模型構建在中學生物學課堂中的應用

摘 要：本文以“DNA的結構”一節內容為例，探討了模型構建在中學生物學教學中的應用，通過豐富的教學實踐活動以及對物理模型的構建，促進學生對DNA的結構及其特性的深入理解，同時培養了學生的科學思維與生命觀念，進而發展其生物學學科核心素養。

關鍵詞：DNA分子的結構；模型構建；中學生物學教學

文章編號：1003-7586（2024）09-0017-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

模型是一種抽象化與具體化相統一的科學認識手段與思維方法，具有促進學生認知發展、掌握科學知識、培養研究能力與科學精神的作用。 ［1］《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，科學思維能夠讓學生基于生物學事實和證據運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創造性思維等方法，探討和闡釋生命現象及規律。《課程標準》在“課程內容”中也提出與模型構建相關的“教學提示”與“學業要求”兩部分內容。可見，模型構建在高中生物學教學中占據著重要地位，對培養學生的生物學學科核心素養具有積極的推動作用。

模型是為了某種特定的目的從而對需要認識的對象進行的一種簡化的概括和描述，這種表述可以是定性的，也可以是定量的。有的借助于實物或其他形象化的手段，有的則以抽象的形式來表達，包括物理模型、概念模型、數學模型等。人教版高中生物學教材中有著豐富的模型素材，物理模型包含生物膜的流動鑲嵌模型、真核細胞的三維結構模型、DNA的雙螺旋結構模型等；數學模型包含種群數量變化的“J”型與“S”型曲線、堿基的相關計算、遺傳平衡下的基因頻率計算等；概念模型有原生質層概念、質壁分離概念和內環境穩態概念等。而“DNA的結構”是人教版普通高中教科書《生物學·必修2·遺傳與進化》（以下簡稱“教材”）第3章第2節的內容，包含了大量的模型，既有物理模型、概念模型，還有數學模型，這都為教學活動的開展提供了豐富的素材。教學過程中教師可以精心設計、組織開展教學活動，將模型構建融入課堂的各個環節，以更好地達成教學目標。

1 教材分析

“DNA的結構”位于第1節“DNA是主要的遺傳物質”之后，在第3節“DNA的復制”之前，發揮著承上啟下的作用。教材以歷史敘事的形式介紹了沃森（J. D. Watson）和克里克（F. H. C. Crick）不斷推理、重建、修訂DNA結構的物理模型的過程。接下來，教材再結合“思考·討論”欄目，引發學生對DNA結構的思考。最后通過模型構建，引發學生對DNA結構特點的進一步思考，為下一節“DNA的復制”的教學做準備。教材對本節DNA結構的介紹邏輯嚴密，井然有序，符合當下高中生的思維發展模式。

2 學情分析

學生通過之前的學習已經知道DNA的基本單位是脫氧核糖核苷酸，且清楚四種脫氧核糖核苷酸通過“磷酸二酯鍵”相連，且學生還初步得知DNA是主要的遺傳物質，但不知道DNA是如何儲存遺傳信息的。教學過程中，教師借助沃森和克里克的探索歷程，以科學史為例促進學生逐步構建DNA的物理模型，讓學生認識到正確的科學結論是需要不斷地假設、重構和修訂的，從而培養其生命觀念和科學思維。

3 教學目標

（1）通過分析科學史資料，全面認識DNA的雙螺旋結構，進一步形成結構與功能觀，發展質疑、實證等科學思維能力。

（2）運用模型構建的方法理解DNA的物理模型，深入認識DNA的雙螺旋結構，發展建模和分析模型的科學方法和思維。

（3）通過分析DNA的雙螺旋結構模型準確掌握DNA分子的結構特點，并與實際生活相聯系，以解決生活中的問題，形成社會責任意識。

4 教學過程

4.1 創設情境，激發學習興趣

教師播放電影《親愛的》部分片段并提問：電影中，被拐多年的小孩已經忘記親生父母，外貌也發生了較大變化，可以采取什么手段確定父母與孩子的血緣關系？親子鑒定其實就是將父母與孩子的DNA進行比對，為什么比較DNA能夠確定血緣關系？

設計意圖：創設真實情境，引導學生思考，并激發學生的學習興趣和探究欲望。

4.2 追溯歷史，剖析結構

4.2.1 復習回顧，重溫DNA的基本單位

教師提前布置預習并投屏展示學生的預習情況，引導學生分析是否還有需要改進的地方。

設計意圖：教師以課前任務單的形式，讓學生復習舊知，構建DNA的基本單位——脫氧核糖核苷酸的概念模型。在課上通過生生互評和教師點評等方式完善知識點，為學習新課奠定基礎。

4.2.2 串聯史實，初探空間結構

教師提問：DNA的整體結構是怎樣的？教師展示1951年，英國物理學家富蘭克林（R. E. Franklin）和威爾金斯（M. H. F. Wilkins）利用X射線照射DNA分子所得的衍射圖譜及彈簧在暗室中的衍射圖譜（見圖1）。教師通過對比衍射圖介紹“DNA的結構”應與彈簧相似，為螺旋結構。

設計意圖：教師首先展示DNA的衍射圖譜，但學生并不能馬上聯想到DNA呈螺旋結構；接下來再展示彈簧的衍射圖譜，將二者相互對比，讓學生能更好地理解DNA呈螺旋結構這一事實。

4.2.3 分組合作，再探DNA雙鏈結構

教師提問：呈螺旋結構的DNA具有幾條鏈？若有多條鏈，其位置關系如何？學生紛紛假設DNA不止一條鏈，多條鏈位置關系可能為平行、交叉、垂直等空間結構。

教師接著展示資料：①DNA分子的直徑比一條核苷酸鏈的直徑大；②富蘭克林測得DNA含水量和密度值，單鏈和三鏈與實際值不符合，其鏈數更接近兩條；③1951年，富蘭克林測得DNA分子是直徑始終為2nm的螺旋體。其他科學家也測得整個DNA分子的直徑始終相同；④富蘭克林拍攝了多張Ｘ射線衍射圖譜，發現DNA分子翻轉180°后的圖譜與翻轉前的一致。

學生分組討論，按照教師提供的材料進行分析，思考討論DNA的鏈數及其位置關系。初步構建DNA分子結構的物理模型。

設計意圖：相較于傳統的講授式教學，教師采取了分組合作討論和資料分析相結合的方式，引導學生自主形成“DNA由兩條鏈組成”的概念。這種方式有利于培養學生的團隊合作精神以及自主分析能力，有助于培養學生的科學思維。

4.2.4 模型構建，探究DNA分子的平面結構

教師提問：DNA分子的兩條鏈是如何連接形成雙鏈的？教師引導學生相互合作，用代表“脫氧核糖核苷酸鏈”的小卡片相互連接，形成DNA分子的雙鏈結構。教師展示學生作品，引導學生互評并利用已有知識，指正不符合事實的模型。

教師提問：哪一種結構模型才是正確的？學生觀察模型，思考不同模型的區別，教師提示堿基與磷酸的排列方式并提供資料：①磷酸基團具有親水性，堿基具有疏水性，不同的堿基之間還可以形成氫鍵；②DNA在細胞內處于水環境中；③DNA分子的直徑相同，嘌呤堿基與嘧啶堿基直徑不同；

④查哥夫（E. Chargaff）發現DNA中的腺嘌呤（A）含量總是等于胸腺嘧啶（T）含量，鳥嘌呤（G）含量總是等于胞嘧啶（C）含量。

學生根據資料分組討論，修正構建的模型，并構建正確的DNA雙鏈模型。

設計意圖：教師引導學生利用已有知識進行模型構建，再通過橫向對比，引發認知沖突，最后教師再提供資料，引導學生自主分析，自我修正。整個知識構建的過程都是以學生為主體，教師適當引導，有利于培養學生發現問題、解決問題的能力，有效提高學生的生物學學科核心素養。通過該課堂活動，學生能完成DNA分子平面結構的物理模型的構建，并通過分析模型，進一步加深對DNA結構的認識和了解。同時，在剖析DNA結構時，能夠說明堿基互補配對原則，順利構建DNA的數學模型。

4.2.5 模型構建，體會DNA分子立體結構

教師引導學生利用物理模型的各個組件，分組構建DNA分子的立體結構模型。教師選三個組展示各自的模型，學生對比各個DNA分子模型之間的異同點，歸納總結DNA分子的結構特點，即其具有多樣性、特異性和穩定性。

設計意圖：學生通過自主構建DNA分子立體結構的物理模型，加深對DNA結構的認識，達成“認識DNA的雙螺旋結構”這一知識目標。同時，此項課堂活動還培養了學生建模和分析模型的科學方法和思維，達成了本節課的能力目標。此外，通過對比分析不同組別的DNA結構模型的區別，學生能夠認識到DNA的結構特性，從而順利構建DNA結構特點的概念模型，進一步提升學生的結構和功能觀。

4.3 學以致用，DNA結構與社會的聯系

教師提問：親子鑒定時利用了DNA的什么特性？具體如何操作？假設這是電影中那對夫妻和孩子的DNA電泳示意圖（見圖2），請根據圖中親子鑒定的結果，判斷該孩子是否為這對夫婦親生。

設計意圖：首尾呼應，教師在學生學習DNA結構的相關知識后，回到課堂開始時設置的問題情境，并讓學生學以致用，利用課堂所學，解決生活實際問題。

4.4 課堂小結，總結升華

教師介紹：據報道，電影《親愛的》主人公失散多年的兒子已經找到，并成功進行DNA比對，確定了親子關系。隨著科學技術的進步，DNA鑒定技術以及信息數據庫已經運用到人口販賣案件中，以幫助國家打擊拐賣兒童的行動能夠順利開展。

設計意圖：通過電影反映的真實案例，引導學生正確認識生物技術的發展能夠帶動社會進步，培養學生的社會責任意識。

5 教學反思

本節課圍繞“DNA的結構”一節內容展開，以科學史為主線，通過構建物理模型的課堂活動貫穿課堂，組織嚴密，條理清晰。筆者以豐富的課堂活動，有效地調動了學生學習的積極性，活躍課堂氣氛。

但是，在實際組織教學的過程中，筆者仍發現有可以進一步改進的地方。例如，在初步構建DNA平面結構的過程中，教師會展示很多科學史資料的分析內容，但由于學生在學習本節之前就有了一定的知識儲備，導致學生討論時出現冷場。故教師在選取資料時，可以進一步精簡，排除一些對于學生來說特別簡單的知識點，不必花費過多精力去分析資料。此外，一些學生能夠自主完成的任務，可以讓學生單獨去完成，以體現學生的主體地位。最后，課堂上應適當留白，給學生足夠的時間思考討論，更有利于培養學生的科學思維。

參考文獻

［1］邢紅軍.論科學教育中的模型方法教育［J］.教育研究，1997（7）：53-56.