深度學(xué)習(xí)視域下科學(xué)思維的培養(yǎng)

胡有紅 高勍

摘要 闡述了通過(guò)分析科學(xué)史資料、創(chuàng)新模型建構(gòu)等策略，以“DNA的結(jié)構(gòu)”為例開(kāi)展深度學(xué)習(xí)，使學(xué)生在生物學(xué)概念學(xué)習(xí)中觸及知識(shí)內(nèi)核，發(fā)展科學(xué)思維，立足課堂，走向課外，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，彰顯課程育人價(jià)值。

關(guān)鍵詞 深度學(xué)習(xí) 科學(xué)思維 科學(xué)史 模型建構(gòu)

中圖分類號(hào) G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

深度學(xué)習(xí)是基于高階思維發(fā)展的理解性學(xué)習(xí)，關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程和狀態(tài)，追求知識(shí)的深度理解、尋找知識(shí)關(guān)聯(lián)、注重知識(shí)整合，提升學(xué)生的分析、應(yīng)用、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造等高階思維，通過(guò)實(shí)踐探究、合作交流、展示評(píng)價(jià)等方式使學(xué)生全身心地投入，發(fā)展科學(xué)思維，獲得深度體驗(yàn)。深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)批判性學(xué)習(xí)、創(chuàng)造性思維，注重教學(xué)內(nèi)容整體性，促進(jìn)知識(shí)體系構(gòu)建，注重知識(shí)的遷移運(yùn)用能力。

科學(xué)思維是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問(wèn)題的思維習(xí)慣和能力，包括科學(xué)推理、科學(xué)論證、思辨創(chuàng)新和模型建構(gòu)等要素，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中逐步發(fā)展科學(xué)思維。要實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維的發(fā)展，教師利用深度學(xué)習(xí)這一有效路徑，可以避免“蜻蜓點(diǎn)水式”的淺層講授知識(shí)，避免學(xué)生碎片化、不加理解的記憶，有效發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。下面以“DNA的結(jié)構(gòu)”教學(xué)為例，基于生物學(xué)科學(xué)史資料，通過(guò)自制簡(jiǎn)易教具模型，引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

1教材分析及設(shè)計(jì)思路

“DNA的結(jié)構(gòu)”是蘇教版高中生物《必修2·遺傳與進(jìn)化》第二章第二節(jié)的內(nèi)容。學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)必修1“細(xì)胞中的核酸”和必修2“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”，有了一定的知識(shí)基礎(chǔ)。本節(jié)內(nèi)容是學(xué)習(xí)“遺傳信息控制生物的性狀”“生物的變異”“基因工程”等的基礎(chǔ)，起著承上啟下的作用。本節(jié)課以DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建過(guò)程的資料為主線，組織學(xué)生討論和交流，開(kāi)展探究活動(dòng)，注重生物科學(xué)史和科學(xué)本質(zhì)的學(xué)習(xí)，促使學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)，體驗(yàn)科學(xué)研究的方法，感悟科學(xué)探究的精神。學(xué)生制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，學(xué)習(xí)DNA分子的主要特點(diǎn)，在動(dòng)手實(shí)踐和合作探究中，培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)造能力，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，提升生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2教學(xué)目標(biāo)

1描述構(gòu)成DNA分子的基本單位、堿基種類和元素組成，理解物質(zhì)由元素組成。

2通過(guò)收集DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建過(guò)程的資料，體驗(yàn)科學(xué)家的探索與合作精神。

3通過(guò)比較各組DNA結(jié)構(gòu)模型，理解DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)，培養(yǎng)動(dòng)手、觀察和分析能力，認(rèn)同人類對(duì)遺傳物質(zhì)的認(rèn)識(shí)是不斷深化和發(fā)展的過(guò)程。

3教學(xué)過(guò)程

3.1視頻導(dǎo)入，鋪墊情境

教師播放視頻“給野生大熊貓‘上戶口’”：野生大熊貓活動(dòng)于崇山峻嶺的密林竹海中，蹤影難覓，由于其黑白臉譜，導(dǎo)致辨識(shí)度低，給種群數(shù)量統(tǒng)計(jì)帶來(lái)了困難。臥龍片區(qū)率先引入DNA技術(shù)，通過(guò)DNA分析，為每一只野生大熊貓建立“戶口檔案”，統(tǒng)計(jì)出了區(qū)內(nèi)野生大熊貓種群數(shù)量。并提出問(wèn)題：大熊貓的糞便為什么可以作為個(gè)體識(shí)別的依據(jù)？

教師引導(dǎo)學(xué)生思考、分析得出：大熊貓的糞便排出體外時(shí)，外面包裹著從它的腸道表面脫落的一些細(xì)胞。對(duì)這些細(xì)胞里提取出的DNA進(jìn)行分子生物學(xué)分析，可以準(zhǔn)確識(shí)別大熊貓的個(gè)體。

設(shè)計(jì)意圖：教師利用真實(shí)情境導(dǎo)入新課，調(diào)動(dòng)學(xué)生探求知識(shí)的興趣，引發(fā)思考，喚起求知欲，使學(xué)生的注意力聚焦到課堂學(xué)習(xí)中，并滲透結(jié)構(gòu)與功能觀。

3.2重啟舊知，承上啟下

教師引導(dǎo)學(xué)生回憶必修1學(xué)過(guò)的內(nèi)容，提出問(wèn)題：DNA的元素組成及基本單位是什么？單體是由哪些更小的分子組成？DNA主要分布在細(xì)胞的什么結(jié)構(gòu)？并提供資料脫氧核糖和堿基的結(jié)構(gòu)圖（圖1），引導(dǎo)學(xué)生識(shí)別脫氧核糖中C原子位置，辨析嘌呤和嘧啶的空間大小，嘗試將磷酸、脫氧核糖以及含氮堿基連接成脫氧核苷酸。

學(xué)生分小組討論，用所給材料模擬磷酸、脫氧核糖以及含氮堿基連接成脫氧核苷酸。各小組展示搭建成果，明確連接方式：核苷酸是核苷和磷酸的反應(yīng)產(chǎn)物，核苷由五碳糖的第一位碳原子與堿基連接形成，磷酸分子通常連接在五碳糖第五位碳原子上。根據(jù)含氮堿基的不同，脫氧核苷酸分腺嘌呤脫氧核苷酸、鳥(niǎo)嘌呤脫氧核苷酸、胞嘧啶脫氧核苷酸和胸腺嘧啶脫氧核苷酸4種。據(jù)圖還可以看出，嘌呤是雙環(huán)化合物占有空間大，嘧啶是單環(huán)化合物占有空間小。

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生回憶所學(xué)內(nèi)容，將不同章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)整，促進(jìn)學(xué)生系統(tǒng)化、整體性地自主構(gòu)建知識(shí)體系，通過(guò)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析的能力，幫助學(xué)生深度理解知識(shí)，發(fā)展科學(xué)思維。

3.3還原史實(shí)，逐步推進(jìn)

教師提供資料1：已知DNA是由許多個(gè)脫氧核苷酸連接而成的長(zhǎng)鏈。學(xué)生根據(jù)資料1，每小組連接一條脫氧核苷酸長(zhǎng)鏈，備用。

教師提供資料2：1952年，英國(guó)科學(xué)家威爾金斯和富蘭克林應(yīng)用X衍射技術(shù)獲得了高質(zhì)量的DNA的衍射圖譜，該照片至今都被公認(rèn)為是所有X射線照片中最美之一。學(xué)生從資料2推測(cè)：照片中的X形清楚表明DNA是一個(gè)螺旋形分子。

教師追問(wèn)，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步探究：1個(gè)DNA分子中含有幾條脫氧核苷酸長(zhǎng)鏈？脫氧核苷酸鏈?zhǔn)钦蜻B接，還是反向連接？脫氧核苷酸鏈中的堿基排列在外側(cè)，還是排列在內(nèi)側(cè)？

教師提供資料3：1952年，富蘭克林進(jìn)行了更為詳細(xì)的圖片分析，將衍射圖像詮釋為分子中的各種化學(xué)鍵的鍵長(zhǎng)、鍵角等結(jié)構(gòu)要素，提出DNA為雙螺旋，2條鏈向2個(gè)相反方向伸展。

資料4：堿基是疏水性基團(tuán)，脫氧核糖和磷酸是親水性基團(tuán)，細(xì)胞中的DNA處于液體環(huán)境中。

學(xué)生根據(jù)資料3、4以及生物膜磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)中親水性的頭部和疏水性的尾部的排列方式，明確將兩條脫氧核苷酸鏈連接起來(lái)，磷酸和脫氧核糖排列在外側(cè)，堿基排列在內(nèi)側(cè)。

教師提出問(wèn)題：在動(dòng)手實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)不同小組之間拼接而成的DNA分子出現(xiàn)新的問(wèn)題，即兩條鏈中的堿基如何相連？

并提供資料5：嘌呤是雙環(huán)化合物，占有空間大，嘧啶是單環(huán)化合物，占有空間小，經(jīng)測(cè)定DNA螺旋的直徑是恒定的，約為2nm。

資料6：1951年查哥夫應(yīng)用紫外分光光度法結(jié)合紙層析等技術(shù)對(duì)不同生物細(xì)胞中的DNA做4種堿基定量分析，發(fā)現(xiàn)腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）數(shù)量相等，胞嘧啶（C）與鳥(niǎo)嘌呤（G）數(shù)量相等。

學(xué)生調(diào)整模型：根據(jù)數(shù)量關(guān)系將模型中的堿基對(duì)調(diào)整為A與T配對(duì)、G與C配對(duì)，而且A—T堿基對(duì)和G—C堿基對(duì)具有相同的形狀和直徑。這樣組成的DNA具有恒定的直徑，且能夠解釋A、T、G、C的數(shù)量關(guān)系。

教師講授：A與T通過(guò)2個(gè)氫鍵相連，G與C通過(guò)3個(gè)氫鍵相連。沃森和克里克提出了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)。并于1962年與威爾金斯共同獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。沃森和克里克提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型時(shí)還很年輕，與其他科學(xué)家相比，他們知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)相對(duì)缺乏，但他們卻成功構(gòu)建DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)，開(kāi)啟了分子生物學(xué)時(shí)代。他們的這種工作方式給予你哪些啟發(fā)？學(xué)生交流，小組匯報(bào)學(xué)習(xí)心得體會(huì)。

設(shè)計(jì)意圖：教師通過(guò)還原歷史，引導(dǎo)學(xué)生嘗試著像科學(xué)家一樣發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，使學(xué)生體會(huì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)是“建構(gòu)→否定→建構(gòu)→否定→......”循序漸進(jìn)的過(guò)程，懂得科學(xué)研究需要合作交流、默契配合、鍥而不舍的精神，以及求真務(wù)實(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度。

3.4構(gòu)建模型，啟發(fā)創(chuàng)新

學(xué)生將兩條脫氧核苷酸鏈按照堿基互補(bǔ)配對(duì)方式粘連，制作DNA分子結(jié)構(gòu)模型，在兩端各加一根硬的支撐物（支撐物可以是筷子或長(zhǎng)的竹簽，也可以是A4紙卷成一個(gè)紙棒，用透明膠帶固定在模型的兩端）;借助鐵架臺(tái)和蝴蝶夾，展示平面結(jié)構(gòu)（圖2）和立體結(jié)構(gòu)（圖3）。注意：1DNA的結(jié)構(gòu)模型要比鐵架臺(tái)略微長(zhǎng)一點(diǎn)，因?yàn)槁菪龝r(shí)DNA分子模型會(huì)縮短，這樣不會(huì)導(dǎo)致模型損壞;2蝴蝶夾有上、中、下三個(gè)支撐點(diǎn)，可以根據(jù)螺旋程度將模型放置于三個(gè)不同支撐點(diǎn);3在鐵架臺(tái)的底座上左右分別扎上一條皮筋，用于固定模型底端的紙棒。

這樣構(gòu)建模型的優(yōu)點(diǎn)有：1取材環(huán)保方便，適合自制推廣。2借助鐵架臺(tái)和蝴蝶夾，既可以展示平面結(jié)構(gòu)，也可以呈現(xiàn)雙螺旋結(jié)構(gòu)，根據(jù)蝴蝶夾的3個(gè)高度，可以實(shí)現(xiàn)雙螺旋的程度，觀察靈活自由，學(xué)生可以欣賞DNA螺旋的動(dòng)態(tài)美。3學(xué)生可以根據(jù)自己的需要，將磷酸結(jié)構(gòu)（圓圈）、脫氧核糖（五邊形）和磷酸二酯鍵用馬克筆配色上色。4可以將軟磁體剪成和磷酸大小一樣的圓形，軟磁鐵覆蓋在磷酸基團(tuán)上，將其固定在黑板上，作為板書(shū)。

教師引導(dǎo)學(xué)生觀察DNA結(jié)構(gòu)模型圖，歸納DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)：將制成的DNA分子平面結(jié)構(gòu)與“梯子”進(jìn)行類比，組成“梯子”的“扶手”、“扶手”之間的“階梯”、連接階梯的化學(xué)鍵依次代表什么？與梯子不一樣的是，DNA分子中兩條脫氧核苷酸鏈在空間的走向呈反向平行，兩條鏈中一條鏈的5′→3′方向是自上而下，而另一條鏈的5′→3′方向是自下而上。教師將DNA結(jié)構(gòu)模型與學(xué)生熟悉的物體類比，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

設(shè)計(jì)意圖：DNA平面結(jié)構(gòu)與立體結(jié)構(gòu)模型之間的轉(zhuǎn)換可以使學(xué)生感受從抽象到形象，感受螺旋的動(dòng)態(tài)美。教師改進(jìn)模型，為學(xué)生起到示范作用，使學(xué)生不再埋頭于做題，而是積極參與主動(dòng)探究、創(chuàng)新創(chuàng)造，體現(xiàn)學(xué)科育人價(jià)值。

3.5情境回扣，遷移應(yīng)用

教師提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生思考：為什么從大熊貓細(xì)胞里提取出DNA，經(jīng)過(guò)分子生物學(xué)分析，就可以對(duì)大熊貓個(gè)體進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，統(tǒng)計(jì)野生大熊貓種群數(shù)量？

學(xué)生從DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)，DNA分子不同是由于其內(nèi)部堿基對(duì)排列順序不一樣。堿基對(duì)排列順序千變?nèi)f化使得DNA分子具有多樣性，每個(gè)特定的DNA分子都具有特定的堿基排列順序，使得DNA分子具有特異性。因此，可以根據(jù)DNA分子中蘊(yùn)含的遺傳信息對(duì)大熊貓種群數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

教師呈現(xiàn)表示不同生物或生物不同器官（細(xì)胞）的DNA分子中（A+T）（/G+C）比值的柱形圖（圖4），引導(dǎo)學(xué)生分析：1為什么豬的不同組織細(xì)胞的DNA分子堿基比例大致相同？2哪種生物中的DNA分子熱穩(wěn)定性最強(qiáng)？3假設(shè)小麥DNA分子中（A+T）/（G+C）=1.1，那么（A+G）（/T+C）是多少？

設(shè)計(jì)意圖：教師回扣情境，從學(xué)生熟悉的生物入手，設(shè)置問(wèn)題串，發(fā)展學(xué)生高階思維，使學(xué)生從習(xí)得的知識(shí)中獲得技能，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的再應(yīng)用和再遷移，實(shí)現(xiàn)教學(xué)與核心素養(yǎng)目標(biāo)的對(duì)接。

3.6作業(yè)布置，課外延伸

教師以工程坊的形式布置作業(yè)，學(xué)生自主選擇：制作模型（要求材料易得、價(jià)廉，同時(shí)能較好地展示DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)）;繪畫(huà)，用畫(huà)筆繪制一幅DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)圖（注意色彩搭配，如果獲得評(píng)價(jià)較高，將會(huì)印制在班服上，作為班級(jí)標(biāo)志）;手工制作，在網(wǎng)絡(luò)尋找視頻學(xué)習(xí)，用紙折疊或用繩子編制DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型;寫一首詩(shī)，表達(dá)你對(duì)DNA的理解。形式多樣的作業(yè)發(fā)展了學(xué)生的創(chuàng)新思維，并激發(fā)了學(xué)生的興趣。

設(shè)計(jì)意圖：課堂教學(xué)是有限的，課后學(xué)習(xí)是無(wú)限的。形式多樣的作業(yè)可以讓學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中收獲快樂(lè)，在快樂(lè)中激發(fā)求知欲，使學(xué)習(xí)從課內(nèi)走向課外，實(shí)現(xiàn)教育的時(shí)間延伸，促進(jìn)終身學(xué)習(xí)的達(dá)成。

4教學(xué)反思

教師基于真實(shí)情境提出學(xué)習(xí)任務(wù)，有利于引發(fā)學(xué)生思考，引導(dǎo)學(xué)生利用已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)參與探索新知的活動(dòng)中。基于學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)重結(jié)論、輕過(guò)程的現(xiàn)狀，教師在教學(xué)中融入科學(xué)史資料，讓學(xué)生如科學(xué)家一般去探索，優(yōu)化學(xué)習(xí)過(guò)程，透過(guò)表象，深入理解。這種學(xué)習(xí)方式加大了學(xué)生的思考空間，發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維，使學(xué)生自主建構(gòu)起相對(duì)完整的知識(shí)體系。本節(jié)課在核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)目標(biāo)引領(lǐng)下，聚焦特定的教學(xué)情境，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、對(duì)同伴制作的模型加以評(píng)價(jià)、修正，培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手能力、溝通協(xié)調(diào)能力、思辨精神和創(chuàng)新創(chuàng)造精神。教師自制簡(jiǎn)易DNA分子結(jié)構(gòu)，通過(guò)示范作用進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生探索實(shí)驗(yàn)材料、模型建構(gòu)的意識(shí)，向?qū)W生傳達(dá)“既要立足課堂，更要走向課外”的觀念，落實(shí)作業(yè)的開(kāi)放性、創(chuàng)新性，真正實(shí)現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)。

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