在模仿科學(xué)家建模的過(guò)程中發(fā)展科學(xué)思維

陳秋來(lái)

“結(jié)構(gòu)與功能觀”是生命科學(xué)的基本觀點(diǎn)之一。在理解DNA結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，能夠解釋DNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與編碼遺傳信息、復(fù)制遺傳信息和傳遞遺傳信息的適應(yīng)關(guān)系，是“生命觀念”的重要內(nèi)容[1]。建模教學(xué)可以使學(xué)生體會(huì)到真實(shí)的科學(xué)實(shí)踐，使學(xué)生在掌握知識(shí)的同時(shí)了解知識(shí)的形成過(guò)程，提升學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，是目前中學(xué)科學(xué)教育改革的一個(gè)重要方向。構(gòu)建模型是科學(xué)研究工作的核心內(nèi)容之一，在教學(xué)中進(jìn)行模型建構(gòu)，可以幫助學(xué)生模擬科學(xué)家的思維，了解知識(shí)的產(chǎn)生和運(yùn)作，并在學(xué)習(xí)科學(xué)的過(guò)程中構(gòu)建和發(fā)展自己的模型，從而深入理解知識(shí)[2]?，F(xiàn)以“DNA的結(jié)構(gòu)”一課為例，介紹在模仿科學(xué)家建模的過(guò)程中發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的具體做法。

一、教材分析及設(shè)計(jì)思路

“DNA的結(jié)構(gòu)”是人教社2019版高中生物必修2第3章第2節(jié)的內(nèi)容，學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容時(shí)，普遍感到抽象、復(fù)雜、深?yuàn)W。教學(xué)時(shí)如果按照教材順序，先介紹DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)科學(xué)史，然后學(xué)習(xí)DNA結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)，最后讓學(xué)生制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，會(huì)使理論知識(shí)和制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的實(shí)驗(yàn)割裂，讓學(xué)生感覺(jué)科學(xué)知識(shí)比較枯燥，也無(wú)法感受“做中學(xué)”的快樂(lè)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)。為此，筆者改變了教學(xué)策略：把DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型制作的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分解，將制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型與跟隨科學(xué)家的研究歷程緊密結(jié)合，以幫助學(xué)生在感受科學(xué)家科學(xué)探究的情境中，加深對(duì)DNA結(jié)構(gòu)的了解，同時(shí)體會(huì)沃森等科學(xué)家如何在合作中不斷捕獲和分析信息，學(xué)習(xí)他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S品質(zhì)以及持之以恒的科學(xué)研究精神。此外，學(xué)生在探究過(guò)程中產(chǎn)生的很多想法與科學(xué)家不謀而合，大大激發(fā)了學(xué)生的研究興趣和自信心，從而有助于在課堂教學(xué)中落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、課前準(zhǔn)備——學(xué)具的準(zhǔn)備

為了保證課堂上有更充分的時(shí)間用于討論和交流，教師需要在課前集中指導(dǎo)合作學(xué)習(xí)的小組長(zhǎng)按以下要求準(zhǔn)備學(xué)具：每個(gè)4人學(xué)習(xí)小組需要準(zhǔn)備支架1個(gè)、訂書機(jī)1個(gè)、訂書釘1盒（訂書釘用來(lái)連接堿基和脫氧核糖代表氫鍵以及脫氧核糖和磷酸的連接），小剪刀1把，透明膠布1卷。

1.制作支架

用4毫米直徑的硬鐵絲做2個(gè)長(zhǎng)26cm寬8cm的方框（用作兩端固定以及方便拿取旋轉(zhuǎn)展示的支架），在每個(gè)方框一側(cè)的兩端各固定一條長(zhǎng)0.8m的細(xì)鐵絲或細(xì)線（注意柔軟且有韌性，便于做好模型后的扭轉(zhuǎn)和固定）。

2.裁剪代表磷酸、脫氧核糖和4種堿基的紙片

每個(gè)學(xué)習(xí)小組需要裁剪磷酸基團(tuán)和脫氧核糖各24個(gè)， A、T、G、C 四種堿基共48個(gè)。教師為每個(gè)小組長(zhǎng)準(zhǔn)備3張較厚的A4紙。具體裁剪方法按如下步驟進(jìn)行。

（1）把每張A4紙縱向?qū)φ?次，橫向?qū)φ?次，這樣每張A4紙就被分成16等份，每份規(guī)格是10.5cm*3.7125cm。

（2）在每等份左右兩邊按照?qǐng)D1標(biāo)上字母或數(shù)字，AT和GC合計(jì)標(biāo)24份，磷酸和脫氧核糖標(biāo)24份。

（3）沿著對(duì)折痕跡把3張A4紙分別裁開(kāi)。

（4）把標(biāo)有GC的紙條在字母G和C之間按圖1裁成圓弧形，把標(biāo)有AT的紙條在字母A和T之間裁成V形，把磷酸裁成圓形，把脫氧核糖裁成五邊形。

三、教學(xué)過(guò)程

1.創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，激發(fā)探究欲望

利用學(xué)生對(duì)“探案”和新名詞“DNA指紋”的興趣，呈現(xiàn)DNA指紋圖片，快速轉(zhuǎn)到本節(jié)的課題：根據(jù)DNA指紋確認(rèn)身份與DNA的特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2.建構(gòu)DNA結(jié)構(gòu)的物理模型

（1）建構(gòu)脫氧核苷酸模型。從復(fù)習(xí)必修1有關(guān)DNA的知識(shí)過(guò)渡到新知識(shí)的學(xué)習(xí)，教師提出任務(wù)：請(qǐng)每位學(xué)生用桌面上提供的合適的材料建構(gòu)1個(gè)DNA的基本組成單位，可提示學(xué)生訂書釘用來(lái)連接堿基、脫氧核糖和磷酸之間的連接。建構(gòu)完成后用實(shí)物投影儀展示學(xué)生作品，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)。然后教師用PPT呈現(xiàn)圖2，總結(jié)磷酸基團(tuán)、脫氧核糖和含N堿基3種分子的正確連接方式。最后要求學(xué)生每人完成5個(gè)脫氧核苷酸模型的制作，為建構(gòu)脫氧核苷酸鏈模型做準(zhǔn)備。

（2）建構(gòu)脫氧核苷酸鏈模型。引導(dǎo)學(xué)生將自己制作的脫氧核苷酸連成長(zhǎng)鏈，派代表進(jìn)行展示，并用語(yǔ)言描述脫氧核苷酸之間是如何連接的，同組組員可補(bǔ)充說(shuō)明，其他組學(xué)生評(píng)價(jià)，然后教師點(diǎn)評(píng)，強(qiáng)調(diào)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)。

（3）嘗試建構(gòu)DNA的平面結(jié)構(gòu)模型。教師引導(dǎo)學(xué)生回顧DNA的發(fā)現(xiàn)歷史，提出“由脫氧核苷酸長(zhǎng)鏈組成的DNA要具有怎樣的結(jié)構(gòu)才能穩(wěn)定存在并且遺傳給后代”的問(wèn)題。學(xué)生閱讀課本了解“DNA結(jié)構(gòu)模型的建構(gòu)”歷程后，小組討論，最后由教師總結(jié)：沃森和克里克以威爾金斯和富蘭克林提供的DNA的衍射圖譜和相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，推斷出DNA呈螺旋結(jié)構(gòu)。但此時(shí)又引出另一個(gè)問(wèn)題：DNA究竟是由幾條鏈組成的螺旋結(jié)構(gòu)？科學(xué)家們提出了不同猜想，沃森和克里克建構(gòu)了DNA的雙鏈結(jié)構(gòu)模型。此時(shí)請(qǐng)學(xué)生分組建構(gòu)DNA雙鏈結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行組內(nèi)討論、實(shí)物展示、小組代表解說(shuō)、其他組員提出異議，然后教師引導(dǎo)：通過(guò)建構(gòu)，我們知道兩條鏈的連接有多種可能性，哪一種連接方式更符合實(shí)際情況呢？教師用PPT呈現(xiàn)：1952年春天奧地利的著名生物化學(xué)家查哥夫提供的信息：A的量等于T的量，G的量等于C的量。并進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生：根據(jù)以上信息你獲得了什么啟發(fā)？要求學(xué)生組內(nèi)討論并修正本組模型。

（4）建構(gòu)DNA的立體結(jié)構(gòu)模型。先讓學(xué)生用訂書釘按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則建構(gòu)含20個(gè)堿基對(duì)的DNA平面結(jié)構(gòu)模型，然后提醒學(xué)生用透明膠布把磷酸分子固定到鐵絲上，雙手提起方框，輕輕地拉直雙鏈后旋轉(zhuǎn)一下即得到DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)立體模型。

本環(huán)節(jié)以著名教育家維果茨基提出的“最近發(fā)展區(qū)”理論為依據(jù)，沿著“復(fù)習(xí)已學(xué)知識(shí)建構(gòu)脫氧核苷酸模型和脫氧核苷酸鏈模型—發(fā)現(xiàn)問(wèn)題—補(bǔ)充資料—建構(gòu)DNA的平面結(jié)構(gòu)模型—形成DNA的立體結(jié)構(gòu)模型”的路線推進(jìn)，分步實(shí)現(xiàn)模型的建構(gòu)過(guò)程，不僅讓學(xué)生通過(guò)“做中學(xué)”深入理解DNA結(jié)構(gòu)的知識(shí)，還能讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)家探究DNA結(jié)構(gòu)的過(guò)程，培養(yǎng)善于捕獲、分析信息的思維品質(zhì)及持之以恒的科研精神，激發(fā)學(xué)生的科研興趣，提升勇于擔(dān)當(dāng)?shù)钠焚|(zhì)。學(xué)生通過(guò)DNA的結(jié)構(gòu)物理模型的建構(gòu)、評(píng)價(jià)與修正，建立了對(duì)DNA 結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，形成了生物體結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)，同時(shí)也提升和發(fā)展了建構(gòu)模型、邏輯思維與科學(xué)表達(dá)的能力。

3.建構(gòu)DNA結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型

通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生分析DNA各組分的數(shù)量關(guān)系構(gòu)建相關(guān)數(shù)學(xué)模型有助于學(xué)生理解DNA的結(jié)構(gòu)特性，強(qiáng)化“結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)”的生物學(xué)基本觀點(diǎn)。此環(huán)節(jié)請(qǐng)學(xué)生觀察各自構(gòu)建好的DNA立體結(jié)構(gòu)模型并填空。如下面兩題。

第1題：1個(gè)DNA=（2）條脫氧核糖核苷酸鏈=（2）個(gè)游離磷酸基團(tuán);與一個(gè)磷酸基團(tuán)相連接的有（兩個(gè)或一個(gè)）脫氧核糖，與脫氧核糖連接的有（兩個(gè)或一個(gè)）磷酸基團(tuán)。

第2題：若一個(gè)DNA中有n個(gè)堿基對(duì)，則堿基對(duì)的排列方式有（4n）種。

設(shè)計(jì)第1題的目的是引導(dǎo)學(xué)生歸納出DNA結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性的原因，幫助學(xué)生理解DNA結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性與DNA能夠承擔(dān)遺傳物質(zhì)的功能相適應(yīng)。設(shè)計(jì)第2題的目的是引導(dǎo)學(xué)生推出 DNA 結(jié)構(gòu)具有多樣性和特異性，為解釋自然界生物的多樣性和特異性打基礎(chǔ)。

4.建構(gòu)DNA結(jié)構(gòu)的概念模型

高中生物學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)，實(shí)質(zhì)上是引導(dǎo)學(xué)生習(xí)得一個(gè)完整而系統(tǒng)的核心概念體系的過(guò)程[3]。

（1）利用模型歸納主要特點(diǎn)。教師組織學(xué)生通過(guò)對(duì)比各自制作的作品，在獨(dú)立思考和相互補(bǔ)充后歸納出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步觀察各自建構(gòu)的DNA立體結(jié)構(gòu)模型中脫氧核糖上標(biāo)注的數(shù)字，完善DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)，由學(xué)生得出“DNA兩條鏈?zhǔn)欠聪蚱叫信帕小钡慕Y(jié)論。教師進(jìn)一步追問(wèn)導(dǎo)入問(wèn)題：觀察各組建構(gòu)的DNA立體結(jié)構(gòu)模型，你能解釋DNA指紋為什么可以用于識(shí)別身份嗎？學(xué)生得出答案：不同組建構(gòu)的DNA立體結(jié)構(gòu)模型的堿基排列順序不同，每個(gè)DNA都帶有獨(dú)特的遺傳信息。

（2）填寫概念圖進(jìn)行知識(shí)總結(jié)。向?qū)W生呈現(xiàn)圖3所示的概念圖，由學(xué)生填寫括號(hào)內(nèi)的文字，幫助學(xué)生構(gòu)建本節(jié)所學(xué)內(nèi)容的知識(shí)網(wǎng)絡(luò);同時(shí)利用圖3內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生歸納出記憶竅門“54321”，即5種組成元素：C、H、O、N、P;4種堿基A、T、G、C和4種脫氧核苷酸;3種基本組成物質(zhì)：堿基、脫氧核糖、磷酸;2條反向脫氧核苷酸鏈組成1個(gè)DNA。

四、教后反思

通過(guò)團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)、主動(dòng)學(xué)習(xí)和參與式學(xué)習(xí)的方式，學(xué)生可以主動(dòng)參與制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并追蹤了科學(xué)家的研究歷程，不斷提高科學(xué)思維能力，培養(yǎng)不畏困難、持之以恒的科研精神。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯? ?姚力寧）