基于生物科學史構建論證式課堂

【摘要】本文以高中生物學必修2遺傳與進化第3章第3節(jié)“DNA的復制”教學設計為例，論述基于生物科學史構建論證式高中生物學課堂的途徑：在課程標準的指導下制訂教學目標，收集和整理科學史，確定教學內(nèi)容和容量，確定論證主題，設計論證模型框架，確定教學評價方案，旨在讓學生經(jīng)歷科學家發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、收集證據(jù)、提出觀點、再進行支持或辯駁論證觀點等一系列科學探究過程，加深對知識的理解，提高思維能力。

【關鍵詞】生物科學史 論證式教學 高中生物學 DNA的復制

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）26-0132-05

《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》）指出，高中生物學課程既要讓學生獲得基礎的生物學科學知識，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(yǎng)成科學思維的習慣，形成積極的科學態(tài)度，發(fā)展終身學習及創(chuàng)新實踐能力；提出高度關注生物學學科核心素養(yǎng)的達成，指出生物學學科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任；建議教材編寫重視科學探究活動的設計，建議注重生物科學史和科學本質的學習。

生物科學史不僅是記錄生物學發(fā)展和研究過程的科學史實，而且還蘊含著推動學科發(fā)展的重要科學思想、科學思維、科學方法和科學精神，是生物學課程學習的優(yōu)質教學素材和重要教學資源。在以往的課堂教學中，教師往往平鋪直敘生物科學史，只注重傳授知識，忽略在研究過程中滲透科學思想和科學方法，導致學生缺乏真實的科學探究體驗，對科學本質的學習只停留在淺層思維水平，沒能充分發(fā)揮科學史的科學教育價值。論證式教學是將科學研究的論證過程引入課堂的一種教學策略。在論證式課堂中，學生能夠經(jīng)歷科學家發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、收集資料證據(jù)、提出觀點、再進行支持或辯駁論證觀點，從而進一步完善觀點的論證過程，加深對知識的理解，提升思維能力。

人教版高中生物學教材必修2遺傳與進化第3章第3節(jié)“DNA的復制”，包含了豐富的科學史，本文以“DNA的復制”教學為例，聚焦學生的學習過程，以學生需要達到預定的學習目標為主線，把科學史作為學習內(nèi)容并以資料信息的方式呈現(xiàn)，通過論證式教學方式，促使學生像科學家一樣思考，培養(yǎng)學生的科學思維習慣。

一、教學分析

（一）教材分析

“DNA的復制”這一節(jié)包括“對DNA復制的推測”“DNA半保留復制的實驗證據(jù)”“DNA復制的過程”等三部分，這三部分內(nèi)容的編排順序遵循科學史，體現(xiàn)了人類對DNA復制過程的認識歷程，即基于DNA結構推測DNA復制的機制，然后通過實驗證明DNA半保留復制機制的正確性，最后介紹DNA復制的具體過程。《課程標準》針對“模塊2 遺傳與進化”提出的“內(nèi)容要求”包括“概述DNA分子通過半保留方式進行復制”，因此，讓學生理解“DNA的復制是一種半保留復制”是本節(jié)教學的重難點。

（二）教學目標

通過分析科學史，認同DNA的復制方式為半保留復制，理解DNA復制的過程；能初步運用結構與功能觀，說明DNA準確復制是遺傳信息連續(xù)性的基礎，發(fā)展生命觀念素養(yǎng)；運用資料，培養(yǎng)分析問題、解決問題的綜合能力，掌握假說—演繹法的應用，發(fā)展科學探究素養(yǎng)；通過分析科學家的探索歷程，能認識到在提出主張的過程中，需要一定的證據(jù)作為支撐，且在研究中不斷尋求新的證據(jù)以完善自己的主張，發(fā)展科學思維。

（三）教學重難點

通過本節(jié)內(nèi)容的學習，結合資料分析，構建“DNA的復制”論證模型。

二、教學設計思路

“DNA的復制”的相關知識屬于分子水平知識，比較抽象，在教學設計中，從知識的發(fā)生過程入手，引導學生自己去探索、觀察、思考、分析、歸納、總結，為學生鋪設符合其認知規(guī)律的思維軌道，從而發(fā)展學生的思維能力。教學設計思路框架如圖1所示。

針對學生認知水平和思維特點，結合本節(jié)課教學對學科素養(yǎng)的培養(yǎng)要求，本節(jié)內(nèi)容在論證式課堂構建方面，以論證的三大要素，即證據(jù)、推理和觀點為主線，通過教師合理拓展和補充科學史作為證據(jù)呈現(xiàn)，引導學生層層深入，逐步理解關于“DNA的復制”過程的關鍵問題：是哪種復制方式？有何特點？過程如何？需要什么條件？其中主要的論證過程集中于“DNA復制的方式”和“DNA復制的特點”，論證過程如圖2所示。以科學史分析為切入點，學生在論證過程中獲取、分析證據(jù)，形成觀點，補充并完善觀點，促進學生準確理解“DNA的復制”概念的本質，達到教學目標。

三、教學過程

（一）創(chuàng)設情境，提出問題

新型冠狀病毒感染疫情期間，同學們需要進行核酸檢測。核酸檢測中有一個重要的環(huán)節(jié)，即將采集的樣本經(jīng)逆轉錄之后，進行PCR擴增，然后確定檢測結果。PCR擴增即體外DNA復制技術。那么，DNA的復制方式是什么？

【設計意圖】以學生的真實體驗導入，提高學生對本節(jié)課的學習興趣。

（二）科學史引領，論證主張

資料1：沃森和克里克在闡述DNA雙螺旋結構的那篇著名短文的結尾處寫道：“值得注意的是，我們提出的這種堿基特異性配對方式，暗示著遺傳物質進行復制的一種可能的機制。”

提問：DNA雙螺旋的結構適合進行哪種復制方式？人們對DNA復制方式還有哪些推測？

【設計意圖】通過拋出問題的方式，利用上一節(jié)課學生學習有關DNA結構的相關知識，鼓勵學生針對科學研究進行大膽想象。

教師展示當時存在的三種可能的假設：半保留復制、全保留復制和彌散復制。學生根據(jù)自己的理解進行繪圖（如圖3所示）。

<P：＼廣西教育＼2023-9B＼圖片＼9b-39.eps>

圖3 學生理解的DNA三種可能的復制方式

緊接著教師向學生明確，得出結論必須以確鑿的證據(jù)為基礎，生物學是一門建立在實驗基礎上的自然科學，生物學家需要在大量的實驗中獲取證據(jù)。教師展示梅塞爾森和斯塔爾經(jīng)典實驗中采用的兩種實驗方法和技術。

資料2：同位素標記法是生物學科中一種常用的技術，利用15N可以標記DNA分子中的含氮堿基；只含14N的DNA、只含15N的DNA以及既含14N又含15N的DNA的密度不同。

資料3：6 mol/L的CsCl（氯化銫）溶液密度大約是1.7 g/mL，將6 mol/L的CsCl溶液進行離心會形成1.65～1.75 g/mL的密度梯度，只含14N的DNA、只含15N的DNA以及既含14N又含15N的DNA在6 mol/L的CsCl溶液中離心后會進入到與自身密度相近溶液的區(qū)域，從而分散開來。這種科學方法稱為密度梯度離心法。

接著，教師用圖片展示梅塞爾森和斯塔爾的實驗操作過程（如圖4所示），引導學生分析梅塞爾森和斯塔爾的實驗操作過程及兩種技術方法的應用。

<P：＼廣西教育＼2023-9B＼圖片＼9b-40.eps>

圖4 梅塞爾森和斯塔爾證明DNA復制方式的實驗操作過程

學生分組討論，明確小組合作學習任務：利用假說—演繹法，根據(jù)以上三種可能的復制方式對梅塞爾森和斯塔爾的實驗結果進行預期，并在學案上將離心之后看到的條帶結果繪制到試管的相應位置（如圖5所示）。

圖5 離心后的實驗結果（預期）（學生繪制）

學生繪制完畢后，教師展示梅塞爾森和斯塔爾實際得到的實驗結果（如圖6所示）。學生對照、思考。

<P：＼廣西教育＼2023-9B＼圖片＼9b-42.eps>

圖6 梅塞爾森和斯塔爾得到的實驗結果

教師引導學生思考討論。

1.第一代只出現(xiàn)一條居中的DNA條帶，這個結果排除了哪種復制方式？

2.僅比較F1DNA的密度梯度離心結果，能否確定DNA是半保留復制？為什么？

3.綜合分析：梅塞爾森和斯塔爾的實驗結果支持了哪一主張？

資料4：加熱升溫可使DNA雙鏈解旋并分開，如果再緩慢冷卻，兩條互補鏈會重新結合為雙鏈。

教師引導學生進一步思考、討論。

4.如果對F1DNA分子進行熱處理之后，再進行密度梯度離心，能否通過實驗結果確定DNA為半保留復制？請闡述你的依據(jù)。

【設計意圖】設計的重點是突出假說、演繹、信息獲取、收集并分析證據(jù)、知識遷移與應用等思維活動，使學生站在科學家的角度，通過分析實驗現(xiàn)象與實驗結論之間的關系，增強證據(jù)意識；通過推理分析，激發(fā)學生的深層次思考，讓學習真實地發(fā)生，使學生真正成為學習活動的主動參與者。

（三）補充科學史，進一步完善觀點

資料5：科學家泰勒用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(yǎng)液中完成一個細胞周期；取其有絲分裂中期染色體，放射自顯影顯示每個染色體的2條單體都被標記；然后取第二個細胞周期的中期染色體，放射自顯影顯示每個染色體僅1條單體被標記。

教師引導學生思考：該實驗結果能否證明DNA是半保留復制？請闡述理由。要求學生從已有的細胞增殖方面的知識儲備入手進行分析，包括間期細胞的物質準備、有絲分裂過程中染色體、染色單體、DNA等相關知識，結合材料信息進行分析即可得出結論。

資料5：20世紀60年代初，科學家維諾格勒用放射性DNA前體標記正在復制過程中的DNA分子，得出環(huán)狀DNA復制時的示意圖（如圖7所示）。

<P：＼廣西教育＼2023-9B＼圖片＼9b-43.tif>

圖7 環(huán)狀DNA復制時的自顯影示意圖

學生分析圖片，從圖中獲取關鍵信息，即母鏈還未完全解旋，子鏈已經(jīng)開始合成，從而得出DNA復制為半保留復制，且具有邊解旋邊復制的特點。

【設計意圖】設計的重點是讓學生明確證據(jù)的多重性與結論之間的關系。從實驗材料角度分析，教材呈現(xiàn)梅塞爾森和斯塔爾開展的實驗，選用的材料大腸桿菌為原核生物，而補充了泰勒用3H標記蠶豆根尖細胞的實驗，從真核細胞的角度闡明DNA的復制也是一種半保留復制方式，加強學生的證據(jù)意識。通過訓練學生讀圖能力，發(fā)展學生的觀察能力、推理能力，從而培養(yǎng)學生良好的思維習慣。

資料6：1956年，美國生物化學家科恩伯格構建了DNA體外合成體系（如圖8所示）。

<P：＼廣西教育＼2023-9B＼圖片＼9b-44.tif>

圖8 DNA體外合成系統(tǒng)示意圖

教師引導學生思考。

1.事先放入四種脫氧核苷酸起到什么作用？

2.加入DNA聚合酶起到什么作用？

3.加入ATP起到什么作用？

4.為什么要加入少量的DNA分子？

最后學生觀看細胞內(nèi)DNA復制過程的動態(tài)視頻，通過填寫表格梳理DNA復制過程的知識。

【設計意圖】本環(huán)節(jié)依舊是從科學史出發(fā)，通過分析體外DNA人工合成系統(tǒng)，引導學生分析DNA復制所需的條件，為學習細胞內(nèi)DNA復制的過程打下基礎，從而更好地理解DNA的半保留復制過程及意義。

四、教學設計反思

從以上案例分析可知，基于科學史的論證式課堂教學，充分還原了科學研究的真實過程，結合了科學史和科學論證的共有特征，增強了學生的學習體驗，對幫助學生更好地構建科學概念、理解科學本質有重要意義。人教版生物學教材必修2遺傳與進化模塊編寫思路是以人類對基因、遺傳物質的認識為主線展開，其中蘊含大量的科學史料，是開展論證式教學的豐富素材，如“基因在染色體上”一節(jié)，給出了摩爾根的果蠅眼色遺傳實驗的科學史；“DNA是主要的遺傳物質”一節(jié)，給出了肺炎鏈球菌轉化、噬菌體侵染細菌兩個經(jīng)典實驗的科學史；“DNA的結構”一節(jié)，給出的是威爾金斯、富蘭克林、查哥夫、沃森、克里克等科學家的研究過程系列科學史；學習“基因指導蛋白質合成”一節(jié)，研究遺傳信息是如何由細胞核傳遞給核糖體進行蛋白質合成，也可以以梳理科學史的方式呈現(xiàn)史料，引導學生開展論證活動。這樣的例子在生物學教材中并不局限于必修2模塊，必修1甚至選擇性必修模塊中也有適合運用這種教學模式的內(nèi)容，在此不再贅述。那么，如何設計基于科學史的論證式教學，筆者結合教學實踐提出以下建議。

（一）以《課程標準》為指導，制訂教學目標

《課程標準》是教師備課和實施教學的重要參考依據(jù)，也是教學質量評價的重要標準之一。《課程標準》明確提出了生物科學史在高中生物學教學中的重要作用，提倡教師在生物學課堂中充分利用科學史開展教學，同時對發(fā)展學生的論證能力和科學思維提出了相應的要求：要求學生通過生物學科的學習，了解科學的本質和知識的形成過程，同時增強收集信息、尋找證據(jù)的能力。因此，在進行基于科學史的論證式教學設計之前，教師要精心研讀《課程標準》，了解生物學課程的性質與基本理念、學科核心素養(yǎng)與課程目標，明確生物科學史在課堂教學中充當?shù)慕巧莻戎乜茖W史中具體的知識內(nèi)容、方法和技能，還是關注科學史在幫助學生構建知識概念、理解科學本質的作用，或是利用科學史重在啟發(fā)學生思維、培養(yǎng)探究精神等，明確了科學史的作用定位，再根據(jù)學生的實際情況和教學內(nèi)容，制訂符合發(fā)展學生學科核心素養(yǎng)的教學目標，從而為后續(xù)教學活動的設計和開展提供明確的方向，真正做到以學定教，實現(xiàn)教學相長。

（二）收集和整理科學史，確定教學內(nèi)容和容量

與原人教版教材相比，2019版人教版高中生物學教材新增和完善了許多科學史的內(nèi)容，目的是讓學生在學習過程中親歷科學家的探索過程，在科學史學習過程中發(fā)展學科核心素養(yǎng)。因此，在基于生物科學史的論證式課堂教學中，教師是論證活動的引導者、科學史資料的提供者和補充者，教師在教學設計過程中，首先要關注、熟悉教材中相關科學史內(nèi)容，明確科學發(fā)展的時間線，熟悉科學史故事的人物背景、事件發(fā)生的過程和結果，甚至是后續(xù)的研究等，并結合學生的認知水平進行適當?shù)募庸ず脱a充，進而確定本節(jié)教學內(nèi)容的容量和教學主線。值得注意的是，并不是所有科學史的內(nèi)容都要引入課堂教學中，教師要根據(jù)教學目標進行取舍，挑選有教學意義的、有助于論證活動開展的且符合學生認知水平的科學史內(nèi)容，用來作為完善論證式教學的證據(jù)和資料。

（三）確定論證主題，設計論證模型框架

論證活動的目的是發(fā)展和培養(yǎng)學生的論證能力。在基于生物科學史的論證式課堂教學中，教師在備課環(huán)節(jié)，需要針對課前整理好的科學史料確定論證主題，如上述案例的論證主題就是圍繞“DNA的復制”的方式和特點來進行，所有的論證活動均圍繞這個主題來構建論證框架，并在框架指導下開展教學活動。教師在確立論證框架后，就可以根據(jù)論證框架的思路來確定本節(jié)課的論證活動，設計具體的論證互動環(huán)節(jié)，并選擇恰當?shù)慕虒W形式和教學方法來實施教學。

（四）確定教學評價方案，進一步優(yōu)化教學設計

《課程標準》提倡“教—學—評”一體化，其中教學評價是反饋課堂教學質量和教學效果的主要手段，也是教師改進教學、優(yōu)化教學設計的重要依據(jù)。以本案例為例，本節(jié)內(nèi)容的學習是要求通過假說—演繹法推理DNA的半保留復制方式，以確定觀點，建構圍繞“DNA的復制是一種半保留復制方式，具有邊解旋邊復制的特點”的完整概念體系，因此，本節(jié)課的科學史的作用重在啟發(fā)學生的科學思維，引導學生沿著科學家的探究思路學習解決問題、分析問題進而得出結論的研究方法，并在此過程中強調(diào)證據(jù)的獲取與收集需要一定的技術支撐，從而認同科學技術的發(fā)展對學科發(fā)展的影響。那么，評價指標的確定重在學生的推理過程以及能否規(guī)范表達結果并與他人進行有效溝通與交流，從而形成完善的主張。教師可以根據(jù)學生的學習是否達到預期來對教學活動進行適當?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化，以更好地實現(xiàn)教學目標。

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）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］何嘉媛，劉恩山.論證式教學策略的發(fā)展及其在理科教學中的作用［J］.生物學通報，2012（5）.

［3］方艷.基于高中生物核心素養(yǎng)的論證式教學探索［J］.教師教育，2020（7）.

注：本文系桂林市教育科學“十四五”規(guī)劃2022年度教育評價改革專項課題“‘雙新’背景下高中生物學科持續(xù)性評價與作業(yè)設計實踐研究”（2022Z-101）的研究成果。

作者簡介：顏月莉（1973— ），廣西桂林人，碩士，高級教師，主要研究方向為高中生物教育教學實踐。

（責編 林 劍）