基于探究性學習的生物學史翻轉課堂教學設計
——以人教版高中生物必修二《DNA分子的結構》為例

顧 勇

(湖北師范大學 生命科學學院，湖北 黃石 435002)

1 問題的提出

探究性學習理念和翻轉課堂教學模式都強調教學中學生的主體作用和主觀能動性，因此，相較于傳統(tǒng)課堂教學模式而言，翻轉課堂教學模式能夠為學生探究性學習提供更好的平臺，使教學的時間和空間得到更加充分的利用，從而極大提高教學效率[1]。高中生物課程中，生物學史方面的內容占有相當的比例，是培養(yǎng)學生生物學科核心素養(yǎng)的重要載體。從形式和內容來看，基于探究性學習的翻轉課堂教學模式非常適合生物學內容的教學，生物學史中科學家發(fā)現(xiàn)知識的過程，能有效啟迪學生“形成科學思維的習慣， ……掌握科學探究的思路和方法，形成合作精神”[2]。而要實現(xiàn)啟迪學生形成核心素養(yǎng)的有效性，必須有貼近學生、可操作的教學設計。教學設計的目的是提高教學效果，促進學生學習。探究基于探究性學習的生物學史翻轉課堂教學設計的特點，對于課程實施來說，有其獨特意義。

2 生物學史翻轉課堂教學設計

2.1 教學目標

從以下四點培養(yǎng)學生的生物學科核心素養(yǎng)：

1)通過DNA分子雙螺旋結構模型的構建過程，能說出DNA分子雙螺旋結構特點。

2)通過DNA分子雙螺旋結構模型的構建過程，初步掌握模型構建的方法在生物科學研究中的應用，培養(yǎng)思維的邏輯性和嚴謹性。

3)DNA分子結構的發(fā)現(xiàn)史是不同領域科學家共同努力的結果，通過分析成功或失敗的原因，促使學生體會科學家們的科學態(tài)度和科學精神。

4)從分子層面領悟生命的物質性。

2.2 教學重難點

DNA分子結構模型構建的過程反映了科學家們研究的執(zhí)著艱辛、創(chuàng)造性思維，也是知識的形成過程，應是教學的重點。分析科學家成功或失敗的原因，促使學生體會并學習科學家們的科學態(tài)度和科學精神，是生物學科核心素養(yǎng)的要求，應是本節(jié)教學的難點。

2.3 課前線上PPT的設計

教師設計制作的PPT、微視頻是學生自主學習的依據，教師設計的學習任務單是學生學習的指揮棒，對學生課前線上學習的設計是基于探究性學習的生物學史翻轉課堂教學設計的重中之重。

PPT主要展示構建DNA分子雙螺旋結構模型的生物學史實[3，4]，《DNA分子的結構》[5]一節(jié)的生物學史實主要有兩個部分。

2.3.1 DNA雙螺旋結構模型的建立 1953年4月25日，W．D．沃森(James D．Watson，1928-)和F．克里克(Francis Crick，1916-)合作研究的DNA雙螺旋模型在著名的《自然》雜志上發(fā)表。這個模型解釋了一直以來困擾人們的很多問題，告訴人們DNA分子在細胞分裂時能夠自我復制，完美地解釋了生命體要繁衍后代，物種要保持穩(wěn)定，細胞內必須有遺傳屬性和復制能力的機制。DNA雙螺旋模型的誕生是生物學發(fā)展史上的一座豐碑，被視為分子生物學誕生的標志。

大學畢業(yè)后，沃森隨信息學派的主要干將盧利亞學習噬菌體遺傳學。在研究中，他逐步認識到要真正了解基因作用的具體方式和途徑，就必須深入了解基因的結構。1951年，他聽了威爾金斯關于DNA晶體X光衍射分析的報告，決定去從事DNA結構的研究?？死锟怂季S敏捷、 談鋒尖銳，對傳統(tǒng)科學的思想、概念及方法常常進行無情的抨擊。1951年春，沃森和克里克在劍橋大學相互結識了，于是開始了生物學史上最激動人心的合作。盡管兩人經歷不盡相同，一位是遺傳學家，注重研究遺傳信息及其物質載體，一位是物理學家，注重生物大分子結構的研究，而且他們在年齡上也相差十幾歲，但卻相處和合作得很好。人們在推測他們成功合作的原因時認為，可能兩人都受到薛定諤思想的影響?！渡鞘裁础返挠绊?，在知識上存在互補之處，都看重核酸是遺傳物質，都認識到了解DNA的結構是解開遺傳之謎的關鍵。另外，他們在研究思路和方法上也有相同之處，他們確信，通過建立模型才能了解DNA的結構。

50年代初，科學界已經認識到，脫氧核糖核酸(DNA)由四種堿基(A和G兩種嘌呤，以及T和C兩種嘧啶)和脫氧核糖及磷酸根組成，多個脫氧核苷酸由糖——磷酯鏈連成DNA。威爾金斯和弗蘭克林對于DNA晶體的X光衍射分析表明，DNA由許多小單位疊合而成，單位與單位之間的距離是3.4?，整個DNA是個長鏈高分子，DNA分子的結構是規(guī)則的。這些是沃森和克里克最初構建DNA結構模型的知識基礎。那么，構建DNA結構模型重要的工作便是設想DNA的空間結構及脫氧核苷酸排列和連接的方式。

沃森和克里克于1951年底建立了DNA三鏈模型，其特征是：三條鏈，堿基在外側，糖——磷酸主鏈在內側，呈螺旋狀。弗蘭克林等人看了這個模型以后發(fā)現(xiàn)與DNA的水含量不符，因而否定這個模型。弗蘭克林還提出糖——磷酸主鏈在外側、堿基在內側的重要假設。

第一個模型失敗后，沃森和克里克都暫時離開了這項工作，但他們仍然很關心DNA的結構，他們積極查閱文獻，與其他學者廣泛磋商，密切注意DNA晶體X光衍射研究的進展。他們從格里菲斯(J.Griffith)那里了解到，并不是相同的堿基(嘌呤與嘌呤，嘧啶與嘧啶)相互吸引，而是不同的堿基(嘌呤與嘧啶)相互吸引。他們又從生物化學家查伽夫(E．Chargaff)那里了解到，DNA的四種堿基并不相等，而是〔A〕=〔T〕，〔G〕=〔C〕.沃森和克里克馬上想到DNA結構中的堿基應該是互補配對的。這些新結論的出現(xiàn)，讓沃森和克里克對構建DNA結構模型有了新的沖動。1952年5月以后，他們又開始了DNA結構模型的構建工作。

他們采用了美國化學家鮑林(L.Pauling)的方法：先從理論上考慮可能存在的各種DNA結構模型，然后再利用DNA晶體的X光衍射分析的資料加以對比和修改。1952年冬天，他們了解到鮑林不久也有可能建立一個DNA結構模型，于是加快了研究速度。1953年2月，沃森和克里克再一次到威爾金斯那里了解和分析DNA晶體X光衍射分析的資料。他們發(fā)現(xiàn)DNA生物大分子有可能是雙鏈的，于是他們又開始嘗試建立DNA雙鏈螺旋模型。美國化學家多諾林(J．Donohune)指出了堿基之間氫鍵的連接方式，在此啟發(fā)下，他們修改了過去的一些做法。1953年2月20日，完成了DNA雙螺旋模型的構建。

在DNA雙螺旋模型發(fā)表后的一個月，沃森和克里克又提出了DNA分子的遺傳特性。他們設想DNA大分子中的堿基順序具有攜帶遺傳信息的特性，復制時，DNA的兩條鏈斷開，每條鏈都可以作為模板，合成新的DNA分子。1956年，科恩伯格(A．Kornberg)進行了DNA復制的離體實驗，并發(fā)現(xiàn)了催化DNA合成的DNA多聚酶。1958年，梅塞爾森(M．Mselson)等人利用氮標記手段證實了DNA分子的互補性和復制的半保留性，這個實驗是沃森和克里克DNA雙螺旋模型的判決性實驗。泰勒(J.H.Taylor)利用氘標記手段研究了DNA的復制。以上實驗都證實了沃森和克里克提出的DNA雙螺旋模型及其遺傳特性的思想是正確的。

2.3.2 DNA雙螺旋結構模型構建的花絮 在雙螺旋的競賽剛開始時，沃森和克里克遠遠落后于他們的競爭者——富蘭克林和威爾金斯，以及大化學家鮑林，但他們?yōu)楹斡趾髞砭由狭四?鮑林解決問題的方法是錯誤的，而富蘭克林和威爾金斯的組合則是由于個人性格間的不相容性而分裂了，無法有效交流和開展工作。沃森和克里克知識上互補，解決問題的方法是一致的，相互交流是暢通的。同樣重要的是，他們處于一個富有活力、消息靈通的中心，從這里他們能及時獲得新的、有價值的各種數據、觀念、結論和方法。他們共同地或分別地以批判的眼光吸取同事們或者來訪者例如威爾金斯和查伽夫的思想，他們沒有得到富蘭克林的同意就利用了她的X射線結晶學數據。最后當他們把查伽夫堿基比的數據同堿基化學的基本知識結合在一起，就能在大約三個星期內建造出合理的、令人激動的DNA雙螺旋模型。

1951年，富蘭克林(Rosalind Franklin1920～1958)在倫敦國王學院取得了一個職位。其時，人們已經知道了DNA可能是遺傳物質，但是對于DNA的結構及作用機制還不甚了解。富蘭克林在相當不友善的環(huán)境中加入了研究DNA結構的行列。她的同事威爾金斯不喜歡她進入自己的研究領域，雖然他在研究上離不開她，但是他僅僅把富蘭克林看作實驗的副手，沒有給予其應有的尊重。這讓極具科學天賦的富蘭克林非常不開心，兩人的私交惡劣到幾乎不講話。而且，當時的科學界對女科學家的歧視處處存在，她們無形中被排除在科學家間的聯(lián)系網絡之外，很難及時了解到新的研究動態(tài)、及時與他人交換新理念。富蘭克林成功地拍攝了DNA晶體的X射線衍射照片，為雙螺旋結構的建立起到了決定性作用。在1953年2月底，富蘭克林在日記中寫道，DNA具有兩條鏈的結構。這時她已經確認這個生物分子具有兩種形式，鏈外面有磷酸根基團。在沒有征得富蘭克林同意甚至在其毫不知情的情況下，威爾金斯將其拍攝的X射線衍射照片告知了沃森和克里克。1953年3月17日，當富蘭克林將研究結果整理成文打算發(fā)表時，發(fā)現(xiàn)沃森和克里克破解DNA結構的消息已經出現(xiàn)在新聞簡報中。

“科學玫瑰”最終沒等到分享發(fā)現(xiàn)的榮耀，她在三十八歲時去世，既不知道諾貝爾獎被頒授給發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結構的人，也不知道她的圖片和數據是如何被沃森和克里克所利用。我們應該從富蘭克林的不幸中吸取什么教訓呢？

1953年，沃森和克里克都名不見經傳，克里克甚至連博士學位都沒得到。在前人的影響下，他們一度按照3股螺旋的思路進行了很長時間的工作，可是怎么也構建不出合理的模型，工作陷于僵局，難以為繼。在發(fā)現(xiàn)正確的雙股螺旋結構前2個月，他們看到蛋白質結構權威鮑林一篇即將發(fā)表的關于DNA結構的論文，鮑林錯誤地確定為3股螺旋。沃森在知道鮑林提出的是三螺旋模型的一剎那，也曾后悔幾個月前放棄了自己按三螺旋思路進行的工作。但冷靜過后，兩位年輕科學家對權威沒有無原則的屈服，經過認真分析考慮，他們毅然否定了鮑林的觀點。正確的方向一旦確立，在深厚的科學功底和嚴肅認真的實驗工作基礎上，他們終于在不到兩個月的時間內取得了震驚科學界的成果。

2.4 微視頻設計

微視頻不同于PPT，主要展示不便于用PPT展示的內容，強調動態(tài)效果和生動、針對性的解說，提高展示效率和效果。

《DNA分子的結構》一節(jié)的學習任務單設計如下：

用于展示DNA晶體的X射線衍射照片、沃森和克里克歷次構建的模型圖、DNA雙螺旋模型圖，引導學生觀察、分析、判斷、結論。同時，生動地介紹在構建DNA分子結構模型過程中做出重要貢獻的科學家，包括他們的肖像及出生去世年月、國籍、簡歷、研究領域、成就，以及在構建DNA分子結構模型中的具體表現(xiàn)。

2.5 學習任務單設計

學習任務單既引領學生學習，也是學生對學習效果自主檢測的標準。學習任務單的設計既要依據培養(yǎng)學生生物學科核心素養(yǎng)這個高中生物課程目標，也要依據教材和教師提供的課程資源。在難度上，要讓大約70%的學生在認真的基礎上順利完成。

《DNA分子的結構》一節(jié)的學習任務單設計如下：

1)查閱資料，按照下列格式列表，以完整反映DNA雙螺旋模型建立的歷史事實。

科學家年份成就對模型構建的意義查伽夫(E.Chargaff)1952年指出DNA的四種堿基并不相等,而是〔A〕=〔T〕,〔G〕=〔C〕使沃森和克里克認識到DNA結構中的堿基應該是互補配對的……………………

2) 描述沃森和克里克成功前構建的幾個DNA分子結構模型，這些模型為何被否定？

3)準確簡述DNA分子雙螺旋結構模型的特點，DNA分子雙螺旋結構模型的生物學意義是什么？

4)依據史實分析沃森和克里克成功的原因。你認為在他們身上體現(xiàn)了科學家的哪些優(yōu)秀品質？

5)女科學家富蘭克林為DNA分子雙螺旋結構模型做出了不可磨滅的貢獻，她曾經離成功很近，但還是被他人捷足先登，在替她惋惜的同時，你覺得是什么限制了她在這方面的成功？

2.6 對課中學習的設計

課中學習是在學生課前學習的基礎上，引導學生進行小組學習，在學生展示觀點的基礎上，教師要對學生學習展開點評，同時進行啟發(fā)式講解，再引導學生自主學習，將知識內化、逐步生成學科核心素養(yǎng)的過程。

基于探究性學習的生物學史翻轉課堂的課中學習可以設計如下：

1)學習小組討論評判每個同學個性化學習的成果(完成的學習任務單)。不同小組的代表展示團隊學習成果(共識)；個人展示不同于團隊的觀點。

2)教師贊許團隊和個人學習的成果，對缺陷、錯誤進行啟發(fā)式講解，通過點評對一些似是而非的觀點進行引導。

3)對未充分掌握的知識點，學生繼續(xù)開展個性化學習和團隊學習，加強內化過程。

4)課堂檢測與總結性點評。

2.7 對課后學習的設計

課后學習是課前學習、課中學習的補充和深化，是對課程學習的鞏固提高。不能要求學生統(tǒng)一學習，主要限于學生之間、師生間的個別交流。

基于探究性學習的生物學史翻轉課堂的課后學習重在交流科學家們的思維方法、成功原因，以及對生物學史類內容的學習方法。

3 討論

3.1 相關科學史實必須清楚、準確、權威、全面

在沃森和克里克建立DNA雙螺旋模型的過程中，他們從很多科學家那里得到啟發(fā)和幫助，特別是被稱為“科學玫瑰”的女科學家富蘭克林的貢獻毋庸置疑：她分辨出了DNA的兩種構型，并成功地拍攝了它的X射線衍射照片。沃森和克里克未經她的許可使用了這張關鍵照片。沃森在1968年出版的《雙螺旋》一書中坦承，“Franklin沒有直接給我們她的數據”；而克里克在很多年后也承認，“她離真相只有兩步”。富蘭克林沒能分享發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結構的殊榮，但是人們認為她非常有資格分享，而對擅自將富蘭克林拍攝的DNAX射線衍射照片提供給沃森和克里克的威爾金斯是否有資格分享這份殊榮， 科學界存在很大爭議。教材中對這部分史實沒有較好呈現(xiàn)。厘清史實，既是對科學史和科學家的尊重，也能使學生更好了解知識產生的過程，啟發(fā)學生思考。

3.2 學習任務單要反映培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)的要求

“著眼于學生適應未來社會發(fā)展和個人生活的需要，從生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任等方面發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)，充分體現(xiàn)本課程的學科特點和育人價值”[2]是高中生物課程的設計宗旨和實施中的基本要求。學習任務單是教師引導學生自主學習的指揮棒，緊緊圍繞教學目標來設計學習任務單，是教師發(fā)揮主導作用的必由之路。通過學習生物科學史，在了解知識產生、發(fā)展的同時，分析科學家們成敗的原因，學習他們的科學態(tài)度和科學精神，也是在生物課程中進行課程思政的極好途徑，是培育學生生物學科核心素養(yǎng)的必然要求。

3.3 教學設計要充分尊重教師主導作用和學生主體地位

課前學習的PPT、微視頻、學習任務單，是教師發(fā)揮主導作用引導學生自主學習的指揮棒，要極度重視。對于課中學生的個性化學習、學習小組的團隊學習過程，以及團隊學習成果的展示、學生個人不同于團隊觀點的展示，教師必須肯定團隊和個人學習心得，使學生有成就感，而對其中的知識缺陷、似是而非的觀點甚至錯誤則要加強啟發(fā)性講解。尤其要加強知識的內化過程，如站在科學家的角度思考問題，并用語言對科學家成敗原因進行針對性分析。