科學(xué)史與模型構(gòu)建促進(jìn)概念理解的教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號：G633.91文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1教材分析與設(shè)計(jì)思路

“DNA的結(jié)構(gòu)\"是人教版普通高中教科書《生物學(xué)·必修2·遺傳與進(jìn)化》第3章第2節(jié)的內(nèi)容，根據(jù)《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)》）要求，本節(jié)內(nèi)容旨在構(gòu)建次位概念“3.1.2概述DNA分子是由四種脫氧核苷酸構(gòu)成，通常由兩條堿基互補(bǔ)配對的反向平行長鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，堿基的排列順序編碼了遺傳信息”[DNA結(jié)構(gòu)的科學(xué)性在于其確定了遺傳信息編碼的堿基互補(bǔ)配對原則，以及氫鍵“粘連”的雙鏈結(jié)構(gòu)開合有度，為其所編碼的巨量信息的復(fù)制和遺傳提供了完美的方案。2DNA的結(jié)構(gòu)屬于微觀層面，知識較為抽象，概念多且復(fù)雜，對學(xué)生的微觀辨析、空間認(rèn)知能力均有較高要求。同時(shí)，該節(jié)內(nèi)容揭示了基因的本質(zhì)，在生物學(xué)教學(xué)中占有重要地位，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)基因的表達(dá)和生物的變異等奠定了基礎(chǔ)。然而，在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師通常先講述DNA結(jié)構(gòu)相關(guān)科學(xué)史和知識點(diǎn)，隨后再開展模型構(gòu)建活動。部分教師僅通過展示圖片、呈現(xiàn)文字等方式闡釋DNA結(jié)構(gòu)相關(guān)概念，不僅增加了學(xué)生的思維負(fù)擔(dān)，也難以讓學(xué)生深人理解DNA結(jié)構(gòu)的相關(guān)概念。

基于以上原因，本文通過科研素材創(chuàng)設(shè)情境導(dǎo)入教學(xué)內(nèi)容，采用科學(xué)史與模型構(gòu)建相結(jié)合的方式展開教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生對DNA結(jié)構(gòu)相關(guān)概念的構(gòu)建和深度理解。科學(xué)史蘊(yùn)含豐富的學(xué)科知識以及科學(xué)家解決問題的思路和方法，而模型構(gòu)建以跨學(xué)科的方式使抽象知識具象化。3][4]教師以科學(xué)史為思維主線，可以將抽象的概念邏輯化、系統(tǒng)化；以模型構(gòu)建為實(shí)踐載體，可以將學(xué)生思維外顯化、可視化；引領(lǐng)學(xué)生深度參與科學(xué)家們的探索歷程，在自主構(gòu)建、修訂和完善DNA結(jié)構(gòu)模型的過程中，深人梳理和思考DNA結(jié)構(gòu)探索歷程的發(fā)展內(nèi)涵和脈絡(luò)，循序漸進(jìn)地完善基于對概念理解的知識體系。同時(shí)，教師借助模擬實(shí)驗(yàn)打破跨學(xué)科概念教學(xué)難點(diǎn)，最后回歸課堂情境，促使學(xué)生將所學(xué)知識遷移應(yīng)用于解決科學(xué)問題，促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成，并為生物學(xué)教學(xué)提供參考。

2教學(xué)目標(biāo)

（1）通過分析科學(xué)史和構(gòu)建模型，概述DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，并嘗試解釋其能夠儲存遺傳信息的原因，形成結(jié)構(gòu)與功能觀。

（2）通過課前選材、課中構(gòu)建和課后完善DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，逐步形成模型與建模的科學(xué)思維，掌握科學(xué)探究的基本過程和方法。

（3）通過探究DNA結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建過程，感悟在科學(xué)研究中的繼承與開拓創(chuàng)新、學(xué)科交叉與相互合作以及探索求真的精神。

3教學(xué)過程

3.1設(shè)疑激趣，情境導(dǎo)入—古人類DNA破解人類起源

教師展示資料：2022年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者斯萬特·帕博（S.Paabo）通過對古人類基因組進(jìn)行測序，揭示了現(xiàn)代人類與古人類的關(guān)聯(lián)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了新的古人類—丹尼索瓦人。5學(xué)生已知DNA是主要的遺傳物質(zhì)，在此基礎(chǔ)上，教師提出問題： ① DNA是怎樣儲存遺傳信息的？什么使現(xiàn)代人類與古人類有所區(qū)別？ ② 距今約4萬多年的丹尼索瓦人指骨碎片中的DNA分子為什么依舊保存完好？其DNA結(jié)構(gòu)具有什么特點(diǎn)？

設(shè)計(jì)意圖：教師以諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)為素材，介紹生物學(xué)科學(xué)研究前沿，通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，提出指向本節(jié)次位概念的核心問題，以問題驅(qū)動概念的構(gòu)建，引導(dǎo)學(xué)生思考并激發(fā)學(xué)生對DNA結(jié)構(gòu)的好奇心和探究欲。

3.2史料分析，模型構(gòu)建—DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建

3.2.1溫故啟新，模型展示 課前制作脫氧核苷酸

教師展示科學(xué)史1：1869年，米歇爾（F.Miescher）用胃蛋白酶處理膿細(xì)胞獲得含磷較多的物質(zhì)，稱為“核素”，隨后奧爾特曼（S.Altman）發(fā)現(xiàn)從細(xì)胞核中分離出的不含蛋白質(zhì)的物質(zhì)是酸性的，故名“核酸”［20世紀(jì)初，科賽爾（L.Kossel）確定了核酸的組成成分。教師據(jù)此提出問題：DNA的基本單位是什么？組成成分有哪些？學(xué)生代表展示小組課前制作的脫氧核苷酸模型，并講解其組成成分以及4種脫氧核苷酸的名稱。各小組相互點(diǎn)評模型，最后教師做出評價(jià)并補(bǔ)充完善模型。

設(shè)計(jì)意圖：教師根據(jù)學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)和已有知識，引導(dǎo)學(xué)生在課前制作脫氧核苷酸模型，培養(yǎng)學(xué)生合作交流及實(shí)踐能力。學(xué)生描述脫氧核苷酸的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化知識間的銜接，組間相互點(diǎn)評促進(jìn)模型與建模思維的發(fā)展，并為課中構(gòu)建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型奠定基礎(chǔ)。

3.2.2教師引領(lǐng)，模型構(gòu)建—連接脫氧核苷酸長鏈教師展示科學(xué)史2：20世紀(jì)50年代初，托德（A

R.Todd）提出DNA長鏈由脫氧核苷酸依次連接而成，前一個(gè)核苷酸的3號碳原子的羥基與后一個(gè)核苷酸的5號碳原子的磷酸基團(tuán)通過磷酸二酯鍵相連。教師引導(dǎo)學(xué)生利用脫氧核苷酸模型構(gòu)建DNA長鏈。教師據(jù)此提出問題：DNA是否僅由一條脫氧核苷酸長鏈構(gòu)成？

教師展示科學(xué)史3：1938年，科學(xué)家由DNA的密度推算出DNA中含有的脫氧核苷酸鏈數(shù)不少于兩條，不多于四條。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生嘗試構(gòu)建DNA的結(jié)構(gòu)模型。在構(gòu)建過程中學(xué)生發(fā)現(xiàn)DNA的脫氧核苷酸鏈數(shù)及構(gòu)建方式多樣，對如何構(gòu)建DNA結(jié)構(gòu)模型產(chǎn)生了疑問。教師據(jù)此補(bǔ)充沃森（J.D.Watson）和克里克（F.Crick）失敗的DNA結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建經(jīng)歷。

設(shè)計(jì)意圖：教師展示科學(xué)史強(qiáng)調(diào)磷酸二酯鍵的形成，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建脫氧核苷酸長鏈，隨后再次展示科學(xué)史，引導(dǎo)學(xué)生逐層解析DNA的脫氧核苷酸鏈數(shù)及構(gòu)建方式，同時(shí)補(bǔ)充沃森和克里克失敗的DNA結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建經(jīng)歷，促使學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)探索的過程需要持之以恒，以此激發(fā)學(xué)生的求知欲。

3.2.3 學(xué)生操作，模擬實(shí)驗(yàn)—再現(xiàn)DNA“螺旋”面紗

教師展示科學(xué)史4：威爾金斯（M.Wilkins）和富蘭克林（R.E.Franklin）應(yīng)用X射線衍射技術(shù)獲得了高質(zhì)量的DNA衍射圖譜。教師據(jù)此提出問題：如何依據(jù)圖譜推測DNA的結(jié)構(gòu)？教師簡單介紹衍射圖譜原理，并提供實(shí)驗(yàn)材料，引導(dǎo)學(xué)生使用激光筆水平照射豎直彈簧模擬X射線透過DNA分子。通過比較模擬實(shí)驗(yàn)形成的“X\"形條紋與DNA衍射圖譜，學(xué)生直觀地感知到DNA的結(jié)構(gòu)類似彈簧且呈螺旋狀。教師補(bǔ)充科學(xué)史：沃森通過染色體成對存在等生物學(xué)現(xiàn)象，推測DNA結(jié)構(gòu)可能為雙螺旋結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)意圖：教師通過模擬實(shí)驗(yàn)將抽象的知識具象化，幫助學(xué)生打破跨學(xué)科概念理解的教學(xué)難點(diǎn)，深刻感知DNA的結(jié)構(gòu)呈螺旋狀。這一過程能夠充分調(diào)動學(xué)生的積極性，逐步提升學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

3.2.4史實(shí)串聯(lián)，修訂模型 構(gòu)建DNA結(jié)構(gòu)

教師提出問題：假設(shè)DNA呈雙螺旋結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)建出哪些平面結(jié)構(gòu)？教師鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)散思維，構(gòu)建出多樣化模型。在模型構(gòu)建過程中，教師繼續(xù)展示科學(xué)史（見表1），引領(lǐng)學(xué)生基于科學(xué)史對構(gòu)建的模型進(jìn)行科學(xué)質(zhì)疑并提出建議，隨后對模型進(jìn)行重構(gòu)、修訂，最終構(gòu)建出正確的DNA平面結(jié)構(gòu)模型。在此基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生將模型向右旋轉(zhuǎn)，得到DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的立體模型。

設(shè)計(jì)意圖：教師運(yùn)用科學(xué)史，開展科學(xué)論證式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生基于科學(xué)事實(shí)得出科學(xué)結(jié)論，隨后逐步修訂、完善模型。學(xué)生嘗試以科學(xué)家的思維解釋和推理實(shí)驗(yàn)過程，提升證據(jù)推理與模型認(rèn)知能力。同時(shí)，學(xué)生體驗(yàn)到科學(xué)是一個(gè)動態(tài)的過程，在不斷地質(zhì)疑和求證、爭論和修正中發(fā)展。

3.3依托模型，生成概念 -歸納DNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

教師引導(dǎo)學(xué)生歸納DNA結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)，總結(jié)DNA結(jié)構(gòu)相關(guān)概念，完善學(xué)生對DNA結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。隨后，教師引導(dǎo)學(xué)生對比不同小組之間的模型，思考課堂導(dǎo)入的問題情境，嘗試從DNA結(jié)構(gòu)的角度解釋古人類DNA能夠破解人類起源的原因，從而闡明DNA結(jié)構(gòu)具有多樣性、特異性和穩(wěn)定性。

設(shè)計(jì)意圖：教師依托學(xué)生自制DNA結(jié)構(gòu)模型，歸納概括出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)，最終形成本節(jié)內(nèi)容的次位概念。學(xué)生通過獲得的生物學(xué)概念解決真實(shí)的情境問題，感知知識的遷移應(yīng)用，豐富科學(xué)概念的內(nèi)涵和外延，在強(qiáng)化結(jié)構(gòu)與功能觀的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任意識。

3.4學(xué)有所思，行之有向—感悟科學(xué)研究歷程教師帶領(lǐng)學(xué)生回顧探索DNA結(jié)構(gòu)的科學(xué)史時(shí)間軸以及與DNA相關(guān)的2022年諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)資料，引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)研究的過程和方法、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神等方面進(jìn)行充分討論并發(fā)表感想。

設(shè)計(jì)意圖：科學(xué)史不僅承載著豐富的學(xué)科知識，還蘊(yùn)含科學(xué)家探索真知的智慧和執(zhí)著追求、攻堅(jiān)克難的科研精神，科學(xué)史時(shí)間軸展示了科學(xué)家們對DNA結(jié)構(gòu)的探索過程。學(xué)生通過交流，感悟科學(xué)態(tài)度及探索求真、相互合作、科學(xué)繼承又不斷開拓創(chuàng)新的科學(xué)精神，促進(jìn)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成與發(fā)展。

4教學(xué)反思

本節(jié)課以次位概念為引領(lǐng)，從提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生探究DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。本節(jié)課的主要特點(diǎn)是通過科學(xué)史與模型構(gòu)建相結(jié)合的方式體驗(yàn)概念形成過程，從科學(xué)史中獲取有關(guān)DNA結(jié)構(gòu)的相關(guān)概念，構(gòu)建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。此外，教師采用情境教學(xué)法，在真實(shí)情境中解決實(shí)際問題、促成科學(xué)思維，并通過模擬實(shí)驗(yàn)促進(jìn)學(xué)生對跨學(xué)科概念的理解。學(xué)生采用合作學(xué)習(xí)的方式，在相互合作、評價(jià)中主動參與課堂，從而高效、順利達(dá)成課程目標(biāo)。

本節(jié)知識點(diǎn)較多、活動較豐富，教師需要做好準(zhǔn)備工作，學(xué)生需要做好課前預(yù)習(xí)并及時(shí)回顧相關(guān)知識。此外，教師需要關(guān)注學(xué)生選擇的構(gòu)建模型的材料是否科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，以及在操作過程中學(xué)生是否具有批判精神與合作精神等。

參考文獻(xiàn)

[1中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[M.北京：人民教育出版社，2020.

[2]詹姆斯·沃森.雙螺旋（插圖注釋本）[M].賈擁民，譯.杭州：浙江人民出版社，2017.

[3]馬小明.例談生物科學(xué)史在提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)中的應(yīng)用[J].生物學(xué)教學(xué)，2019，44（7）：8-9.

L4鄭艷玲.生物學(xué)課堂教學(xué)模型構(gòu)建例談J」.生物學(xué)教學(xué)，2016，41（7）：10-11.

[5]陳至鑫，曾武威，章靜波.我們何以為獨(dú)一無二的人類：2022年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)簡介[J].解剖學(xué)報(bào)，2023，54（1）：1-2.

[6]李佩珊.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)及其在科學(xué)史中的源流[J].自然辯證法通訊，1979（4）：62-69.

[7]呂茜.基于科學(xué)史的論證式教學(xué)設(shè)計(jì)——以“DNA分子的結(jié)構(gòu)”為例[J].中學(xué)生物學(xué)，2023，39（2）：37-40.