基于STEM理念的生物學項目式教學

張健慧 李艷梅

[摘要] STEM教育作為將科學、技術、工程與數學相結合的教育理念，能夠促進學生科學實踐的真實發(fā)生。在STEM理念下進行“DNA分子的結構”項目式教學的課例研究，通過創(chuàng)設文化情境進行項目引導，依據回眸科學歷史和構建差異模型對項目進行逐級分解教學，從而提出了STEM項目教學要整體分解、逐級沉潛，注重項目式教學中學習材料適切性的操作性建議。

[關鍵詞] STEM;項目式教學;DNA分子的結構;科學史

美國國家科學基金會于1986年提出的STEM教育理念，正逐步引領著各國科學教育的關注方向由科學探究轉向更為具身體驗、深度學習的科學實踐。STEM作為科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科的縮寫，凸顯了科學技術的抽象凝練需要數理的概括表達，以及其生產實踐需要工程學的應用方能為人類服務這一基本理念[1]。STEM教育的理念并不是四個學科的簡單拼湊，其強調在教學中應當以真實情境為媒介、現實問題為引領，讓學生在學科間的有機融合中進行能動學習。與此同時，項目式教學是依據教學目標與內容，由教師創(chuàng)設教學情境，以問題的生成、探究與應用來培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力的教學模式。早在2011年，相關學者的研究表明項目式教學開展STEM教育，會促進學生STEM認知和行為意向的提高，進而通過這兩個方面積極改善其學習行為[2]。正因如此，研究者嘗試了“DNA分子的結構”一節(jié)的課例研究，旨在明確生物學項目式教學中踐行STEM理念的基本方略。

一、STEM課例研究過程

（一）課例選擇及目標

“DNA分子的結構”一節(jié)的課程設置中蘊含著科學史、模型與建模等方面的教學內容，且涉及科學、技術、工程和數學4門學科，是便于開展項目式教學、深化STEM教育理念的選題。因而，本文以“DNA分子的結構”項目為例，探索STEM理念下的項目式教學。此外，根據新版課程標準的相關要求，為培育學生的生物學學科核心素養(yǎng)。研究者確定了以下教學目標：第一，搜集DNA分子結構模型建立過程的科學史料，培養(yǎng)學生提取、分析、整合信息的能力;第二，構建DNA分子雙螺旋結構模型，掌握科學研究的方法，提高科學探究能力，發(fā)展科學思維;第三，分析DNA分子的特性和蘊含遺傳信息的功能，初步形成結構和功能相適應的觀點，樹立生命觀念。

（二）課例實踐策略

1.閱古今，曉來源

通過文獻法，搜集DNA分子結構模型建立過程的資料，以沃森和克里克構建的3個DNA分子模型為主線，闡明從錯誤模型到正確模型的修正過程，在構建、修正的過程中，沃森和克里克借鑒了不同科學家的研究方法和成果：采用了化學家鮑林的“模型構建法”，從物理學家富蘭克林和威爾金斯的DNA晶體的X射線衍射照片中意識到DNA主鏈的數目、位置和方向，吸收了生物化學家查伽夫和數學家格里菲斯的研究成果，形成了堿基互補配對思想。

2.建模型，悟觀念

學生在之前必修1的學習中已經制作過“真核細胞的模型”，初步具備了建構模型的基本能力[3]。此處，教師應利用學生已有經驗與能力，引導其利用A4打印紙、太空泥、聚乳酸等多種材料構建模型。通過分別構建DNA分子結構的折紙模型、太空泥模型和3D打印模型，在進一步的修正、完善與對比中，理解DNA分子的結構層次，總結DNA分子雙螺旋結構的基本特點。最后，通過比較各組DNA模型的堿基排列順序，理解DNA分子堿基的排列順序與遺傳信息多樣性之間的關系，進而體悟結構和功能相適應的生命觀念。

二、課例教學過程及分析

（一）以文化滲透引導項目開展

實際教學開始時，教師先拿出中華文化中的人類始祖形象——《伏羲女媧交尾圖》，并給予學生大致的DNA雙螺旋結構的圖像。通過對比后學生可以發(fā)現，DNA作為化生萬物的遺傳物質，它的雙螺旋結構竟然與《伏羲女媧交尾圖》非常相似。此外，教師給學生講述因發(fā)現了DNA分子的雙螺旋結構而獲得了諾貝爾生理學或醫(yī)學獎的科學家——克里克，在他看到中國的《伏羲女媧交尾圖》后，都認為是中國人發(fā)明的DNA雙螺旋結構圖。通過上文所述的文化滲透教學過程，激發(fā)學生的探究興趣，讓學生自主、能動地踏上科學探究的歷程，去揭開DNA分子的神秘面紗。

（二）以歷史回眸促使項目深入

科學研究的創(chuàng)新發(fā)現往往是眾多科學家在合作與競爭中造就的。在DNA結構發(fā)現的過程中貢獻較大的3個研究組有：一是美國加州理工大學量子化學家鮑林的研究組，二是倫敦英王學院的威爾金斯和富蘭克林研究組，三是英國卡文迪什實驗室的沃森和克里克研究組。教師引導學生通過上網和閱讀相關書籍的方式，以小組合作的形式搜集DNA分子結構模型建立過程的文獻資料，分析、整理出參與DNA結構研究的每個科學家的貢獻。教師通過引導學生課上展示，將主要科學家的貢獻繪制成思維導圖（見圖1）。

1.沃森和克里克構建的3個DNA分子模型

自1951年開始，沃森和克里克先后建立了3個DNA分子模型，分別是三螺旋結構模型、“堿基同配”的錯誤雙螺旋結構模型與正確的雙螺旋結構模型。他們在建立模型時，不只是考慮其結構，還要始終聯系DNA的功能和信息。他們要求建立的模型既要滿足物理、化學、數學研究的最新事實，如X射線衍射結果、堿基配對的力學要求，還要滿足生化知識，如酮型、氫鍵、鍵角等，更要使DNA能解釋遺傳學和代謝理論等。

2.沃森和克里克成功背后的6個英雄

雖然沃森和克里克摘得了桂冠，但是他們借鑒、吸納了很多位科學家的研究成果。第一位是奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤，其在《生命是什么？》一書中非常清楚地表達了一個信念：生命的基本特征就是能夠儲存和傳遞信息，亦即遺傳密碼能夠代代相傳?；蚴腔罴毎年P鍵組成部分，要懂得什么是生命，就必須知道基因是如何發(fā)揮作用的。正是這部書引導著沃森、克里克去尋找基因的奧秘。第二位則是英國X射線晶體衍射技術專家羅莎琳德·弗蘭克林，她拍攝的DNA晶體的X射線衍射照片是發(fā)現DNA結構的關鍵，提示了主鏈的數目、位置和方向。第三位是美國著名化學家鮑林，其通過X衍射技術和搭建模型方式研究蛋白質分子的結構，為DNA雙螺旋結構的解析提供了方法論支持。第四位是威爾金斯，其根據DNA晶體的X射線衍射圖推算出，只有2條或3條鏈的DNA直徑才可能滿足電子顯微鏡測定出的

2 nm。第五位是奧地利生物化學家查伽夫，他及其同事發(fā)明用色層分析法測量DNA內部的各種堿基的含量，并作了精細的分析。結果表明：腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T），鳥嘌呤（G）與胞嘧啶（C）比值接近1：1，這就是現在眾所周知的DNA分子的“堿基配對”原則。第六位是英國數學家格里菲斯，其為沃森和克里克計算了一個DNA分子內堿基的相互吸引力（弱的相互作用），使沃森和克里克茅塞頓開，走出了“相同堿基相互吸引”的誤區(qū)，最終走向成功。

（三）以模型構建挖掘項目意義

DNA因微觀無法直接觀察，學生一般很難體驗其分子結構的精妙。課前預習時，教師可以引導項目式學習小組的同學用A4打印紙、太空泥、聚乳酸（PLA）等材料制作DNA分子結構模型。之后，再以小組為單位從選材、制作方法、模型的優(yōu)點和不足等方面進行展示，教師錄制成視頻，便于以后回顧。學生制作模型的同時要書寫制作報告。然后在教師的引導下，全班學生一起對制作的典型模型進行比較（見表1）。

因材料選擇和制作方法的不同，表1中的模型各有優(yōu)缺點。在穩(wěn)固性方面，3D打印模型（見圖6）優(yōu)于折紙模型（見圖2）和太空泥模型（見圖3、4、5），不易變形，可以長期保存;但在科學性方面，3D打印模型和折紙模型比太空泥模型稍遜一籌，它們只呈現出了DNA雙螺旋結構的大體輪廓，沒有體現出基本單位4種脫氧核苷酸和它們之間的連接方式，以及4種堿基的配對方式，可能導致學生無法體驗DNA分子結構的精妙;同時在制作難度方面，3D打印技術門檻相對比較高，挑戰(zhàn)大，學生需要經過專業(yè)老師的培訓，才可以操作。由于對DNA雙螺旋結構知識認識不夠全面，學生極有可能將DNA雙螺旋打印成DNA左手螺旋模型，而目前發(fā)現的DNA大多是右手螺旋。教師在此刻要適時引導學生做出調整，從而使學生成功打印出右手螺旋模型，并對2個模型進行比較，加深了對螺旋方向的理解?？傊?，所有的模型都還不夠完美，還需項目組博采眾長、取長補短，繼續(xù)修正完善。

三、教學反思與建議

DNA雙螺旋結構的發(fā)現是20世紀自然科學最重要的三大發(fā)現之一。對于那段激蕩人心的歷史，教材因受篇幅限制未能詳細描述。以如此復雜且偉大的成果作為STEM項目教學時，必然不能夠一下子全盤拋出，應當采用整體分解、逐級沉潛的方式進行教學。因此，項目教學的任務分解為了回眸歷史、建構模型等?？梢?，生物學項目式教學也有不拘泥于學科本身，而應當直面現實的問題，以其靈活的“身段”[4]，促使STEM理念在學科教學中得以落地。此外，學生通過不同材料動手制作模型，體驗到了DNA分子結構的精巧奇妙。而教師則會發(fā)現用不同材料制作出的模型會導致學生對學習的感受有所不同。可見，基于STEM理念進行項目式教學還需要注重學習材料的適切性，方能實現預設的教學目標。

[本文系山東省教育科學“十三五”規(guī)劃2019年度一般課題“STEM+視域下普通高中傳統文化教育實施策略研究”（項目編號：YC2019176）、淄博市教育科學“十三五”重點課題“基于名師工作室的教師專業(yè)發(fā)展實踐研究”（項目編號：2018ZJZ001）階段性研究成果]

[參考文獻]

[1]Kennedy T J，Odell M R L.Engaging Students In STEM Education[J].Science Education International，2014，25：246-258.

[2]Lou S J，Liu Y H，Shih R C，et al.The senior high school studentslearning behavioral model of STEM in PBL[J]. International Journal of Technology&Design Education，2011，21（2）：161-183.

[3]魏偉.指向深度學習的生物科學史教學[J].生物學教學，2017，42（9）：12.

[4]李艷梅. STEM理念下的項目式教學——以“眼見為實的細胞”為例[J].中學生物教學，2018（15）：10-13.

張健慧? ?山東省淄博實驗中學。

李艷梅? ?山東省淄博實驗中學，正高級教師、特級教師。