基于科學史構建“DNA結構”模型的論證式教學研究

田敏

摘 要 以“DNA 的結構”為例，采用論證式教學模式，對相關科學史資源進行論證，引導學生逐步構建并完善DNA 的雙螺旋結構，確立結構與功能相適應觀，發展學生的科學思維和科學探究能力。

關鍵詞 科學史 ?模型與建模 ?論證式教學 ??DNA 的結構

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高中教育階段的生物學課程是科學領域的重要學科課程之一。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂版）》（以下簡稱《課程標準》）提出，既要讓學生獲得基礎的生物學知識，又要讓學生領悟生物學家在研究過程中所持有的觀點以及解決問題的思路和方法，養成理性思維的習慣，形成積極的科學態度，發展終身學習及創新實踐的能力。論證式教學作為探究式教學的一種模式，是將科學研究領域中論證的過程引入課堂，使學生經歷類似科學家提出問題，收集資料證據，得出觀點猜想，再進行支持與辯駁從而得出正確結論的論證過程，以促進學生理解科學概念和科學本質，提高學生的科學思維與科學探究的能力。可見，論證式教學與《課程標準》的基本理念和改革指導方向高度一致。在新教材、新課標的背景下，下面以“DNA分子的結構”一課的教學為例，根據相關的科學史，采用論證式教學策略進行DNA模型構建。

1 ?教材分析

本節是選自人教版（2019年版）高中生物學《必修2·遺傳與進化》第三章第二節。在學習本節課之前，學生已初步掌握核酸的組成種類及其單體的結構等，同時在前一節課中學生也已通過格里菲斯等科學史學習得出了DNA是主要的遺傳物質。在此基礎上，教師可采用知識遷移方法，使學生進一步通過對科學史的論證，深入學習DNA 的結構。本節課也為后續學習 DNA 復制、基因的本質、基因的表達和基因工程等奠定了基礎，在高中生物學中有著重要的地位。

2 ?教學目標

①通過科學史資料論證，能運用結構與功能相適應觀，解釋DNA能作為遺傳物質的原因。

②通過科學史資料論證，運用歸納與概括，演繹與推理、模型與建模的方法，構建并解釋DNA 的雙螺旋結構，形成批判性和創造性的科學思維。

③能基于科學史材料，運用科學思維展開論證，小組合作動手建構、完善并制作DNA雙螺旋的模型，培養動手能力和團隊協作能力。

④了解科學家對DNA 結構探究的一般過程，認識到科學技術的進步對認識生命科學的重要性，養成不懼權威的科學精神和實事求是的科學態度。

3 ?教學過程

3.1 創設情境，導入新課

教師播放電影《長津湖》的片段，使學生感受人民軍隊的愛國情懷，并提出問題：自2014年，國家多次迎接在外烈士遺骸歸國，如何利用生物學技術確認烈士的身份呢？為什么鑒定 DNA 可以確認烈士身份呢？ DNA 具有怎樣的結構才能夠儲存如此強大的遺傳信息呢？一系列的問題引發學生思考，激起學生興趣，推測DNA儲存遺傳信息的功能與其結構的關系。繼而，教師展開本節課，使學生跟隨科學家的腳步解密 DNA 的結構，并暗示本節課的教學思路仍然為論證式教學，為學生主動參與課堂做好積極的準備。

3.2 構建多核苷酸鏈

DNA儲存遺傳信息的功能與其結構相適應。探究DNA結構前，教師引導學生先回顧必修1 中有關核酸物質組成的內容。教師展示科學史1 和科學史2，引導學生構建模型：先構建DNA 的組成單位脫氧核苷酸的結構模型;再構建由四種所含堿基不同的脫氧核苷酸通過磷酸基團連接起來的，每一個核苷酸的脫氧核糖與另一個核苷酸的磷酸連接在一起的多核苷酸鏈。教師提示：關于DNA 的單鏈結構僅僅是科學家的推理分析，要進一步通過實驗驗證。教師展示科學史3和富蘭克林拍攝的DNA分子X射線衍射圖譜，引導學生分析圖譜的特征，找出DNA并非單條鏈狀結構的證據，得出DNA具有雙螺旋的結構。教師從學生已知的DNA 組成成分和單體結構切入，先構建DNA 單體脫氧核苷酸的結構，再構建由脫氧核苷酸形成的單鏈 DNA結構，從簡單到復雜，以循序漸進的方式展開，更有助于培養學生模型與建模的科學思維（圖2）。

3.3 構建DNA 雙螺旋結構

3.3.1 探究磷酸和堿基的排列方式

教師提出問題：磷酸和堿基作為脫氧核苷酸的兩側，在雙鏈DNA 中磷酸和堿基是如何排列的？教師展示科學史4，提出科學家當時的猜想。教師可提問學生對磷酸和堿基排列方式的猜想，促進學生主動構建出其猜想的模型：一種為堿基在兩條鏈的內側;一種是磷酸在兩條鏈的內側。教師請分別支持兩種不同猜想的學生代表發言表達觀點，再出示科學家對物質性質的研究結果支持了堿基在內的猜想。在細胞膜一節內容中，學生對“磷脂分子頭部磷酸親水、尾部疏水”有一定的認識，因而，教師可采用類比推理法引導學生構建“磷酸在螺旋的外側構成兩條多核苷酸鏈的骨架，堿基在螺旋內側”，幫助學生理解“堿基在內側，磷酸在外側”的DNA結構特點。探究磷酸和堿基的排列方式的論證過程如圖3所示。

3.3.2 探究堿基之間的配對方式

明確了DNA雙螺旋結構中堿基排列在內側后，教師繼續引導學生探究在DNA 內側四種堿基的配對方式。教師展示科學史5、科學史6以及四種堿基的結構式圖片，引導學生從DNA 的直徑和堿基的結構式分析，提出猜想A 與T 互補配對、C 與G之間互補配對。教師繼續展示科學史7和科學史8，支持前面提出的猜想A 與T、C與G堿基互補配對，并進一步引導學生得出： A 與T之間由兩個氫鍵，C與G之間由三個氫鍵連接，維系了DNA雙鏈結構的穩定。學生動手按照堿基互補配對的原則修正制作的DNA模型，并用小材料作為氫鍵將兩個配對的堿基連接起來。教師利用科學史和分子結構圖，幫助學生認識到物質的含量和結構特點決定了物質間的關系（圖4）。

3.3.3 探究DNA雙鏈的方向性

教師提出問題： DNA 由兩條鏈形成，每條鏈都有一定的方向，兩條鏈的5′端和3′端是同一方向嗎？針 對這個問題，學生提出不同的猜想。教師出示科學史9：富蘭克林曾描述 DNA 晶體對稱特性，如果把 DNA 晶體上下顛倒，其X衍射圖譜看起來仍然是一樣的。學生根據科學史分析，得出結論DNA 的兩條鏈是反向平行的關系，一條鏈是5′端到3′端，另一條互補鏈是3′端到5′端。在教師的指導下，學生動手修正制作的 DNA模型，并將兩條平面的 DNA 雙鏈形成右螺旋的 DNA雙螺旋結構。探究DNA雙鏈方向性的論證過程如圖5所示。

教師通過一系列的科學史資料論證，積極引導學生去分析、討論和質疑。在該過程中，學生根據得出的新結論不斷去修正DNA模型，不僅有助于科學思維的養成，而且還培養了科學實踐能力，真正成為了課堂的主體。

3.4 明確結構與功能相適應觀

構建完成DNA雙螺旋結構后，教師提問：每個小組的DNA結構是否相同？哪里不同？學生通過觀察、分析，得出：堿基對的排列順序存在差異。DNA 的堿基排列順序千變萬化，因此能夠儲存大量的遺傳信息，并且不同生物的堿基對排列順序也不相同。學生得出DNA 具有多樣性和特異性，從而解釋了DNA可以確定烈士遺骸身份的原因，解決了上課伊始的問題。

4 ?教學反思

普通高中生物人教版新教材中多個單元是基于科學史展開教學內容。科學史資料為學生理解科學本質和規律、建構概念和培養科學思維提供了良好的素材。《課程標準》強調：內容聚焦大概念，學生通過深度學習，深刻理解和應用重要的生物學概念。本節課上，教師引導學生基于DNA 結構研究的科學史資料，采用論證式的科學思維，嘗試通過假說-演繹、資料分析來提出觀點猜想，尋找證據對觀點猜想開展論證，再提供資料支持或推翻，不斷建立、修正，最終建構出 DNA結構模型，形成DNA結構的次位概念，培養了學生的建模思維、論證思維和批判性思維等科學思維。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2] 林建春.論證式教學在高中生物學科學史教學中的應用——以"細胞膜控制細胞與周圍環境的聯系"為例[J].中學生物教學，2021，（4）：4.

[3] 向義和.DNA 纖維的X射線衍射分析與雙螺旋結構的發現[J].大學物理，2005，24（1）：50-58.

[4] 黃仙保.利用生物科學史培養學生學科核心素養的研究[J].中學生物學，2019，35（10）：2.