支架式教學(xué)在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

王姍歡 向炯 崔鴻

摘要 以“DNA 復(fù)制”微專題教學(xué)為例，用情境支架激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，用建模支架引導(dǎo)演繹推理，用實驗支架尋找證據(jù)支撐，用材料支架生成重要概念，說明支架式教學(xué)融入高中生物學(xué)課堂中，有助于學(xué)生建構(gòu)知識體系，并能運用生物學(xué)知識解決生活實踐問題，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞? 支架式教學(xué)? DNA 復(fù)制情境

中圖分類號 G633.91????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

美國教育家布魯納以維果茨基的最近發(fā)展區(qū)理論為依托，提出了“搭建教學(xué)腳手架”，即在學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)內(nèi)搭建支架，幫助其達(dá)到潛在發(fā)展水平。[1]在教學(xué)中，教師需要像建筑工人一樣給予支持、搭建教學(xué)支架，引導(dǎo)學(xué)生循序漸進、拾階而上，最終達(dá)到目標(biāo)學(xué)習(xí)水平。在這個過程中，隨著學(xué)生學(xué)習(xí)能力的增強，教師搭建的“腳手架”逐漸被撤除，學(xué)生能自主地完成學(xué)習(xí)任務(wù)，實現(xiàn)“師控”向“自控”的轉(zhuǎn)移。

在具體的教學(xué)實施中，教師可采用的支架類型包含情境支架、范例支架、實驗支架與工具支架等。[2]筆者以高三生物學(xué)二輪復(fù)習(xí)“DNA 復(fù)制”微專題的教學(xué)實踐為例，說明支架式教學(xué)使學(xué)習(xí)發(fā)生在有意義的情境中，幫助學(xué)生逐步生成重要概念，發(fā)展其生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 以情境作支架，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

教師展示圖片：在新型冠狀病毒的變異株蔓延之際，武漢市的各個社區(qū)、醫(yī)院指定地點以及中小學(xué)校園內(nèi)人們排隊進行核酸檢測。以此創(chuàng)設(shè)情境，提出問題：核酸檢測的目的和原理分別是什么？為什么我們從咽拭子后直到第二天才知道核酸檢測結(jié)果呢？

學(xué)生很容易回答出核酸檢測的目的是檢測我們是否感染了新型冠狀病毒的變異株；原理則是感染了新冠病毒的人的細(xì)胞中核酸和標(biāo)準(zhǔn)樣品（新冠病毒的核酸）中的堿基互補配對。針對第二個問題，學(xué)生多數(shù)表示不清楚。面對學(xué)生的疑惑，教師適時補充核酸檢測流程的微視頻，學(xué)生才了解到整個核酸檢測經(jīng)歷了取樣→保存→送檢→核酸提取與檢測（熒光 RT- PCR）的流程。其中，由于新冠病毒的核酸是單鏈 RNA，很容易降解，需要先逆轉(zhuǎn)錄成 cDNA，然后通過檢測人員逐一將樣品分裝后在PCR 擴增儀進行擴增至幾十個循環(huán)，最后根據(jù)熒光強度判斷測試者是陰性還是陽性。

此時，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性被充分調(diào)動起來，教師適時提問：PCR 反應(yīng)需滿足哪些條件？它與細(xì)胞內(nèi) DNA 復(fù)制有什么異同點？

學(xué)生紛紛回答出PCR 實際上是細(xì)胞外的 DNA 擴增技術(shù)，與細(xì)胞內(nèi)DNA 復(fù)制相比，二者都需要模板（親代DNA 的兩條鏈）、原料（游離的脫氧核苷酸）、能量、酶（耐高溫的DNA 聚合酶）、引物等條件。不同的是，細(xì)胞內(nèi)DNA 復(fù)制是在溫和的條件下進行，不需要控制溫度，且需要解旋酶等。

設(shè)計意圖：教師利用學(xué)生熟悉的核酸檢測情境引入課題，很容易激發(fā)學(xué)生的探究興趣，讓學(xué)生在真實情境中思考，將生物學(xué)知識（DNA復(fù)制、PCR）與生活經(jīng)驗進行關(guān)聯(lián)，不僅將前后所學(xué)知識串聯(lián)起來，更讓學(xué)生意識到生物科學(xué)技術(shù)運用于生活實踐造福人類。

2 以建模作支架，引導(dǎo)演繹推理

教師指出核酸檢測的短視頻中提到PCR 擴增需要進行幾十個循環(huán)，引導(dǎo)學(xué)生畫出擴增兩個循環(huán)的流程，并說明繪制的依據(jù)。學(xué)生很快畫出正確的圖解，并說出依據(jù)是DNA 的復(fù)制方式為半保留復(fù)制。接著，教師引用科學(xué)史料“1953年，沃森和克里克在《自然》雜志上提出了 DNA 的復(fù)制方式為半保留復(fù)制的假說”，補充說明當(dāng)時也有科學(xué)家推測DNA 分子的復(fù)制可能還有全保留復(fù)制和分散復(fù)制等方式。

為了直觀地展示不同復(fù)制方式的演繹推理過程，教師布置任務(wù)1：用紅色磁片代表母鏈，藍(lán)色磁片代表子鏈，以小組為單位，按照全保留復(fù)制、半保留復(fù)制和分散復(fù)制三種復(fù)制方式，模擬出親代、子一代、子二代 DNA分子的組成。

學(xué)生活動：學(xué)生進行小組合作，得到不同的模型構(gòu)建結(jié)果，如圖1。

教師充分肯定了學(xué)生建構(gòu)的模型后，進一步說明假說之所以稱為假說，需要經(jīng)過實驗檢驗其正確與否，適時引導(dǎo)學(xué)生如何設(shè)計實驗。

設(shè)計意圖：為了直觀地展示上述演繹推理過程，教師布置模型建構(gòu)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生利用不同顏色不同長度的磁片模擬不同復(fù)制方式中親代、子一代、子二代DNA分子的組成，引導(dǎo)學(xué)生利用直觀的模型建構(gòu)將理性思維的過程外顯化，即以建模為支架，再現(xiàn)科學(xué)家的演繹推理過程。同時適時提示學(xué)生假說是需要檢驗的，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗加以驗證，即利用學(xué)生建立的支架為契機，進一步激發(fā)學(xué)生深入思考。

3 以實驗作支架，尋找證據(jù)支撐

教師指出各小組所構(gòu)建的模型中母鏈和子鏈?zhǔn)怯貌煌伾拇牌M的，而設(shè)計實驗時需考慮兩個核心問題：“如何區(qū)分母鏈和子鏈？”“如何分離親代 DNA和子代DNA？”學(xué)生因遺忘表示犯難，此時提示學(xué)生結(jié)合“T2噬菌體侵染細(xì)菌實驗”所涉及的實驗方法進行類比作答。

順著教師的引導(dǎo)，學(xué)生立即聯(lián)想到必修2教材提到 Meselson 和 Stahl 的“大腸桿菌 DNA 密度梯度離心實驗”，說明其用到了同位素標(biāo)記法，即利用15N 和14N 區(qū)分母鏈和子鏈，且利用密度梯度離心技術(shù)分離親代 DNA 和子代DNA。接著，根據(jù)所呈現(xiàn)親代、子一代、子二代DNA所處的密度帶，發(fā)現(xiàn)只有半保留復(fù)制的方式才能得到上述結(jié)果。最后，引導(dǎo)學(xué)生歸納“DNA半保留復(fù)制方式”的得出遵循了“假說-演繹法”的研究思路。

教師追問“能否用組成DNA的其它元素（C、H、O、P）進行同位素標(biāo)記，親子代DNA的檢測方法與Meselson和 Stahl的實驗方案完全一樣嗎？”進一步拓展實驗設(shè)計。

設(shè)計意圖：通過借助模型工具（紅色磁片和藍(lán)色磁片）拋出兩個核心問題，在學(xué)生犯難之際，提示學(xué)生結(jié)合前面所學(xué)實驗內(nèi)容思考如何進行實驗設(shè)計，又通過呈現(xiàn) Meselson 和Stahl 的大腸桿菌DNA 密度梯度離心實驗，讓學(xué)生明白假說的成立是需要實驗證據(jù)支撐的。在這個片段教學(xué)中，教師充分利用經(jīng)典實驗為支架，讓學(xué)生帶著問題去思考尋找科學(xué)家探索的脈絡(luò)，又通過追問促進實驗設(shè)計思維能力的提升。

4 以材料作支架，生成重要概念

教師提出問題“Meselson和Stahl 的實驗只能說明以大腸桿菌為代表的原核細(xì)胞中 DNA 復(fù)制方式為半保留復(fù)制，真核細(xì)胞又如何呢？”引發(fā)學(xué)生再度思考。

學(xué)生回答出真核細(xì)胞中DNA復(fù)制方式也是半保留復(fù)制。接著，呈現(xiàn)課前查到的科學(xué)史料“Taylor用蠶豆（2N=12）根尖細(xì)胞作為實驗材料，證明了真核細(xì)胞染色體DNA 的復(fù)制也符合半保留復(fù)制模型。他先用放射性同位素3H標(biāo)記細(xì)胞染色體DNA（標(biāo)記雙鏈），然后讓細(xì)胞在不含3H 的培養(yǎng)液中進行連續(xù)的有絲分裂，經(jīng)放射自顯影技術(shù)顯示實驗結(jié)果。”佐證了上述觀點。

肯定了學(xué)生的回答后，教師引導(dǎo)學(xué)生繪圖說明蠶豆細(xì)胞第一、二次有絲分裂的中期，染色體及 DNA 被標(biāo)記的情況。

為了簡化染色體和DNA模型，教師向每個小組提供兩張白紙和不同顏色（黑色和紅色）的記號筆，布置任務(wù)2：用矩形框代表染色（單）體，圓代表著絲粒，框內(nèi)兩條線代表一個DNA分子的兩條鏈，其中實線代表被3H 標(biāo)記的 DNA 單鏈，用虛線代表未被3H 標(biāo)記的 DNA 單鏈，以一對同源染色體（用相同大小的一黑一紅的矩形框進行模擬）為例，在白紙上分別繪制出第一、二次有絲分裂中期的染色體及 DNA 示意圖，并說明染色體及DNA標(biāo)記情況。

各小組明確任務(wù)后，繪制出第一、二次有絲分裂中期的染色體及 DNA 被標(biāo)記的情況如圖3所示。其中，第一次有絲分裂中期的染色體、染色單體、DNA均被標(biāo)記；而第二次有絲分裂中期的染色體均被標(biāo)記，但染色單體及DNA均只有一半被標(biāo)記。

教師肯定學(xué)生的回答后，布置課后任務(wù)：作為小區(qū)青年志愿者，面對一個剛?cè)ミ^中高風(fēng)險地區(qū)但不愿意進行核酸檢測的居民，你將從哪些方面向他（她）進行核酸檢測的宣傳？

設(shè)計意圖：教師追問學(xué)生真核細(xì)胞的DNA 復(fù)制方式如何，意在引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注實驗材料，理解“DNA 的半保留復(fù)制方式”結(jié)論的得出是建立在許多實驗的基礎(chǔ)上的。接著，充分利用學(xué)生課前查到的“Taylor蠶豆根尖細(xì)胞實驗”提出問題，引導(dǎo)學(xué)生建立 DNA 復(fù)制與細(xì)胞分裂之間的聯(lián)系。在學(xué)生茫然之時，幫助學(xué)生厘清染色體與DNA等之間的關(guān)系，并引導(dǎo)學(xué)生利用圖解的形式進行模型建構(gòu)，無形中突破難點，生成“細(xì)胞通過分裂實現(xiàn)增殖，依賴 DNA 復(fù)制”這一重要概念。最后回歸社會情境，意在引導(dǎo)學(xué)生從核酸檢測的原理出發(fā)，交流如何科學(xué)防疫，深化社會責(zé)任意識。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉愛愛.“支架式教學(xué)”在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中學(xué)生物教學(xué)，2021（30）：47-48.

[2]黃瑋.支架式教學(xué)在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用[J].課程教學(xué)研究，2013（10）：52-54.