從認(rèn)知到建構(gòu)：高中生物DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)“模型”教學(xué)策略探析

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》提出教育質(zhì)量根本標(biāo)準(zhǔn)是“促進人的全面發(fā)展、適應(yīng)社會需要”，學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)恰與標(biāo)準(zhǔn)指向相一致。模型認(rèn)知是高中生物核心素養(yǎng)的重要組成部分。從學(xué)習(xí)認(rèn)知已有的模型，再到根據(jù)學(xué)生的知識特點自主建構(gòu)模型，更符合建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論及生物核心素養(yǎng)倡導(dǎo)的學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。而模型本身的運用是深化認(rèn)知的必須的遷移階段。

1.直面現(xiàn)狀：生物教育界對“模型”的教與學(xué)關(guān)注較少

1.1教學(xué)方式局限性—疏忽模型觀

以我校兩校區(qū)為樣本，投放關(guān)于“高中生物模型教學(xué)策略”的調(diào)查問卷，調(diào)查結(jié)果顯示6%的教師持觀望態(tài)度，對“模型”教學(xué)的思想方法缺乏深入的了解。38%的教師難以擺脫舊教材框架的局限和傳統(tǒng)教育思維定勢的影響，教學(xué)中出現(xiàn)了必修和選修教材一步到位，造成目標(biāo)性拔高。47%的教師在計劃教學(xué)活動時依然著重于教材中的知識結(jié)構(gòu)，真實的教學(xué)情境中缺少模型觀，忽視了從模型切入的引導(dǎo)，在教學(xué)中無法關(guān)注高于知識本身的學(xué)科核心素養(yǎng)。只有9%的教師通過引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)模型，設(shè)計實驗并進行有效探索，引導(dǎo)學(xué)生從“知識系統(tǒng)”向“多元能力”轉(zhuǎn)化。

1.2學(xué)習(xí)方式單一化—缺乏系統(tǒng)性

學(xué)習(xí)不該是割裂的、片段的內(nèi)容組成而應(yīng)將系統(tǒng)性的認(rèn)識論架構(gòu)作為統(tǒng)籌的依據(jù)。因此，學(xué)習(xí)方式應(yīng)避免單一化，強調(diào)綜合性。

1.3運行評價簡單化—忽視差異性

生物學(xué)習(xí)評價包括學(xué)業(yè)水平等級考試和日常學(xué)習(xí)評價。學(xué)業(yè)水平等級考試按照課程標(biāo)準(zhǔn)和等級劃分進行考核。生物日常學(xué)習(xí)評價的基本途徑和方法包括課堂提問與點評、練習(xí)與作業(yè)、復(fù)習(xí)與考試等。

課堂提問的設(shè)計應(yīng)巧妙關(guān)注“模型認(rèn)知”能力水平達成情況的診斷。例如：酶的課堂提問中，酶具有專一性，為什么有些酶能催化幾種底物反應(yīng)呢？可以通過實物模型展示酶的活性位點具有較廣的包容性。教師在課堂實例中有意識地強調(diào)建構(gòu)思維模型的重要作用，學(xué)生才能逐步把握論證證據(jù)與模型建立及其發(fā)展之間的關(guān)系。

教師應(yīng)依據(jù)各主題的學(xué)業(yè)要求，精心編制試題，題目應(yīng)具有一定的情境性和綜合性。學(xué)生唯有將個人生活情境、先前知識與將要學(xué)習(xí)的知識聯(lián)系，才能將所學(xué)到的相關(guān)科學(xué)知識類推應(yīng)用到自己的生活情境之中。通過考試，教師也才可以較為準(zhǔn)確地診斷達成情況，為有針對性地提出改進建議提供依據(jù)。

“模型”教學(xué)策略遵循模型認(rèn)知規(guī)律，從引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識模型到理解模型再到運用模型，最后建構(gòu)模型。“模型”教學(xué)策略是教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)策略的合體。理解模型和進行模型建構(gòu)活動是學(xué)生理解生物學(xué)的一把鑰匙[1]，尤其在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)中模型構(gòu)建至關(guān)重要。

2.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建的過程

2.1認(rèn)知前提

20世紀(jì)中葉，DNA被確認(rèn)為遺傳物質(zhì)。富蘭克林拍攝DNA的X射線衍射照片如圖1表明，DNA是由兩條長鏈組成的雙螺旋，磷酸根在螺旋的外側(cè)，堿基在螺旋內(nèi)側(cè);美國生物化學(xué)家卡伽夫發(fā)現(xiàn)DNA中A和T的含量總是相等，G和C的含量也相等。

2.2關(guān)鍵助力

沃森和克里克意識卡伽夫法則重要性后，請格里菲斯計算出A+T的寬度與G+C的寬度相等。他們采用了富蘭克林和威爾金斯的數(shù)據(jù)和判斷，并加以補充：磷酸根在螺旋的外側(cè)構(gòu)成兩條多核苷酸鏈的骨架，方向相反;堿基在螺旋內(nèi)側(cè)，兩兩對應(yīng)。

2.3模型構(gòu)建

科學(xué)規(guī)律往往隱蔽在生命現(xiàn)象的背后，并被紛繁復(fù)雜的、非本質(zhì)的、無關(guān)的因素所掩蓋。因此，模型的建立過程就必然是一個艱苦的探索、發(fā)現(xiàn)過程[2]。受繆勒關(guān)于遺傳物質(zhì)必須具有自催化、異催化和突變?nèi)匦缘挠^念影響下，沃森和克里克堅信DNA是遺傳物質(zhì)，并且理解遺傳物質(zhì)應(yīng)該有什么樣的特性。這是沃森和克里克最終能夠在DNA分子結(jié)構(gòu)揭秘的競賽中勝出的原因之一。

3.基于生物學(xué)科核心素養(yǎng)的對DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的再認(rèn)知

以培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)素養(yǎng)為原則，部分化學(xué)數(shù)量特征如各種化學(xué)鍵的鍵長、鍵能不做要求。對空間結(jié)構(gòu)的數(shù)量特征比如每個核苷酸單體長度、鏈寬、溝寬不做要求。

描述DNA結(jié)構(gòu)時，DNA兩條單鏈反向平行與接下來DNA復(fù)制的方向、轉(zhuǎn)錄的方向有關(guān)，堿基配對并以氫鍵連接，關(guān)系到DNA分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要讓學(xué)生準(zhǔn)確掌握。

卡伽夫法則和堿基互補配對原則與遺傳信息的傳遞和表達關(guān)系密切，需要學(xué)生熟練掌握和運用。

4.基于高中生物學(xué)生的DNA結(jié)構(gòu)模型的再建構(gòu)

高中生觀察能力很強，抽象思維等能力有一定的基礎(chǔ)，從發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)及方便后續(xù)遺傳物質(zhì)穩(wěn)定性、遺傳信息的傳遞和表達等知識點的需要出發(fā)，用平面模型來講解如圖3的DNA結(jié)構(gòu)模型更加適宜。

4.1空間結(jié)構(gòu)

穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)，兩條單鏈反向平行，根據(jù)磷酸基團連接脫氧核糖的位置分為5’端到3’端和3’端到5’端的兩條單鏈。

4.2基本骨架

磷酸和脫氧核糖交替連接排列在外側(cè)，形成穩(wěn)定的支架。

4.3堿基互補配對

A和T配對，G和C配對，以氫鍵連接形成堿基對，A、T之間兩個氫鍵，C、G之間三個氫鍵;并推導(dǎo)出兩條單鏈（1鏈和2鏈）之間A1=T2，C1=G2，T1=A2，G1=C2。

4.4數(shù)量關(guān)系

根據(jù)卡伽夫法則，雙鏈DNA分子中A=T，C=G，并推導(dǎo)出很多的數(shù)量關(guān)系，如A+C=T+G，A+G=T+C等。

5.實踐運用

學(xué)生的科學(xué)探究、科學(xué)思維能力是在解決具體問題的過程中培養(yǎng)出來的，要基于此來發(fā)展學(xué)生的生命觀念和社會責(zé)任[3]。我們構(gòu)建模型的初衷，在掌握規(guī)律、解決具體問題以外，更重要的是培養(yǎng)核心素養(yǎng)。

例題1：某真核生物DNA片段的結(jié)構(gòu)示意圖如下。下列敘述正確的是

A.①的形成需要DNA聚合酶催化

B.②表示腺嘌呤脫氧核苷

C.③的形成只能發(fā)生在細胞核

D.若α鏈中A+T占48%，則DNA分子中G占26%

解析 ①氫鍵的形成不需要DNA聚合酶催化;②是腺嘌呤;③是磷酸二酯鍵，合成DNA的場所還可能是線粒體、葉綠體，所以A、B、C均錯;α鏈中A+T=48%，則DNA分子中A+T=48%，G占26%，D正確。

從例題看出，通過模型我們將DNA分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與遺傳多樣性統(tǒng)一起來，運用舊知識分析新情境，解決新問題[4]。

可見，“模型”教學(xué)策略能夠逐步引導(dǎo)學(xué)生從教材、課堂中獲悉生物知識里巨觀、中觀與符號之間的關(guān)系，并從中逐步修正既有的心智模式使其趨于正確的生物模型。減少生物本身在教學(xué)過程中的抽象性，學(xué)生需要建立模型觀，“模型”教學(xué)策略可以為學(xué)生們提供形象、直觀的教學(xué)感受。建構(gòu)概念模型有利于培養(yǎng)學(xué)生的歸納能力和語言表述能力，使學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)化而得以簡化，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

參考文獻

[1]譚永平.高中生物學(xué)新課程中的模型、模型方法及模型建構(gòu)[J].生物學(xué)教學(xué)，2009，34（1），10-12

[2]蔣丹.模型與模型建構(gòu)在高中生物學(xué)教學(xué)中的價值[J].生物學(xué)教學(xué)，2010，35（12），23-24

[3]尹濤，張佳藝，朱梅.基于模型建構(gòu)的高中遺傳學(xué)生物試題-以2017年高考理綜全國卷第32題為例[J].基礎(chǔ)教育論壇，2018（11），55-56

[4]顧頡剛，張旭.科學(xué)史在DNA的復(fù)制一節(jié)教學(xué)中的應(yīng)用[J].生物學(xué)通報，2014，49（8）27-29

作者簡介：陳德坤，性別：男，職稱：一級教師，學(xué)校：杭州第十四中學(xué)，研究方向：中學(xué)生物教育和教學(xué)