基于科學(xué)史和跨學(xué)科學(xué)習(xí)的教學(xué)實(shí)踐

韓菲 邵澤琳 向婧

摘要以“DNA的結(jié)構(gòu)”為例，結(jié)合科學(xué)史資料，融合物理、化學(xué)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生重溫科學(xué)家探索之路。通過(guò)小組合作制作模型，幫助學(xué)生形成立體的知識(shí)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)。

關(guān)鍵詞 科學(xué)史 跨學(xué)科學(xué)習(xí) 模型 建模

中圖分類(lèi)號(hào)G633. 91文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）提出加強(qiáng)學(xué)科間的橫向聯(lián)系，有利于學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)、科學(xué)的思想方法和跨學(xué)科的科學(xué)概念，有利于學(xué)生建立科學(xué)的生命觀。同時(shí)，也指出學(xué)習(xí)生物科學(xué)史能夠使學(xué)生沿著科學(xué)家探索生物世界的道路，理解科學(xué)的本質(zhì)和科學(xué)研究的思路和方法，學(xué)習(xí)科學(xué)家獻(xiàn)身科學(xué)的精神，這對(duì)提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是很有意義的。因此，下面以“DAN的結(jié)構(gòu)”一節(jié)為例，結(jié)合科學(xué)史資料，融合物理、化學(xué)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生重溫科學(xué)家探索之路；并通過(guò)小組合作制作模型，幫助學(xué)生形成立體的知識(shí)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)。

1設(shè)計(jì)思路

DNA分子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)的研究本身就是多學(xué)科交叉融合的結(jié)果。根據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求，教師利用閱讀資料、模擬實(shí)驗(yàn)、科學(xué)建模等教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生深入理解結(jié)構(gòu)與功能觀，培養(yǎng)演繹與推理、模型與建模等科學(xué)思維，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中認(rèn)識(shí)到生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)學(xué)科交叉的思維，以及科學(xué)家在研究過(guò)程中使用的方法與思路，培養(yǎng)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。具體設(shè)計(jì)思路見(jiàn)圖1。

2教學(xué)目標(biāo)

①根據(jù)DNA分子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)的科學(xué)史和證據(jù)，進(jìn)行分析和討論，概述DNA分子結(jié)構(gòu)模型的特點(diǎn)，進(jìn)一步形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀念。

②通過(guò)對(duì)DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的小組討論，結(jié)合給定的模型設(shè)計(jì)要求與步驟，利用學(xué)具制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，采用演繹與推理闡明DNA分子作為遺傳物質(zhì)所具有的特征。

③基于科學(xué)家對(duì)DNA分子結(jié)構(gòu)模型的探索歷程，認(rèn)同科學(xué)探究是一個(gè)不斷深化的過(guò)程，認(rèn)識(shí)到科學(xué)家探索求真的科學(xué)精神，以及交流合作、技術(shù)進(jìn)步、多學(xué)科交叉滲透等，對(duì)于科學(xué)的發(fā)展以及解決實(shí)踐問(wèn)題有重要作用。

3教學(xué)過(guò)程

3.1創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課

在學(xué)習(xí)科學(xué)的過(guò)程中，學(xué)生往往以為科學(xué)是一成不變的，缺乏對(duì)科學(xué)研究歷程的了解。教師從科學(xué)研究的原文獻(xiàn)出發(fā)，以沃森和克里克1953年發(fā)表的論文導(dǎo)入，引出對(duì)DNA結(jié)構(gòu)的探討，呈現(xiàn)科學(xué)研究的真實(shí)過(guò)程。

3.2基于證據(jù)，體驗(yàn)建模三部曲

3.2.1初探模型

教師展示證據(jù)：

1951年，在意大利那不勒斯的一次生物大分子結(jié)構(gòu)會(huì)議上，物理學(xué)家莫里斯·威爾金斯展示了一張DNA的X射線衍射圖譜，啟發(fā)了年輕的生物學(xué)家沃森。他認(rèn)為如果基因可以結(jié)晶，那么它一定具有能夠用簡(jiǎn)單方法測(cè)定出來(lái)的規(guī)則結(jié)構(gòu)。從此，沃森萌生了與威爾金斯合作研究DNA結(jié)構(gòu)的想法。沃森在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，遇到了同樣對(duì)DNA結(jié)構(gòu)著迷的克里克。二人以威爾金斯和其同事富蘭克林提供的DNA衍射圖譜有關(guān)數(shù)據(jù)，推算出DNA分子螺旋結(jié)構(gòu)，并且綜合前人的研究成果，先后多次實(shí)驗(yàn)構(gòu)建出正確的DNA分子結(jié)構(gòu)模型。

富蘭克林是一位卓越的英國(guó)女科學(xué)家。1951年，她在英國(guó)皇家學(xué)院開(kāi)始DNA分子衍射技術(shù)的研究。她在DNA分子晶體結(jié)構(gòu)研究上成功地制備了DNA樣品；通過(guò)X射線衍射拍攝到DNA分子B型圖，由此推測(cè)DNA分子呈螺旋狀，并定量測(cè)定DNA螺旋體的直徑和螺距，測(cè)得A型DNA的密度、大小以及對(duì)稱性等。

學(xué)生開(kāi)展第一次建模：模型一是一個(gè)三條鏈的螺旋結(jié)構(gòu)，并且磷酸根是在整個(gè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)，堿基在外側(cè)。

通過(guò)教師展示資料，還原科學(xué)史實(shí)，學(xué)生初步了解DNA分子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)歷程，為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，并認(rèn)識(shí)到一項(xiàng)偉大科研成果離不開(kāi)團(tuán)隊(duì)合作。

通過(guò)科學(xué)史的學(xué)習(xí)，學(xué)生了解到威爾金斯和富蘭克林利用X射線測(cè)得DNA分子的衍射圖，進(jìn)而確定了DNA分子是螺旋結(jié)構(gòu)。教師追問(wèn)：那么，為什么DNA衍射圖譜“X”形就意味著DNA分子是螺旋狀的呢？

這個(gè)問(wèn)題的回答涉及到復(fù)雜的數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)知識(shí)，學(xué)生理解比較困難。教師可以更換思路，用同樣是螺旋狀的小彈簧來(lái)做物理學(xué)中簡(jiǎn)單的光的衍射實(shí)驗(yàn)，利用物理學(xué)知識(shí)真實(shí)直觀地向?qū)W生演示小彈簧的衍射圖案（圖2），模擬富蘭克林的實(shí)驗(yàn)。在物理學(xué)中，學(xué)生會(huì)學(xué)到光的衍射實(shí)驗(yàn)，當(dāng)一束光照射到物體邊緣后，會(huì)繞開(kāi)障礙物改變傳播路徑，繼續(xù)在空間中傳播。不同形狀物體的衍射圖案不同，并且在物理學(xué)光的衍射這一節(jié)中，也涉及到X射線衍射與DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的材料。

教師在生物學(xué)中引入物理學(xué)知識(shí)，對(duì)特定知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充，可以有效地幫助學(xué)生理解DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)。學(xué)生通過(guò)模擬科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，從中領(lǐng)悟科學(xué)家的思路與方法，形象直觀地將文字轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)的演示，感知生命觀念并培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究能力。

3.2.2深入建模

教師展示證據(jù)：富蘭克林研究發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)為螺旋型，結(jié)構(gòu)是雙鏈，有對(duì)稱軸。DNA分子中的磷酸根基團(tuán)暴露在水中，此時(shí)就暗示了DNA結(jié)構(gòu)中磷酸根基團(tuán)在螺旋的外側(cè)，堿基在螺旋內(nèi)側(cè)。

學(xué)生開(kāi)展第二次建模：磷酸在DNA骨架的外部，堿基在內(nèi)部的雙鏈螺旋結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為堿基對(duì)用氫鍵相連，堿基對(duì)是同配。

第二次構(gòu)建的模型與模型一最大的不同，就是把磷酸基團(tuán)調(diào)整到了螺旋的外側(cè)，堿基在內(nèi)側(cè)，也就是相同堿基用氫鍵相連進(jìn)行配對(duì)。教師提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生思考：但此時(shí)有一些科學(xué)家提出否定，他們又提出哪些證據(jù)呢？

3.2.3成功建模

教師展示證據(jù)：

格里菲斯計(jì)算出DNA分子中堆在一起的堿基之間的吸引力得出，用氫鍵相連的堿基分子是靠在一起的，嘌呤有吸引嘧啶的趨勢(shì)。

查哥夫通過(guò)計(jì)算分析得出，DNA所含的四種嘌呤和嘧啶堿基并不相等，但是嘌呤和嘧啶兩類(lèi)堿基之間的比例是恒定的，并堿基A與T數(shù)量相等，G與C數(shù)量相等。

學(xué)生開(kāi)展第三次建模：磷酸在DNA骨架的外部，堿基在內(nèi)部的雙鏈螺旋結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為堿基對(duì)用氫鍵相連，堿基對(duì)是互補(bǔ)異配。

教師提供資料：最終，沃森與克里克成功構(gòu)建了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并于1953年將研究成果發(fā)表在《自然》雜志。

學(xué)生通過(guò)了解沃森、克里克的模型建構(gòu)歷程，初步體會(huì)DNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，認(rèn)識(shí)并嘗試基于證據(jù)進(jìn)行重復(fù)建模驗(yàn)證、修改模型、最終完善模型的過(guò)程，并學(xué)會(huì)善于運(yùn)用前人的科研成果在生物科學(xué)探究中的意義。

3.3結(jié)合建模，認(rèn)識(shí)DNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

模型與建模是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的基礎(chǔ)。模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對(duì)所認(rèn)識(shí)對(duì)象所作的一種簡(jiǎn)化的概括性描述，可以是定性的，也可以是定量的，有的借助具體的事物或其他形象化的手段，有的則通過(guò)抽象的形式來(lái)表達(dá)。學(xué)生動(dòng)手制作的DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型為物理模型，能夠形象直觀地將系統(tǒng)的內(nèi)部動(dòng)態(tài)和功能動(dòng)態(tài)聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行生動(dòng)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠像科學(xué)家一樣了解知識(shí)的運(yùn)作和產(chǎn)生。

通過(guò)前面科學(xué)史材料、X衍射實(shí)驗(yàn)的演示，學(xué)生對(duì)于DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)有了一定的了解。接著在教師指導(dǎo)下，學(xué)生利用給定的材料工具，小組合作制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型（圖3、4）。在制作時(shí)，教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行討論。

教師提出問(wèn)題：我們看一看分別用哪幾種材料來(lái)代表組成DNA的磷酸、脫氧核糖和堿基？

學(xué)生1回答：我們用做了標(biāo)記的彩色硬紙板來(lái)代表不同的堿基，磷酸和脫氧核糖用做了標(biāo)記的白色紙板來(lái)代替。

教師追問(wèn)：這三種物質(zhì)是在什么部位相互連接的？怎樣將這三種材料正確地連接起來(lái)？

學(xué)生2回答：脫氧核糖和磷酸在外側(cè)交替連接，用白色紙板代替磷酸二酯鍵將其連接起來(lái)，堿基對(duì)排列在內(nèi)側(cè)，氫鍵用紙板與紙板間粘貼表示。

教師繼續(xù)追問(wèn)：在模型中，如何體現(xiàn)DNA的兩條鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械?？又怎樣體現(xiàn)兩條鏈的堿基之間互補(bǔ)配對(duì)？

學(xué)生3回答：觀察兩條鏈的堿基順序，可以看出DNA的兩條鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械摹蓷l鏈之間堿基用符號(hào)與彩色紙板標(biāo)記，可得出胞嘧啶與鳥(niǎo)嘌呤配對(duì)，胸腺嘧啶與腺嘌呤配對(duì)。

模型制作完成后，教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生觀察，并提出問(wèn)題：每一組模型是否具有相同的堿基排列順序？各組模型混合在一起時(shí)，能否辨認(rèn)出自己的模型？依據(jù)又是什么？根據(jù)學(xué)生回答，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出：每組模型具有不同的堿基排列順序，這是因?yàn)镈NA分子的多樣性，而由于DNA分子的特異性，所以可以根據(jù)特定的堿基排列順序，可以找到自己建構(gòu)的模型。最后，引導(dǎo)學(xué)生觀察課本中DNA分子結(jié)構(gòu)模式圖和自己制作的模型總結(jié)得出DNA分子的結(jié)構(gòu)點(diǎn)。

3.4梳理研究歷程，體會(huì)科研之路

學(xué)生根據(jù)本節(jié)課的學(xué)習(xí)，用流程圖的形式梳理關(guān)于DNA結(jié)構(gòu)的研究歷程（圖5），并總結(jié)出：在DNA結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)歷程中涉及到學(xué)科的交叉應(yīng)用，如DNA的純化、結(jié)晶、獲得衍射圖譜以及推算雙螺旋結(jié)構(gòu)，涉及到了物理、化學(xué)、生物、和數(shù)學(xué)的原理和方法。學(xué)科交叉滲透教學(xué)是促進(jìn)學(xué)科發(fā)展重要的一種方式。教師以生物學(xué)為基礎(chǔ)，準(zhǔn)確掌握教學(xué)滲透點(diǎn)，將相關(guān)物理、化學(xué)知識(shí)點(diǎn)有條理準(zhǔn)確的滲透結(jié)合教學(xué)，使學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)點(diǎn)，將其他學(xué)科的知識(shí)構(gòu)建到已有的生物學(xué)知識(shí)體系中。

4教學(xué)反思

教師經(jīng)常認(rèn)為學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的過(guò)程與科學(xué)家的研究工作之間存在著巨大的鴻溝，肯定無(wú)法理解科學(xué)家深?yuàn)W的科學(xué)工作。然而，學(xué)生很多關(guān)于科學(xué)的前概念與科學(xué)史上科學(xué)概念的演變經(jīng)常是重合的。教師要注意重新審視科學(xué)史在教學(xué)中的地位，改變課堂教學(xué)中科學(xué)史工具化的認(rèn)識(shí)?？茖W(xué)史的重要教育功能之一就是理解科學(xué)本質(zhì)，幾乎科學(xué)本質(zhì)的每一個(gè)方面，都可以在科學(xué)史中找到佐證。在本節(jié)課的設(shè)計(jì)中，教師設(shè)計(jì)了模擬實(shí)驗(yàn)，如果課堂條件允許的話，建議進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。但是，這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)儀器系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高，演示效果可能不明顯。教師可以通過(guò)課前的預(yù)實(shí)驗(yàn)圖片進(jìn)行展示，也會(huì)達(dá)到預(yù)期的效果。此外，很多教師會(huì)因?yàn)槟Ｐ椭谱鞅容^耗費(fèi)時(shí)間而放棄。本設(shè)計(jì)使用的紙質(zhì)模型是一種定制的紙質(zhì)半成品，小組分工合作下，大約5～8 min就能完成一個(gè)DNA雙鏈的制作，大大節(jié)約了時(shí)間。

科學(xué)家研究過(guò)程中的所思所想，是科學(xué)思維訓(xùn)練的重要素材。打破學(xué)科界限，完整呈現(xiàn)科學(xué)家之間思維的交流與碰撞也是本教學(xué)內(nèi)容的一大特點(diǎn)。在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生更真切地理解了科學(xué)的本質(zhì)，促進(jìn)對(duì)連貫科學(xué)世界觀的形成。

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