依托于自制實物模型認知的高中生物深度教學實踐
——以“自制簡易DNA 雙螺旋模型”為例

安徽 湖南

模型與建模是科學思維素養(yǎng)的組成部分，有利于培養(yǎng)學生的深度學習能力。深度學習理論要求學生能夠積極地參與有挑戰(zhàn)的學習議題，并具有對復雜概念或知識進行理解、應用、分析、綜合和評價等的高階思維。生物模型是高中生物教學中重要的知識載體，制作實物模型則是對深度學習的持續(xù)性過程的有力支撐。在多數(shù)教學實踐中，實物模型的制作僅僅起到對一般生物知識進行淺顯的展示作用，沒有深度貫穿于整個教學過程。鑒于此，本文以“自制簡易DNA 雙螺旋模型”為例，展示將自制實物模型滲透于深度教學的一般流程，為依托于制作實物模型進行深度教學實踐提供參考。

1.實物模型概念、認知與簡易制作過程

實物模型是一種物理模型，是以實物的形式借助其他學科知識和手段直觀地表達生物學知識，揭示生物學現(xiàn)象的本質特征及生命規(guī)律的一種方式。常見的高中生物實物模型有真核細胞的三維結構模型、DNA 雙螺旋結構模型及減數(shù)分裂中染色體變化的模型。實物模型認知就是制作、展示、學習、修正和應用實物模型的過程?！镀胀ǜ咧猩飳W課程標準（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）要求：結合DNA 雙螺旋結構模型，闡明DNA分子作為遺傳物質所具有的特征。自制DNA 雙螺旋結構的實物模型如圖2（可顯示兩個溝，上面是小溝，下面是大溝），圖3 為俯視圖。

圖1

圖2

圖3

材料：若干個19 mm 和20 個25 mm 規(guī)格的粉、黃、藍和青的四色燕尾夾（分別表示A、T、C 和G 的脫氧核苷酸，其中燕尾代表配對時的氫鍵）；一支直徑8 mm 的圓柱鉛筆；三條寬1.5 cm 的布條帶，其中兩條長33 cm，另外一條長20 cm；一塊寬12 cm、長33 cm 的塑料板；三條皮筋。

制作流程：取塑料板，據(jù)上沿1 cm 處挖兩個小孔，兩小孔之間距離6 cm，并將兩條33 cm 的布條帶一端分別固定在塑料板的小孔內(nèi)；分別將10 個25 mm 規(guī)格的燕尾夾從一端依次以適宜的間距夾在布條帶上，制成兩條燕尾夾串，左、右的燕尾夾帶平行排列，將燕尾相對放置并相扣，同時確保粉色和黃色對應，青色和藍色對應；最后用皮筋將兩條燕尾夾串固定在塑料板上，兩個布條末端另用燕尾夾固定（如圖1）。再利用19 mm 規(guī)格的燕尾夾，確保粉色和黃色對應，青色和藍色對應，然后每一對燕尾末端相扣，用橫切面直徑8 mm 鉛筆緊密地穿過每對燕尾夾尾洞，用20 cm 的布條帶串起來，最后按盤旋式制成雙螺旋結構（如圖2）。

2.依托自制模型的深度教學實踐

DNA雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn)是生物科學史上的重大發(fā)現(xiàn)，其歷程也是深度探究DNA 結構特征的過程，標志著生命科學研究從宏觀走向微觀。自制模型為學習DNA 結構提供實踐活動載體和情境，實現(xiàn)學習目的的具體化和形象化。以結構與功能相適應的生命觀念統(tǒng)領于整個教學實踐過程，依托于自制的實物模型，提出假設質疑后利用科學史資料和科學邏輯推理論證質疑并檢驗結論，從而達到深刻理解DNA 的穩(wěn)定性、多樣性和特異性的教學目的。

2.1 展示模型，深化情境認知

好的情境需要避免表面化，同時要能喚醒學習意愿，連接舊知識，讓學生從中發(fā)現(xiàn)與生物學有關的問題，建構概念、提煉觀念、訓練思維、感悟美好。DNA 雙螺旋結構實物模型是對DNA 分子結構的歸納和抽象后的簡化，能夠促使學生深刻感知DNA 結構特征。常規(guī)DNA 雕塑的圖片無法直觀體現(xiàn)DNA 的具體結構，兩條帶狀物體的盤旋不利于誘發(fā)學生對“DNA 的結構”的深度認知。而深度學習是建立在一定的理論基礎上的一種有意義的思考。結合DNA 雕塑的圖片，直觀展示DNA 雙螺旋模型，可以喚醒學生對堿基、脫氧核糖、脫氧核苷酸及脫氧核苷酸鏈的回憶，為深入學習DNA 雙螺旋結構具體內(nèi)容提供基礎知識，并激發(fā)學生對DNA 結構的思考與質疑，激發(fā)學習熱情。

2.2 整合模型，深化論證過程

傳統(tǒng)的教學以講授式教學為主，導致學生缺乏學習的自主性。而自制實物模型需要學生主動動手、動腦參與，有利于交流辨析，并充分調(diào)動學生的批判性思維以提出質疑。同時，引導學生積極篩選、整合相關資料進行論證并解決問題，通過驅動學習任務，加深學生對生物學現(xiàn)象、概念和原理的理解，達到深度學習的目的。實物模型要求能夠準確反映相應生物結構特定的形態(tài)、特征與本質。筆者以DNA 雙螺旋實物模型為知識載體，在問題串的基礎上，引導學生質疑并論證的深度教學實踐過程如下：

任務1：通過學習教材中相關資料，論證DNA 雙鏈結構特點及其穩(wěn)定性。

問題1：沃森和克里克否定其所搭建的三螺旋模型鏈結構的依據(jù)是什么？

資料1：威爾金斯和富蘭克林提供的DNA 的X 射線衍射圖譜和自制實物模型的俯視圖（如圖3）。

問題2：兩條脫氧核苷酸鏈如何形成雙鏈DNA 分子？

資料2：多媒體課件展示4 種脫氧核苷酸結構示意圖、DNA 雙鏈平面圖和自制模型的堿基對結構（如圖1）。

問題3：脫氧核糖和磷酸交替形成基本骨架在其外側還是在內(nèi)側？

活動1：構建堿基在外側，脫氧核糖和磷酸交替形成的骨架在內(nèi)側的DNA 模型（如圖4），引導學生從磷酸分子親水性和堿基結構疏水性的角度，解釋此種模型錯誤的原因，并強調(diào)DNA 內(nèi)側的堿基是疏水的，堿基對之間的氫鍵和上下堿基對之間形成的堿基堆積力是構成雙螺旋結構的內(nèi)部原因。

圖4

問題4：觀察DNA 雙螺旋實物模型，靠近內(nèi)側的堿基是如何配對的？

活動2：審視自制的DNA 雙螺旋模型堿基對配對的方式，質疑代表A 的粉色和代表T 的黃色、代表G 的青色和代表C 的藍色配對方式的正確性。

資料3：多媒體課件展示嘌呤堿基（A 和G）的雙環(huán)結構與嘧啶堿基（T 和C）的單環(huán)結構示意圖，并說明DNA 的雙鏈脫氧核糖核苷酸對應部位的堿基之間的距離只能放下一個嘌呤堿基和一個嘧啶堿基。

問題5：堿基對是由一個嘌呤和一個嘧啶組成，如何判斷是A 和T、G 和C 配對？

資料4：化學家查哥夫通過定量檢測不同生物細胞的DNA 中的四種堿基含量的規(guī)律性，提出所有DNA 中A 和T 的摩爾含量相等，G 和C 的摩爾含量相等。

問題6：脫氧核苷酸鏈的方向如何界定？DNA 分子的兩條鏈反向平行是如何體現(xiàn)的？

資料5：多媒體課件展示脫氧核苷酸的結構示意圖中脫氧核糖3 號碳位置和5 號碳連接的磷酸基團，為了區(qū)別方向，可在自制模型中用打結的方式表示5′端（如圖1）。

在問題引導下，學生參照自制模型、搜尋資料證據(jù)、推理歸納、形成結論、闡述觀點，在彼此交流、相互批判質疑中深化認識DNA 雙螺旋結構，從而發(fā)展并提升學生的深度學習能力。解決完上述問題并完成相應質疑的論證，學生就會對DNA 結構模型的發(fā)現(xiàn)歷程和DNA 雙螺旋結構的主要特點產(chǎn)生深刻的認識：雙螺旋結構的穩(wěn)定性一部分是由堿基之間的氫鍵決定，另一部分是由堿基對之間的疏水鍵決定。堿基對的堆積可填充DNA 結構的空間，且堿基對是無極性、疏水的，使得DNA 分子存在于含水的原生質中有相當穩(wěn)定的作用。雙螺旋的形成使DNA 結構更緊湊，避免內(nèi)部結構發(fā)生改變，保證了遺傳信息的穩(wěn)定性，兩條鏈的方向保證了遺傳信息的傳遞和表達的有序性。

2.3 結合模型統(tǒng)計堿基數(shù)量，深化邏輯推理能力培養(yǎng)

論證包括利用邏輯的推理。以堿基互補配對原則進行堿基數(shù)量關系的推導可以培養(yǎng)學生的邏輯推理能力，深化理解DNA 分子的多樣性和特異性。

任務2：引導學生抽去自制模型的繩線后擰成圖5 樣式，以便統(tǒng)計DNA 雙螺旋實物模型中相關堿基對的排列及數(shù)量，深化理解DNA 分子的特異性和多樣性。

圖5

活動3：觀察記錄每個模型中不同顏色燕尾夾代表的堿基排列順序，并比較其差異。

問題7：比較每個自制模型中堿基對排列順序是否一樣。闡述DNA 雖然有四種脫氧核苷酸但是能儲存足夠多的遺傳信息的原因。

活動4：統(tǒng)計并計算每個模型中單鏈和雙鏈中A+T、G+C、A+G、C+T、A+C 及G+T 的數(shù)量比，歸納其規(guī)律：

規(guī)律1：嘌呤堿基總數(shù)等于嘧啶堿基總數(shù)；任意兩種不互補的堿基之和相等。

規(guī)律2：兩對非互補堿基和之比在DNA 的兩條單鏈中互為倒數(shù)，在整個分子中此比值為1。

規(guī)律3：兩對互補堿基和之比在DNA 的兩條單鏈中相等，在整個分子中此比值也相等。

活動5：利用堿基互補配對原則，通過計算相關堿基的數(shù)量關系推理得出以上規(guī)律。

以上的活動和推理可以透過堿基互補配對的表面，發(fā)展學生的邏輯思維能力同時使其深刻理解每種雙鏈DNA的特異性和多樣性不僅體現(xiàn)在堿基排列順序的差異上，還體現(xiàn)在 ：每一種雙鏈DNA 中（A+G）/（C+T）=1；而（A+T）/（C+G）的值不一樣?？梢杂脕肀硎緛碜酝环N生物組織的DNA 的特異性、不同生物的DNA 的多樣性。

2.4 修正模型，深化知識獲取

通過對自制實物模型的展示和學習，學生初步認識了DNA 的結構：兩條鏈反向平行螺旋纏繞，內(nèi)部通過堿基互補配對原則形成氫鍵相連。基于此，教師應鼓勵學生認真觀察自制模型，并指出自制模型中可能的錯誤，比如：四種顏色表示的堿基是否遵循堿基互補配對原則，兩條鏈有無體現(xiàn)反向平行等。最后指出自制模型的缺陷并修正，從而達到深化學習內(nèi)容的目的。比如，模型中沒有體現(xiàn)脫氧核苷酸的組成結構；兩條反向平行的核苷酸鏈圍繞某中心軸相互纏繞，但這個中心軸不是堿基對間氫鍵的中心線；無法表示出堿基對之間的氫鍵數(shù)量等。這樣，學生明白模型的建立是一個不斷建立—修正—再建立的過程，符合科學知識發(fā)現(xiàn)的過程。

2.5 借助模型，深化知識遷移

知識的遷移應用可以深化對知識的理解和認知，有助于培養(yǎng)學生的綜合能力及創(chuàng)新意識，而知識遷移應用的本質就是深度學習。DNA 指紋技術是DNA 結構特異性的重要遷移應用，初學者無法感悟和理解用合適的酶將待測DNA 切成片段電泳的過程。因此，可用模型模擬如何用DNA 探針來檢測某環(huán)境中是否存在某種病毒，比如新型冠狀病毒肺炎，理解與應用DNA 分子雜交技術。

活動6：檢測某環(huán)境中是否存在某種病毒核酸分子。

以某個模型的一條鏈為探針，其他多個模型的多條鏈組成環(huán)境中存在的核酸分子的核苷酸鏈。通過核實該環(huán)境中是否存在與探針能夠進行堿基互補配對的核苷酸鏈，檢測病毒的有無。

3.教學實踐反思

重實踐是《課程標準》的基本理念之一，強調(diào)學生學習的過程是其主動參與的過程，讓學生積極參與動手和動腦的活動，在學習活動中加深對生物學概念的理解，養(yǎng)成科學思維的習慣及創(chuàng)新實踐能力。引導學生自制模型并用于教學實踐是重實踐的重要方式，更是開展深度教學的有效途徑。自制模型不應該追求于制作過程和結構本身的復雜性，而應突出其代表的生物學結構的特點與本質，更要使其服務于教學實踐的每個環(huán)節(jié)，從而充分發(fā)揮自制模型可達到的最大教學效果，促使學生深度思考，深度學習，真正做到將滲透于模型中的生物學知識進行有效挖掘、理解并遷移應用。