例談基于物質(zhì)觀、結(jié)構(gòu)與功能觀的大單元教學(xué)策略

摘要：本文以“基因的本質(zhì)”為例，對在“物質(zhì)—結(jié)構(gòu)—功能”的敘事情境中，培養(yǎng)學(xué)生的物質(zhì)觀、結(jié)構(gòu)與功能觀等生命觀念，并以此形成運(yùn)用生命觀念分析問題和解決問題等關(guān)鍵能力的教學(xué)展開了研究。

關(guān)鍵詞： 大單元教學(xué)" 物質(zhì)觀" 結(jié)構(gòu)與功能觀" 基因本質(zhì)

生物教材每一單元內(nèi)容的編寫都是基于生物學(xué)課程性質(zhì)，聚焦大概念，以培養(yǎng)學(xué)生一系列的學(xué)科核心素養(yǎng)為目的。基于學(xué)習(xí)遺傳的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)和基本規(guī)律等內(nèi)容的深度學(xué)習(xí)，學(xué)生自然生成“基因的本質(zhì)是什么”等問題，包括遺傳物質(zhì)是什么，具有什么樣的結(jié)構(gòu)，如何儲存遺傳信息及傳遞遺傳信息等問題。“基因的本質(zhì)”是新人教版必修2《遺傳與進(jìn)化》的第3章內(nèi)容，其通過“基因是什么→基因的結(jié)構(gòu)是怎樣的→基因如何復(fù)制→從物質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能總結(jié)基因本質(zhì)是什么”這一知識講解程序，幫助學(xué)生形成物質(zhì)觀、結(jié)構(gòu)與功能觀，并依據(jù)“問題→事實→概念→觀念”的建構(gòu)思路，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并初步解答，形成次位概念、重要概念到大概念，內(nèi)化生命觀念。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（下簡稱新《課標(biāo)》）中指出，大多數(shù)生物的遺傳信息編碼在DNA上，有些RNA病毒的遺傳信息編碼在RNA上（物質(zhì)）；DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)適合儲存、傳遞和編碼遺傳信息（結(jié)構(gòu)）；通過穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)和堿基互補(bǔ)配對原則，完成了遺傳信息的儲存、傳遞和編碼，控制著生物的性狀（功能），其正是“基于結(jié)構(gòu)闡釋其功能，基于功能理解、推測其結(jié)構(gòu)，是詮釋結(jié)構(gòu)與功能觀的基本思路”。因此，構(gòu)建一個相對完整的概念體系——基因的本質(zhì)，要在大單元整體教學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

一、“基因的本質(zhì)”的課時教學(xué)目標(biāo)和單元教學(xué)目標(biāo)

要想實現(xiàn)本單元的教學(xué)目標(biāo)，必須明確大概念、主要概念和次位概念的關(guān)系。本單元的教學(xué)目標(biāo)是基于“遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳”的大概念，闡述主要概念——親代傳遞給子代的遺傳信息主要編碼在DNA分子上，旨在以“DNA是主要的遺傳物質(zhì)→DNA分子的結(jié)構(gòu)→DNA分子的功能→遺傳信息和遺傳效應(yīng)”為敘述情境，注重課堂生成的同時，使學(xué)生形成物質(zhì)觀、結(jié)構(gòu)與功能觀等生命觀念，通過科學(xué)史中的實驗介紹和模型建構(gòu)等，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究和科學(xué)思維，并結(jié)合我國一些城市在交通路口啟用了人臉識別技術(shù)等科技手段的問題情境，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任。

分解后的課時教學(xué)目標(biāo)：1.通過對遺傳物質(zhì)的早期推測、肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實驗和噬菌體侵染細(xì)菌的實驗等創(chuàng)設(shè)科學(xué)史情境，概述“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”的科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程，了解科學(xué)實驗中關(guān)于實驗變量的控制方法，探究遺傳物質(zhì)的本質(zhì)。2.通過沃森和克里克等科學(xué)家探究并構(gòu)建雙螺旋的過程創(chuàng)設(shè)科學(xué)探究情境，闡述DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建構(gòu)過程及特點。3.通過收集材料，嘗試制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，培養(yǎng)互助合作的科學(xué)精神。4.通過DNA復(fù)制的推測、半保留復(fù)制的實驗證據(jù)等科學(xué)史創(chuàng)設(shè)科學(xué)探究情境，闡明堿基互補(bǔ)配對原則，并概述DNA分子復(fù)制的時間、場所、過程、條件、特點和意義。5.通過建構(gòu)概念模型等，舉例說明基因是有遺傳效應(yīng)的DNA片段，并概述DNA分子的多樣性和特異性，闡明脫氧核苷酸序列與遺傳信息的關(guān)系。整個教學(xué)分為5個課時，以完成本單元的教學(xué)目標(biāo)。

二、單元整體教學(xué)設(shè)計思路

按照大單元教學(xué)目標(biāo)→（分解為）課時教學(xué)目標(biāo)→情境創(chuàng)設(shè)（包括教學(xué)活動）→課時教學(xué)評價→單元教學(xué)評價這一條主線，實現(xiàn)單元教學(xué)目標(biāo)（見下表）。

三、單元教學(xué)的主要過程

（一）認(rèn)識DNA是主要的遺傳物質(zhì)

情境：對遺傳物質(zhì)的早期推測。20世紀(jì)中葉，人們對遺傳物質(zhì)的普遍認(rèn)識是怎樣的？在蛋白質(zhì)和DNA中，當(dāng)時人們認(rèn)為哪一種是遺傳物質(zhì)？人們做出判斷的依據(jù)是什么？

活動1：討論格里菲思和艾弗里的肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實驗，進(jìn)行對照分析，得出加熱殺死的S型細(xì)菌中存在著“轉(zhuǎn)化因子”的結(jié)論。并通過分組討論，理解在對照實驗中“減法原理”在具體實驗中的作用，得出“DNA才是使R型細(xì)菌產(chǎn)生穩(wěn)定遺傳變化的物質(zhì)”的結(jié)論。

活動2：理解同位素標(biāo)記法在本實驗中的應(yīng)用，并明確區(qū)分蛋白質(zhì)與DNA需要標(biāo)記的特征元素分別是S、P。比較艾弗里的實驗和噬菌體侵染細(xì)菌實驗的設(shè)計思路，發(fā)現(xiàn)二者的共同點都是想方設(shè)法把蛋白質(zhì)與DNA分開，然后單獨直接地進(jìn)行研究。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生討論格里菲思和艾弗里的實驗思路及過程，體會科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒炈悸贰Ｍㄟ^問題串，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究等核心素養(yǎng)。使學(xué)生體會科學(xué)探究中實驗設(shè)計思路的差異性，但實驗設(shè)計所遵循的基本原則是一致的，以此認(rèn)識到DNA是主要的遺傳物質(zhì)。

（二）探究DNA分子結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)識生命體的物質(zhì)到結(jié)構(gòu)

情境：DNA為什么能夠作為遺傳物質(zhì)？通過物質(zhì)觀過渡到結(jié)構(gòu)觀。分層次展示DNA結(jié)構(gòu)形成過程，DNA基本單位構(gòu)建→DNA的一級結(jié)構(gòu)，即脫氧核苷酸鏈→沃森和克里克DNA雙螺旋模型的構(gòu)建。

活動1：學(xué)生完成“分類游戲”游戲，分析DNA、RNA組成的異同，進(jìn)行兩個基本組分的正確連接。

活動2：通過軟件實現(xiàn)師生互動，構(gòu)建出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，完成連接并通過人機(jī)交互拍照上傳；分析得出DNA兩條鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械模㈥U述其理由。

設(shè)計意圖：從宏觀到微觀，從整體到局部，層層探究、推理，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，體會交叉學(xué)科在科學(xué)發(fā)展中的作用。全面認(rèn)識DNA的結(jié)構(gòu)，建立結(jié)構(gòu)與功能觀，使認(rèn)識得以深化和升華；通過對DNA和蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的探討，DNA與RNA穩(wěn)定性的比較，使學(xué)生更深刻地理解遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性，培養(yǎng)思維的連貫性與邏輯性。以科學(xué)史為主線進(jìn)行教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建模型科學(xué)思維，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實的求知態(tài)度和探索求真的科學(xué)精神。

（三）探究與實踐——制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)一步探究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)

情境：構(gòu)建模型，更清晰地認(rèn)識DNA結(jié)構(gòu)的本質(zhì)，更直觀地理解DNA結(jié)構(gòu)與功能。

活動：回顧DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要特點，并請學(xué)生分組合作從生活中尋找材料，先設(shè)計然后小組合作來搭建DNA雙螺旋模型。結(jié)合以下問題：分別用哪幾種材料代表DNA的磷酸、脫氧核糖和堿基？為什么選擇這樣的材料？這三種物質(zhì)是在什么部位相互連接的？怎樣將這幾種材料正確連接起來？DNA中每個脫氧核苷酸之間是在什么部位相互連接的？怎樣將脫氧核苷酸正確地連接起來？在模型中如何體現(xiàn)DNA兩條鏈的反向平行？又怎樣體現(xiàn)兩條鏈的堿基之間互補(bǔ)配對？制作模型時出現(xiàn)了哪些問題，如何解決的？本組模型制作有沒有創(chuàng)新之處？展示小組制作的模型的平面結(jié)構(gòu)與立體結(jié)構(gòu)，介紹交流。

設(shè)計意圖：創(chuàng)設(shè)問題情境，通過問題驅(qū)動學(xué)生思考，讓學(xué)生主動參與課堂，構(gòu)建新知。引導(dǎo)學(xué)生積極參與到教學(xué)中，在做中學(xué)，加深學(xué)生對知識的理解，加強(qiáng)前后知識之間的聯(lián)系，提高學(xué)生發(fā)散思維能力。將本節(jié)課的內(nèi)容延伸到課后，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)知識的連貫性，讓學(xué)生進(jìn)一步探究物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

（四）闡明DNA的半保留復(fù)制過程，初步探究DNA分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

情境：教師提供材料，讓學(xué)生嘗試建構(gòu)DNA復(fù)制過程的模型，體驗互助合作的科學(xué)精神，總結(jié)DNA復(fù)制的過程和特點。

活動1：用不同顏色的馬克筆畫出一個DNA按兩種復(fù)制方式得到的子代DNA情況，并上臺演示說明。嘗試用假說演繹法探究DNA的復(fù)制方式——學(xué)生分組合作探究，分析兩種復(fù)制方式的區(qū)別，設(shè)計實驗；進(jìn)行演繹推理，展開討論。小組內(nèi)交流討論，根據(jù)不同假說，演繹推理并展示結(jié)果。

活動2： 建構(gòu)DNA復(fù)制模型。小組合作建構(gòu)DNA復(fù)制模型，討論交 流如下問題：DNA復(fù)制的步驟有哪些？需要哪些條件？DNA復(fù)制有什么特點？如何保證復(fù)制的準(zhǔn)確性？這對生物的遺傳有什么意義？

設(shè)計意圖：讓學(xué)生深入理解DNA復(fù)制的意義，并結(jié)合之前已學(xué)過的“假說—演繹法”的科學(xué)方法進(jìn)行實踐，著重培養(yǎng)學(xué)生歸納概括能力和演繹推理能力，讓學(xué)生的認(rèn)知從生命的物質(zhì)觀上升到結(jié)構(gòu)與功能觀。

（五）舉例說明DNA的多樣性和特異性，體會生命的物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的特點

情境：探究基因與DNA在數(shù)量上有何關(guān)系，基因的遺傳效應(yīng)是什么，進(jìn)而得出基因的本質(zhì)，推演出遺傳信息多樣性的原因及規(guī)律。

活動1：通過閱讀幾則資料，小組討論得出初步結(jié)論：全部基因的堿基對數(shù)lt;DNA分子的總堿基對數(shù)。 基因是DNA分子的片段，DNA中有些片段不是基因。學(xué)生討論并嘗試解決問題，推選代表匯報分析過程，得出結(jié)論：基因是具有遺傳效應(yīng) 的DNA片段。整合以上結(jié)論，歸納基因與DNA之間的關(guān)系。

活動2：復(fù)習(xí)回顧前面學(xué)過的DNA的結(jié)構(gòu)特點。學(xué)生上臺演示，演示過程中其他學(xué)生補(bǔ)充。小組討論，交流想法，自主得出：并不是所有堿基對的排列順序都能構(gòu)成基因，只有特定的堿基序列才能構(gòu)成基因，理解DNA分子的多樣性和特異性。

設(shè)計意圖：使學(xué)生明確自主學(xué)習(xí)任務(wù)，通過資料的閱讀完成關(guān)鍵信息的提取，培養(yǎng)學(xué)生的推理總結(jié)能力，并進(jìn)行資料重組及提供新的資料，引導(dǎo)學(xué)生從資料中找到共性，進(jìn)而升華得出結(jié)論，鍛煉學(xué)生的推理探究能力，以及理解與歸納能力等關(guān)鍵能力。最終讓學(xué)生實現(xiàn)從生命的物質(zhì)組成——DNA是主要的遺傳物質(zhì)（物質(zhì)）→DNA分子的結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)）——DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建過程與實驗探究→DNA分子的復(fù)制與DNA分子與基因的關(guān)系（功能）的知識與能力網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

五、教學(xué)總結(jié)與反思

正像鐘能政老師所說，“課時教學(xué)過程中應(yīng)注意‘慢一點’、‘少一點’和‘精一點’”。大單元教學(xué)不是一鍋煮大雜燴，不能眼花繚亂地呈現(xiàn)，是在理解新《課標(biāo)》中核心概念的設(shè)計意圖上，基于學(xué)科核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力的培養(yǎng)，理解必備知識，形成核心價值。這就需要找準(zhǔn)教材中根本的敘事情境，引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，實現(xiàn)核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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［3］吳成軍.生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)與評價［M］.上海：華東師范大學(xué)出版社，2020.

責(zé)任編輯：黃大燦