引入論證式教學模式，體現生物科學史價值

李相國

摘要以“DNA通過復制傳遞遺傳信息”一節為例，將科學史資料進行梳理、加工后以不同形式呈現，讓學生通過類似“科學論證”建構概念，發展核心素養，并深入認識科學本質。

關鍵詞 論證式教學 科學史 學科核心素養 科學本質

中圖分類號G633. 91文獻標志碼B

科學史在發展學生學科核心素養、認識和把握科學本質等方面蘊含巨大的教育價值。論證式教學可將科學論證引入課堂，引導學生像科學家一樣基于證據進行論證并得出合理結論，其基本模式如圖1所示。筆者將論證式教學模式引入“DNA通過復制傳遞遺傳信息”一節教學，對DNA復制相關科學研究史料進行精細化加工，以不同形式呈現給學生，讓學生經歷作出猜想、尋找證據、推理論證、得出結論等類似科學家的論證過程，形成“DNA分子通過半保留方式進行復制”等生物學概念，理解科學研究的思路和方法，同時發展學生科學思維和科學探究能力，形成生命觀念，深入理解科學本質。

1教材分析

本節課是浙科版普通高中教科書《必修2·遺傳與進化》第三章第三節的內容。本節內容相關的次位概念是“DNA分子通過半保留方式進行復制”，隸屬于重要概念“親代傳遞給子代的遺傳信息主要編碼在DNA分子上”，其上位的核心概念是“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”。本節內容在學生學習了“核酸是遺傳物質”及“遺傳信息編碼在DNA分子上”的基礎上，進一步學習DNA分子的功能——通過DNA復制進行遺傳信息的傳遞。本節內容能幫助學生更深入地理解細胞增殖如何保證親子代細胞遺傳性狀的連續性、穩定性以及遺傳規律，為后續學習生物的變異及進化等內容作好鋪墊。

教材設置了活動“探究DNA的復制過程”及小資料“DNA半保留復制的觀察——來自染色體的證據”，提供科學研究史料來說明DNA半保留復制的特征。教師可將學生拉進生物科學史現實，從當時社會、科學、技術發展視角審視史料，引導學生通過演繹、推理提出自己的觀點與猜想，再從中尋找證據來解釋或辯駁自己的觀點，形成結論，發展科學思維。學生形成基于實證的科學研究思維模式是本節教學的重點、難點。

2學情分析

學生已知DNA是多數生物的遺傳物質，已經知道DNA分子的雙螺旋結構：DNA由兩條反向平行的脫氧核苷酸鏈組成，兩條鏈的堿基按照互補配對原則排列，以氫鍵相連。學生對沃森和克里克有關DNA復制的預期模式也有一定的了解，有助于對DNA復制特點提出自己的觀點或猜想。

另外，高一學生經過必修1及必修2“遺傳的基本規律”等章節內容的學習，已經初步具備了一定的觀察、歸納與整合、演繹與推理能力，具備了一定的提出問題、設計實驗、對實驗結果交流與討論能力，為本節論證式教學順利實施提供了保障。

3教學目標

①通過對DNA復制方式的探索，學會根據實驗目的選擇恰當的研究材料、技術方法，設計實驗、實施方案并對結果進行交流和討論；認同技術對科學發展的推動作用。

②學會假說-演繹等科學思維方法，并能基于事實與證據，經過論證形成“DNA通過半保留方式進行復制”等生物學概念。

③通過探究DNA復制，歸納并說出DNA復制的特點和條件，闡明DNA分子復制的意義，形成結構與功能觀及信息觀。

4教學過程

4.1“DNA復制為半保留復制”的論證式教學

4.1.1提出問題

教師提供資料：DNA分子的雙螺旋結構被提出后，科學家們提出了關于DNA復制的3種可能方式（圖2）。①分散（彌散）復制：麥克斯·德爾布呂克認為，DNA骨架先被斷開，復制許多短片段，再重新連接到一起。產生的子代DNA是新老DNA片段拼湊在一起的集合，每條鏈均含有新老DNA片段。②半保留復制：沃森和克里克認為DNA復制時雙螺旋先解開，形成的每一條鏈均作為合成新互補子鏈的模板。每個新的DNA分子含有一條來自親本分子的鏈和一條新合成的子鏈。③全保留復制：其他部分科學家認為，親本的螺旋在DNA復制后保留了其完整性，子代DNA分子含有兩條全新的DNA鏈。并提出問題，引發學生思考：DNA復制到底是哪一種方式？

4.1.2根據證據作出猜想

教師提供資料：DNA雙螺旋結構模型認為：DNA由兩條反向平行的脫氧核苷酸鏈組成，兩條鏈的堿基按照互補配對原則排列，以氫鍵相連。教師引導學生根據以上事實提出有關DNA復制方式的觀點：DNA雙螺旋的結構適合進行半保留復制，即DNA復制時堿基對之間氫鍵斷裂，兩條鏈解開并彼此分離，然后以每條鏈為模板，按照堿基互補配對原則分別形成一條新的互補鏈，得到兩個完全相同的DNA分子。

4.1.3分析史料，尋找證據支持猜想

（1）教師提供關于梅瑟生和斯塔爾實驗的科學史證據。

①環節一：演繹、推理。

教師首先向學生介紹15N同位素標記技術及CsCl密度梯度離心技術，使學生理解上述技術在區分及分離不同密度的親、子代DNA分子過程中的作用。然后，學生根據3種不同復制方式特點進行演繹、推理，分別得出DNA復制一代、二代后產生的不同實驗結果。3種不同復制方式產生的復制結果及預計離心結果如圖3所示。

②環節二：以問題串明晰實驗過程。

本實驗的過程包括15N同位素標記大腸桿菌DNA、大腸桿菌培養與分裂、裂解并提取DNA、密度梯度離心、觀察比較離心結果等步驟，教材中有較為詳細的敘述。為了幫助學生更深入理解實驗操作原理，教師可以設置以下一系列問題，讓學生思考、討論：該實驗主要用到了哪些實驗方法？實驗如何判斷細菌分裂的代數？你認為細菌裂解液的主要成分是什么？如何從裂解液中提取DNA進行離心？以上問題涉及微生物的計數、物質的分離和提純等多種實驗技術方法。上述問題的解決能拓展學生的知識寬度，強化學生思維的深度。

③環節三：實驗結果的分析與討論。

解決了實驗過程中的系列問題后，教師展示梅瑟生和斯塔爾實驗的結果（圖4），引導學生分析實驗結果，以支持或辯駁自身的觀點。由于復制一代產生的DNA分子離心結果不足以證明半保留復制，因此教師要注意引導學生進行證據評估，以反駁一些不正確的推論。

教師設問：僅比較復制一代的DNA和長期在14NH4Cl為唯一氮源的培養基中培養的菌體DNA就可以證明DNA是半保留復制嗎？學生經過分析后得出：僅僅比較復制一代的DNA離心結果能排除全保留復制的可能，但如果要區分半保留復制和分散復制需要比較復制二代的DNA離心結果。教師追問：如何僅通過對復制一代的DNA進行離心分析，即確定DNA為半保留復制？引導學生從DNA雙螺旋結構的角度進行創新思維。最后，介紹梅瑟生和斯塔爾的做法：離心前調高實驗溫度，高溫下讓DNA分子兩條鏈之間的氫鍵打斷進行解旋，形成DNA單鏈再進行離心。如果DNA進行分散復制，由此產生的每條鏈都是含有15N和14N片段的混合物，離心后將分布在中間位置，與半保留復制結果不同。教師對學生正確的類似回答進行表揚和鼓勵，讓學生領悟科學家所設計實驗的巧妙之處。

（2）教師提供2則科學史證據。

①H·Taylar用3H標記蠶豆根尖細胞的DNA的實驗：用含放射性同位素3H的胸腺嘧啶脫氧核苷標記細胞染色體DNA雙鏈；讓細胞在不含3H的培養液中完成一個細胞周期；取其有絲分裂中期染色體，經放射自顯影顯示實驗結果，顯示每個染色體的2條單體都被標記；然后取第二個細胞周期的中期染色體，經放射自顯影顯示每條染色體僅1條單體被標記。

②Korenberg等姐妹染色單體色差法研究DNA復制實驗：將植物根尖分生組織放在含有5-溴尿嘧啶脫氧核苷的培養液中進行培養；分別取第一、二、三次分裂中期細胞，用姬姆薩染料進行染色；顯微鏡分別觀察分裂不同代數細胞內染色體的染色情況，由于含BrdU的脫氧核苷酸鏈著色很淺（淺藍色），與母鏈的著色（深藍色）明顯不同，因此就出現了色差染色體。

4.1.4得出結論

學生根據以上證據，分析得出DNA復制為半保留復制，其論證過程如圖5所示。

4.2以視頻和模型制作內化概念

由于DNA復制過程是一個微觀、抽象、動態的過程，給學生的學習帶來一定的困難。教師設計2個環節加以突破。①展示DNA復制的視頻，將微觀的生命活動過程利用動畫直觀的展現出來。②分小組進行協作，利用簡易材料長尾夾、扭扭棒在前期制作的DNA雙螺旋結構基礎上進一步構建DNA復制過程模型。長尾夾和扭扭棒等材料簡單易得，構建DNA復制過程模型可演示DNA邊解旋邊復制的動態過程，突出立體與動態，如圖6所示。模型構建能進一步激發學生興趣，使學生進一步內化“DNA通過半保留方式進行復制”等概念，引發學生思考DNA復制的特點、復制需要條件及復制的生物學意義等問題，提升學生交流、合作意識和能力。

4.3提供遷移情境、強化論證式思維

論證式思維的形成不是一蹴而就的。教師可以提供科學史上關于DNA復制時子鏈延伸方式作為遷移問題情境，讓學生分小組運用論證模式進行分析，再次經歷猜想、尋找證據、推理論證、得出結論等環節，進而強化論證式思維。

教師設置問題情境：雙鏈DNA分子兩條鏈為反向平行的，一條5′→3′，另一條鏈則是3′→5′。親代DNA分子雙螺旋解開后形成復制叉，新鏈以什么樣的方式延伸？學生思考后，認為有連續復制、半不連續復制和不連續復制三種可能。

教師提供科學史資料：

①DNA復制需要DNA聚合酶，研究表明，催化天然DNA復制的DNA聚合酶只能按照5′→3′方向合成子鏈。

②DNA復制需DNA連接酶的參與。日本科學家岡崎選擇T4噬菌體DNA復制作為對象，用3H標記脫氧核苷脈沖標記進行T4噬菌體復制的大腸桿菌細胞，培養一段時間后將DNA產物按照大小進行分離，結果既得到DNA短片段，也得到DNA長片段。

③岡崎及同事用DNA連接酶基因缺陷型的T4噬菌體突變體（不產生DNA連接酶）重復以上實驗，發現DNA短片段占主導。

學生以小組為單位根據以上資料反復進行推理、論證，得出“DNA復制至少是半不連續復制”的觀點。有關“DNA至少是半不連續復制”的論證流程如圖7所示。

5教學反思

事實性知識的獲得、生物學概念形成是高中生物學課程的重要目標，但是生物學課程還應在此基礎上發展學生的生物學學科核心素養，并進一步認識“科學本質”。

本節充分利用DNA復制研究的科學史資料，采用論證式教學模式，有助于學生形成“DNA通過半保留方式進行復制”等概念。在學習過程中，學生進行演繹-推理、模型建構等活動，發展了科學思維，提升了科學探究能力，可體會到DNA進行半保留復制與DNA雙螺旋結構有關，逐步形成“結構與功能相適應”的生命觀念，并從DNA復制意義思考中逐步樹立生命的“信息觀”。另外，本節課利用科學史進行論證式教學，能幫助學生深入認識“科學工作依賴觀察和推論”“科學工作采用基于實證的范式”等方面的“科學本質”。

在進行論證式教學設計時，教師可將部分科學史資料加工形成問題串，提升學生推理、分析能力，促進深度學習。當學生尋找證據進行論證遇到障礙時，教師可恰當補充科學史資料，提供論證的著力點，但要注意學生的主體參與度，不能越俎代庖。論證式教學具有開放性，學生可能提出多元化的觀點與猜想，教師應予以正面、積極的評價，對合理推理多給予鼓勵。

參考文獻：

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