基于科學史和跨學科學習的教學實踐

韓菲 邵澤琳 向婧

摘要以“DNA的結構”為例，結合科學史資料，融合物理、化學相關知識進行教學，引導學生重溫科學家探索之路。通過小組合作制作模型，幫助學生形成立體的知識結構，促進生物學學科核心素養的落實。

關鍵詞 科學史 跨學科學習 模型 建模

中圖分類號G633. 91文獻標志碼B

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）提出加強學科間的橫向聯系，有利于學生理解科學的本質、科學的思想方法和跨學科的科學概念，有利于學生建立科學的生命觀。同時，也指出學習生物科學史能夠使學生沿著科學家探索生物世界的道路，理解科學的本質和科學研究的思路和方法，學習科學家獻身科學的精神，這對提高學生的生物學學科核心素養是很有意義的。因此，下面以“DAN的結構”一節為例，結合科學史資料，融合物理、化學相關知識進行教學，引導學生重溫科學家探索之路；并通過小組合作制作模型，幫助學生形成立體的知識結構，促進生物學學科核心素養的落實。

1設計思路

DNA分子結構發現的研究本身就是多學科交叉融合的結果。根據《課程標準》的要求，教師利用閱讀資料、模擬實驗、科學建模等教學環節，讓學生深入理解結構與功能觀，培養演繹與推理、模型與建模等科學思維，使學生在學習中認識到生物學、物理學、化學學科交叉的思維，以及科學家在研究過程中使用的方法與思路，培養生物學學科核心素養。具體設計思路見圖1。

2教學目標

①根據DNA分子結構發現的科學史和證據，進行分析和討論，概述DNA分子結構模型的特點，進一步形成結構與功能相適應的觀念。

②通過對DNA分子雙螺旋結構特點的小組討論，結合給定的模型設計要求與步驟，利用學具制作DNA分子雙螺旋結構模型，采用演繹與推理闡明DNA分子作為遺傳物質所具有的特征。

③基于科學家對DNA分子結構模型的探索歷程，認同科學探究是一個不斷深化的過程，認識到科學家探索求真的科學精神，以及交流合作、技術進步、多學科交叉滲透等，對于科學的發展以及解決實踐問題有重要作用。

3教學過程

3.1創設情境，導入新課

在學習科學的過程中，學生往往以為科學是一成不變的，缺乏對科學研究歷程的了解。教師從科學研究的原文獻出發，以沃森和克里克1953年發表的論文導入，引出對DNA結構的探討，呈現科學研究的真實過程。

3.2基于證據，體驗建模三部曲

3.2.1初探模型

教師展示證據：

1951年，在意大利那不勒斯的一次生物大分子結構會議上，物理學家莫里斯·威爾金斯展示了一張DNA的X射線衍射圖譜，啟發了年輕的生物學家沃森。他認為如果基因可以結晶，那么它一定具有能夠用簡單方法測定出來的規則結構。從此，沃森萌生了與威爾金斯合作研究DNA結構的想法。沃森在卡文迪什實驗室，遇到了同樣對DNA結構著迷的克里克。二人以威爾金斯和其同事富蘭克林提供的DNA衍射圖譜有關數據，推算出DNA分子螺旋結構，并且綜合前人的研究成果，先后多次實驗構建出正確的DNA分子結構模型。

富蘭克林是一位卓越的英國女科學家。1951年，她在英國皇家學院開始DNA分子衍射技術的研究。她在DNA分子晶體結構研究上成功地制備了DNA樣品；通過X射線衍射拍攝到DNA分子B型圖，由此推測DNA分子呈螺旋狀，并定量測定DNA螺旋體的直徑和螺距，測得A型DNA的密度、大小以及對稱性等。

學生開展第一次建模：模型一是一個三條鏈的螺旋結構，并且磷酸根是在整個結構的內側，堿基在外側。

通過教師展示資料，還原科學史實，學生初步了解DNA分子結構的發現歷程，為后續學習奠定基礎，并認識到一項偉大科研成果離不開團隊合作。

通過科學史的學習，學生了解到威爾金斯和富蘭克林利用X射線測得DNA分子的衍射圖，進而確定了DNA分子是螺旋結構。教師追問：那么，為什么DNA衍射圖譜“X”形就意味著DNA分子是螺旋狀的呢？

這個問題的回答涉及到復雜的數學、物理學、化學知識，學生理解比較困難。教師可以更換思路，用同樣是螺旋狀的小彈簧來做物理學中簡單的光的衍射實驗，利用物理學知識真實直觀地向學生演示小彈簧的衍射圖案（圖2），模擬富蘭克林的實驗。在物理學中，學生會學到光的衍射實驗，當一束光照射到物體邊緣后，會繞開障礙物改變傳播路徑，繼續在空間中傳播。不同形狀物體的衍射圖案不同，并且在物理學光的衍射這一節中，也涉及到X射線衍射與DNA分子雙螺旋結構的材料。

教師在生物學中引入物理學知識，對特定知識點進行適當的補充，可以有效地幫助學生理解DNA分子的雙螺旋結構。學生通過模擬科學史經典實驗，從中領悟科學家的思路與方法，形象直觀地將文字轉化為動態的演示，感知生命觀念并培養學生科學思維、科學探究能力。

3.2.2深入建模

教師展示證據：富蘭克林研究發現DNA結構為螺旋型，結構是雙鏈，有對稱軸。DNA分子中的磷酸根基團暴露在水中，此時就暗示了DNA結構中磷酸根基團在螺旋的外側，堿基在螺旋內側。

學生開展第二次建模：磷酸在DNA骨架的外部，堿基在內部的雙鏈螺旋結構，內部為堿基對用氫鍵相連，堿基對是同配。

第二次構建的模型與模型一最大的不同，就是把磷酸基團調整到了螺旋的外側，堿基在內側，也就是相同堿基用氫鍵相連進行配對。教師提出問題，引導學生思考：但此時有一些科學家提出否定，他們又提出哪些證據呢？

3.2.3成功建模

教師展示證據：

格里菲斯計算出DNA分子中堆在一起的堿基之間的吸引力得出，用氫鍵相連的堿基分子是靠在一起的，嘌呤有吸引嘧啶的趨勢。

查哥夫通過計算分析得出，DNA所含的四種嘌呤和嘧啶堿基并不相等，但是嘌呤和嘧啶兩類堿基之間的比例是恒定的，并堿基A與T數量相等，G與C數量相等。

學生開展第三次建模：磷酸在DNA骨架的外部，堿基在內部的雙鏈螺旋結構，內部為堿基對用氫鍵相連，堿基對是互補異配。

教師提供資料：最終，沃森與克里克成功構建了DNA分子雙螺旋結構模型，并于1953年將研究成果發表在《自然》雜志。

學生通過了解沃森、克里克的模型建構歷程，初步體會DNA結構特點，認識并嘗試基于證據進行重復建模驗證、修改模型、最終完善模型的過程，并學會善于運用前人的科研成果在生物科學探究中的意義。

3.3結合建模，認識DNA結構特點

模型與建模是培養學生科學思維的基礎。模型是人們為了某種特定目的而對所認識對象所作的一種簡化的概括性描述，可以是定性的，也可以是定量的，有的借助具體的事物或其他形象化的手段，有的則通過抽象的形式來表達。學生動手制作的DNA分子雙螺旋結構模型為物理模型，能夠形象直觀地將系統的內部動態和功能動態聯系起來進行生動的學習，使學生能夠像科學家一樣了解知識的運作和產生。

通過前面科學史材料、X衍射實驗的演示，學生對于DNA分子雙螺旋結構有了一定的了解。接著在教師指導下，學生利用給定的材料工具，小組合作制作DNA分子雙螺旋結構模型（圖3、4）。在制作時，教師帶領學生進行討論。

教師提出問題：我們看一看分別用哪幾種材料來代表組成DNA的磷酸、脫氧核糖和堿基？

學生1回答：我們用做了標記的彩色硬紙板來代表不同的堿基，磷酸和脫氧核糖用做了標記的白色紙板來代替。

教師追問：這三種物質是在什么部位相互連接的？怎樣將這三種材料正確地連接起來？

學生2回答：脫氧核糖和磷酸在外側交替連接，用白色紙板代替磷酸二酯鍵將其連接起來，堿基對排列在內側，氫鍵用紙板與紙板間粘貼表示。

教師繼續追問：在模型中，如何體現DNA的兩條鏈是反向平行的？又怎樣體現兩條鏈的堿基之間互補配對？

學生3回答：觀察兩條鏈的堿基順序，可以看出DNA的兩條鏈是反向平行的。兩條鏈之間堿基用符號與彩色紙板標記，可得出胞嘧啶與鳥嘌呤配對，胸腺嘧啶與腺嘌呤配對。

模型制作完成后，教師進一步引導學生觀察，并提出問題：每一組模型是否具有相同的堿基排列順序？各組模型混合在一起時，能否辨認出自己的模型？依據又是什么？根據學生回答，教師引導學生總結出：每組模型具有不同的堿基排列順序，這是因為DNA分子的多樣性，而由于DNA分子的特異性，所以可以根據特定的堿基排列順序，可以找到自己建構的模型。最后，引導學生觀察課本中DNA分子結構模式圖和自己制作的模型總結得出DNA分子的結構點。

3.4梳理研究歷程，體會科研之路

學生根據本節課的學習，用流程圖的形式梳理關于DNA結構的研究歷程（圖5），并總結出：在DNA結構發現歷程中涉及到學科的交叉應用，如DNA的純化、結晶、獲得衍射圖譜以及推算雙螺旋結構，涉及到了物理、化學、生物、和數學的原理和方法。學科交叉滲透教學是促進學科發展重要的一種方式。教師以生物學為基礎，準確掌握教學滲透點，將相關物理、化學知識點有條理準確的滲透結合教學，使學生主動建構知識點，將其他學科的知識構建到已有的生物學知識體系中。

4教學反思

教師經常認為學生科學學習的過程與科學家的研究工作之間存在著巨大的鴻溝，肯定無法理解科學家深奧的科學工作。然而，學生很多關于科學的前概念與科學史上科學概念的演變經常是重合的。教師要注意重新審視科學史在教學中的地位，改變課堂教學中科學史工具化的認識。科學史的重要教育功能之一就是理解科學本質，幾乎科學本質的每一個方面，都可以在科學史中找到佐證。在本節課的設計中，教師設計了模擬實驗，如果課堂條件允許的話，建議進行演示實驗。但是，這個實驗對儀器系統的穩定性要求較高，演示效果可能不明顯。教師可以通過課前的預實驗圖片進行展示，也會達到預期的效果。此外，很多教師會因為模型制作比較耗費時間而放棄。本設計使用的紙質模型是一種定制的紙質半成品，小組分工合作下，大約5～8 min就能完成一個DNA雙鏈的制作，大大節約了時間。

科學家研究過程中的所思所想，是科學思維訓練的重要素材。打破學科界限，完整呈現科學家之間思維的交流與碰撞也是本教學內容的一大特點。在教學實施過程中，學生更真切地理解了科學的本質，促進對連貫科學世界觀的形成。

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