分發揮了學生主體性,也在充分暴露學生的錯誤思維方式中,通過生生互動評價和師生互動評價中不斷螺旋上升，從而有效地培養了學生的批判性思維、創新思維等理性思維。這樣也使抽象知識得到具體化，客觀的概念變得讓學生覺得有親近感，增加了學科味，使學生學得更輕松。

總之，生物學中有較多的大概念，例如，細胞是生物體的基本結構與功能單位、DNA 分子具有雙螺旋結構等,這些概念的產生都是逐步發展建立起來的。因此，要讓學生對生物學的學習有“學科味”，要讓概念的學習回到學科范疇，在教學中就應優化概念教學。生物學是一門實驗學科，生物學事實、概念和規律大都是科學家通過實驗探索發現的。可見實驗是研究生物學規律、學習生物學知識和構建生物學概念的重要方法,也由此可知實驗活動中構建概念是優化概念教學和落實生物學學科核心素養的重要方式之一。