基于教材融合的“DNA的結(jié)構(gòu)”教學(xué)設(shè)計

摘" 要：本文以教材中“DNA結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建”的科學(xué)史資料為主體，整合多版本教材的相關(guān)內(nèi)容對其進行適當(dāng)?shù)呢S富和拓展，并創(chuàng)設(shè)系列問題情境，旨在引導(dǎo)學(xué)生基于證據(jù)解決問題，并逐步構(gòu)建DNA的分子結(jié)構(gòu)模型。教學(xué)過程中，教師應(yīng)著重引導(dǎo)學(xué)生理解DNA分子結(jié)構(gòu)與功能之間的適應(yīng)性關(guān)系，同時培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維等科學(xué)思維能力，以期發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)史；DNA的結(jié)構(gòu)；教材融合；教學(xué)設(shè)計

文章編號：1003-7586（2024）12-0080-03" 中圖分類號：G633.91" 文獻標(biāo)識碼：B

基金項目：（1）重慶市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年立項課題“‘三新’視域下基于學(xué)生高階思維能力培養(yǎng)的高中生物學(xué)模型構(gòu)建實踐研究”（K23YG1070033）；（2）重慶市教育學(xué)會第十屆基礎(chǔ)教育科研2021年立項課題“生物學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)視域下的學(xué)生科學(xué)思維能力培養(yǎng)策略研究”（XH2021A065）。

教材作為教師開展教學(xué)活動不可或缺的基本素材，同時也是學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的核心材料。它不僅是學(xué)生的讀本與教師的教本，更是引導(dǎo)學(xué)生進行深入思考和探究的重要指南，并在一定程度上構(gòu)成了教師實施探究式教學(xué)的框架，具有顯著的教學(xué)論指導(dǎo)意義。［1］鑒于此，在新一輪課程改革深入推進及多版本教材并存的背景下，廣大教師應(yīng)積極轉(zhuǎn)變教學(xué)思路，實現(xiàn)從“教教材”向“用教材教”的根本性轉(zhuǎn)變。因此，在教學(xué)過程中，教師需對各版本教材進行系統(tǒng)的對比分析與合理融合，創(chuàng)造性地運用教材資源，以期有效促進學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。［2］

1" 教材分析與設(shè)計思路

“DNA的結(jié)構(gòu)”是“遺傳與進化”模塊的核心內(nèi)容之一，在《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）中，針對此部分內(nèi)容的教學(xué)建議包括“搜集并研討DNA分子結(jié)構(gòu)模型建立歷程的相關(guān)資料”以及“動手制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”。因此，深入理解DNA分子的結(jié)構(gòu)特征，對于學(xué)生從分子層面把握遺傳物質(zhì)的本質(zhì)及作用機理至關(guān)重要，故該內(nèi)容被視為本節(jié)教學(xué)的重點。鑒于DNA分子的微觀特性及其編碼遺傳信息的抽象性，學(xué)生對DNA分子結(jié)構(gòu)及其特點的理解同樣構(gòu)成了本節(jié)教學(xué)的難點。

通過學(xué)習(xí)生物學(xué)科學(xué)史，學(xué)生能夠回溯科學(xué)發(fā)展的軌跡，體悟科學(xué)探究精神，這不僅有助于掌握科學(xué)的研究方法，還能有效促進其科學(xué)思維的發(fā)展。在2019年版的高中生物學(xué)教材中，多個版本均使用了大量篇幅來展現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的發(fā)現(xiàn)過程，各版本教材的具體內(nèi)容對比如表1所示。

本節(jié)教學(xué)設(shè)計主要圍繞人教版普通高中教科書《生物學(xué)·必修2·遺傳與進化》中的科學(xué)史資料展開，同時整合并借鑒了多版本教材中的科學(xué)史內(nèi)容，對這些資料進行豐富與拓展。教師引導(dǎo)學(xué)生回溯科學(xué)家構(gòu)建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的歷史進程，嘗試歸納DNA分子的結(jié)構(gòu)特征，并以此為基礎(chǔ)，組織小組合作學(xué)習(xí)活動，動手構(gòu)建DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。此舉能夠有效突破教學(xué)中的重點與難點，提煉科學(xué)方法并滲透科學(xué)精神，以期提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2" 教學(xué)目標(biāo)

基于《課程標(biāo)準(zhǔn)》的內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求和學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并緊密圍繞培養(yǎng)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的核心理念，筆者制定了以下教學(xué)目標(biāo)。

（1）能夠總結(jié)并歸納DNA分子的結(jié)構(gòu)及其特點，從結(jié)構(gòu)與功能的角度出發(fā)，深化對DNA分子的認知。

（2）通過對科學(xué)史料進行分析，逐漸構(gòu)建、修正并完善DNA分子的結(jié)構(gòu)模型，發(fā)展模型與建模的科學(xué)思維能力和批判性思維。

（3）通過對實驗證據(jù)進行分析，明確DNA分子的結(jié)構(gòu)特點，并開展制作DNA分子模型的課外活動，培養(yǎng)科學(xué)探究能力及團隊合作精神。

（4）通過對DNA檢測等應(yīng)用進行討論，發(fā)展運用生物學(xué)知識和方法解決現(xiàn)實生活中問題的能力。

3" 教學(xué)過程

教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材相關(guān)內(nèi)容，自主搜集相關(guān)科學(xué)史資料。學(xué)生嘗試解決以下問題：①在沃森（J. D. Watson）和克里克（F. Crick）研究DNA分子的結(jié)構(gòu)前，科學(xué)界對DNA的認識如何？②沃森和克里克在構(gòu)建模型的過程中，需要進一步解決哪些問題？

3.1" 創(chuàng)設(shè)情境，設(shè)疑導(dǎo)入

教師播放“通過DNA檢測鎖定嫌疑人”新聞視頻并提問：①為什么僅通過DNA檢測就可以鎖定犯罪嫌疑人？②DNA是怎樣儲存遺傳信息的？

設(shè)計意圖：教師通過創(chuàng)設(shè)真實問題情境，激發(fā)學(xué)生探究DNA分子結(jié)構(gòu)的熱情和興趣，同時讓學(xué)生認識到生物學(xué)知識服務(wù)于生活，培養(yǎng)其科學(xué)探究能力。

3.2" 溫故知新，探究準(zhǔn)備

教師提出問題：①DNA分子的組成元素是什么？②DNA分子的基本單位由哪幾種物質(zhì)構(gòu)成？③脫氧核苷酸是如何組成DNA長鏈的？請畫出兩個脫氧核苷酸的連接方式示意圖。教師檢查資料的搜集情況，請學(xué)生代表回答課前提出的兩個問題。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過溫習(xí)舊知識，并為后面學(xué)習(xí)新知識做鋪墊；通過提出科學(xué)家需要進一步解決的問題，明確要探究的內(nèi)容。

3.3" 史料拓展，深入探究

教師展示以下4則科學(xué)史資料并提出問題。

資料1：化學(xué)家鮑林（L. Pauling）在研究蛋白質(zhì)的α-螺旋結(jié)構(gòu)時，運用了建立物理模型的方法，即先從理論上構(gòu)建多種可能的模型，隨后利用X射線衍射結(jié)果對這些模型進行驗證。1951年，鮑林成功建立了蛋白質(zhì)的α-螺旋模型，并計劃進一步構(gòu)建DNA分子的結(jié)構(gòu)模型。

問題1：假設(shè)你是沃森或克里克，你將如何借鑒鮑林的方法，來構(gòu)建DNA分子模型？

資料2：富蘭克林（R. Franklin）等科學(xué)家利用X射線研究揭示，DNA分子由眾多亞單位以規(guī)則的螺旋幾何形狀堆積而成，每3.4 nm重復(fù)一次。DNA分子被確認為一種長鏈多聚體，具有恒定的直徑。富蘭克林團隊通過測定發(fā)現(xiàn)，DNA分子的含水量與兩條鏈的模型相符，而非三條鏈。此外，將DNA分子翻轉(zhuǎn)180°后獲得的衍射圖譜與原圖譜完全一致，進一步證實了其結(jié)構(gòu)特征。［3］

問題2：鑒于沃森和克里克嘗試構(gòu)建的三螺旋模型均未成功，結(jié)合資料2的分析，你認為失敗的原因可能是什么？并據(jù)此推測DNA分子可能具有哪些空間結(jié)構(gòu)特征？

資料3：1952年2月，富蘭克林獲得了更為清晰的DNA分子衍射圖譜，該圖譜進一步證實了DNA分子由兩條鏈構(gòu)成。同時，科學(xué)家對脫氧核苷酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)進行了深入分析，發(fā)現(xiàn)磷酸基團表現(xiàn)出親水性，而堿基具有疏水性，且不同堿基之間能夠形成氫鍵。

問題3：借鑒細胞膜結(jié)構(gòu)模型的原理，推斷DNA鏈中的堿基是位于外側(cè)還是內(nèi)側(cè)。

資料4：富蘭克林提供的清晰衍射圖譜進一步驗證了磷酸基團與脫氧核糖位于DNA分子的外側(cè)，而堿基則位于內(nèi)側(cè)。此外，嘌呤分子的直徑小于嘧啶分子，因此由A-A（或G-G）構(gòu)成的堿基對比由T-T（或C-C）構(gòu)成的堿基對要小。數(shù)學(xué)家格里菲斯（F. Griffith）通過計算得出，相同堿基之間并不相互吸引，而是不同堿基之間才存在吸引力。［4］1950年，化學(xué)家查哥夫（E. Chargaff）的研究揭示了以下規(guī)律：腺嘌呤與胸腺嘧啶的數(shù)量之比，以及鳥嘌呤與胞嘧啶的數(shù)量之比，總是接近于1∶1。

問題4：沃森和克里克在嘗試構(gòu)建三螺旋模型失敗后并未氣餒，轉(zhuǎn)而致力于雙螺旋模型的構(gòu)建。然而，他們最初的努力并未取得成功。基于資料3和資料4的內(nèi)容，推測他們

失敗的原因，并為其提供相應(yīng)的建議。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)旨在還原科學(xué)探究的真實過程，讓學(xué)生深刻體會科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程中的艱辛與美麗。學(xué)生能夠通過史料分析，培養(yǎng)問題分析與解決能力以及科學(xué)思維能力，在探究過程中不斷成長。

3.4" 回眸歷程，思想領(lǐng)航

教師引導(dǎo)學(xué)生進行小組討論，并解決以下問題：①請對上述資料進行系統(tǒng)性梳理，闡述鮑林、富蘭克林、查哥夫等科學(xué)家在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)歷程中的關(guān)鍵性貢獻；②在上述資料中，涉及了哪些學(xué)科的知識與方法？這些跨學(xué)科的應(yīng)用對你理解生物科學(xué)的發(fā)展史有何啟示？③沃森與克里克之間的默契配合堪稱科學(xué)家合作研究的典范，這一合作模式給你帶來了哪些深刻的啟示？

設(shè)計意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生全面總結(jié)DNA結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)過程中的科學(xué)方法、科學(xué)思想及科學(xué)精神，并啟發(fā)其學(xué)會借鑒他人的研究成果與經(jīng)驗，理解交流與合作的重要性。

3.5" 小結(jié)提煉與首尾呼應(yīng)

教師再次呈現(xiàn)課前所提及的“待解決的問題”，并引導(dǎo)學(xué)生給出答案。隨后，教師展示DNA分子的平面圖與立體圖，并著重強調(diào)DNA分子結(jié)構(gòu)的核心內(nèi)容。接著，教師引導(dǎo)學(xué)生再次審視DNA分子平面圖，回答以下問題：①DNA分子的基本骨架——脫氧核糖與磷酸的交替連接，在整條鏈中是否保持恒定不變？②位于骨架內(nèi)側(cè)的堿基之間通過互補配對相連，其排列順序是否固定不變？③請推測DNA是如何存儲遺傳信息的？隨后，教師補充相關(guān)資料以進一步說明DNA分子的結(jié)構(gòu)特點，并引導(dǎo)學(xué)生回答課前引入的問題“為何僅憑DNA檢測即可確定犯罪嫌疑人的身份？”同時簡要介紹DNA檢測技術(shù)。

設(shè)計意圖：教師通過總結(jié)DNA分子結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)容，并借助圖片進行展示，以此突破教學(xué)重點。同時，教師通過補充資料深化學(xué)生對DNA結(jié)構(gòu)的認識，從而突破教學(xué)難點。此外，教師解決課前提出的問題，實現(xiàn)首尾呼應(yīng)，使課堂更加完整與連貫。

3.6" 小組展示，深化理解

在課程準(zhǔn)備階段，教師安排小組合作制作DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的課外實踐活動，并明確以下要求：①小組成員需自主選定適宜的材料來構(gòu)建DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型；②制作完成后，需以文字形式對模型進行必要的闡釋與說明。教師在此過程中應(yīng)給予適時的評價，并逐步引導(dǎo)學(xué)生深入理解DNA分子的結(jié)構(gòu)特點。

設(shè)計意圖：教師通過制作與評價DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的過程，旨在讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的美學(xué)魅力，這不僅有助于學(xué)生深化對DNA分子結(jié)構(gòu)的認知，還促進了學(xué)生批判性思維與質(zhì)疑精神的培養(yǎng)。此外，學(xué)生自主選擇材料并合作完成模型制作，這一過程對于培養(yǎng)學(xué)生的合作精神、創(chuàng)新意識以及實踐能力均具有重要意義。

4" 教學(xué)反思

在本教學(xué)研究中，筆者融合了多版本教材中關(guān)于DNA分子模型構(gòu)建的科學(xué)史內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)了貼近真實科研的情境，并通過設(shè)計一系列問題串，引導(dǎo)學(xué)生深入分析科學(xué)實驗證據(jù)。此舉旨在幫助學(xué)生逐步構(gòu)建并優(yōu)化DNA分子的結(jié)構(gòu)模型，從而培養(yǎng)其科學(xué)思維能力。課程以引發(fā)學(xué)生興趣的生活素材作為導(dǎo)入，并以DNA檢測技術(shù)的應(yīng)用作為結(jié)尾，形成了良好的首尾呼應(yīng)，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并鍛煉了他們運用生物學(xué)知識解決實際問題的能力。

此外，筆者還安排課外小組合作制作生物模型的活動，并在課堂上對模型進行評價。這一環(huán)節(jié)不僅進一步提升了學(xué)生的合作探究能力，還能夠培養(yǎng)其批判性思維和質(zhì)疑精神。同時，這樣的安排也為課堂中的科學(xué)史情境創(chuàng)設(shè)和問題解決預(yù)留了充足的時間。

在教學(xué)過程中，教師以沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)為主線，同時補充了其他相關(guān)科學(xué)證據(jù)進行串聯(lián)，以還原科學(xué)發(fā)現(xiàn)的全過程。在此過程中，教師應(yīng)特別注意區(qū)分主次內(nèi)容，并著重強調(diào)生物學(xué)家沃森與物理學(xué)家克里克之間的合作精神。綜上所述，本研究通過一系列精心設(shè)計的教學(xué)活動，旨在全面提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)和綜合探究能力。

參考文獻

［1］趙占良.中學(xué)生物學(xué)教材編制的基本理論問題芻議［J］.課程·教材·教法，2011，31（1）：55-63．

［2］吳先亮，譚萬梅.融合兩版本高中生物學(xué)新教材的教學(xué)探討—以“細胞膜的結(jié)構(gòu)和功能”為例［J］.中學(xué)生物教學(xué)，2020（22）：33-35．

［3］ 吳明.DNA是如何發(fā)現(xiàn)的？——一幅生命本質(zhì)的探索線路圖［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2019：131-142．

［4］袁維新.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立過程［J］.生物學(xué)通報，1993（10）：42-43．