基于科學(xué)史構(gòu)建“DNA結(jié)構(gòu)”模型的論證式教學(xué)研究

田敏

摘 要 以“DNA 的結(jié)構(gòu)”為例，采用論證式教學(xué)模式，對(duì)相關(guān)科學(xué)史資源進(jìn)行論證，引導(dǎo)學(xué)生逐步構(gòu)建并完善DNA 的雙螺旋結(jié)構(gòu)，確立結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)觀，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

關(guān)鍵詞 科學(xué)史 ?模型與建模 ?論證式教學(xué) ??DNA 的結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào) G633.91 ???????????????????文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

高中教育階段的生物學(xué)課程是科學(xué)領(lǐng)域的重要學(xué)科課程之一?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂版）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）提出，既要讓學(xué)生獲得基礎(chǔ)的生物學(xué)知識(shí)，又要讓學(xué)生領(lǐng)悟生物學(xué)家在研究過(guò)程中所持有的觀點(diǎn)以及解決問(wèn)題的思路和方法，養(yǎng)成理性思維的習(xí)慣，形成積極的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展終身學(xué)習(xí)及創(chuàng)新實(shí)踐的能力。論證式教學(xué)作為探究式教學(xué)的一種模式，是將科學(xué)研究領(lǐng)域中論證的過(guò)程引入課堂，使學(xué)生經(jīng)歷類似科學(xué)家提出問(wèn)題，收集資料證據(jù)，得出觀點(diǎn)猜想，再進(jìn)行支持與辯駁從而得出正確結(jié)論的論證過(guò)程，以促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)概念和科學(xué)本質(zhì)，提高學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)探究的能力?？梢?jiàn)，論證式教學(xué)與《課程標(biāo)準(zhǔn)》的基本理念和改革指導(dǎo)方向高度一致。在新教材、新課標(biāo)的背景下，下面以“DNA分子的結(jié)構(gòu)”一課的教學(xué)為例，根據(jù)相關(guān)的科學(xué)史，采用論證式教學(xué)策略進(jìn)行DNA模型構(gòu)建。

1 ?教材分析

本節(jié)是選自人教版（2019年版）高中生物學(xué)《必修2·遺傳與進(jìn)化》第三章第二節(jié)。在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，學(xué)生已初步掌握核酸的組成種類及其單體的結(jié)構(gòu)等，同時(shí)在前一節(jié)課中學(xué)生也已通過(guò)格里菲斯等科學(xué)史學(xué)習(xí)得出了DNA是主要的遺傳物質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，教師可采用知識(shí)遷移方法，使學(xué)生進(jìn)一步通過(guò)對(duì)科學(xué)史的論證，深入學(xué)習(xí)DNA 的結(jié)構(gòu)。本節(jié)課也為后續(xù)學(xué)習(xí) DNA 復(fù)制、基因的本質(zhì)、基因的表達(dá)和基因工程等奠定了基礎(chǔ)，在高中生物學(xué)中有著重要的地位。

2 ?教學(xué)目標(biāo)

①通過(guò)科學(xué)史資料論證，能運(yùn)用結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)觀，解釋DNA能作為遺傳物質(zhì)的原因。

②通過(guò)科學(xué)史資料論證，運(yùn)用歸納與概括，演繹與推理、模型與建模的方法，構(gòu)建并解釋DNA 的雙螺旋結(jié)構(gòu)，形成批判性和創(chuàng)造性的科學(xué)思維。

③能基于科學(xué)史材料，運(yùn)用科學(xué)思維展開(kāi)論證，小組合作動(dòng)手建構(gòu)、完善并制作DNA雙螺旋的模型，培養(yǎng)動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

④了解科學(xué)家對(duì)DNA 結(jié)構(gòu)探究的一般過(guò)程，認(rèn)識(shí)到科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步對(duì)認(rèn)識(shí)生命科學(xué)的重要性，養(yǎng)成不懼權(quán)威的科學(xué)精神和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。

3 ?教學(xué)過(guò)程

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課

教師播放電影《長(zhǎng)津湖》的片段，使學(xué)生感受人民軍隊(duì)的愛(ài)國(guó)情懷，并提出問(wèn)題：自2014年，國(guó)家多次迎接在外烈士遺骸歸國(guó)，如何利用生物學(xué)技術(shù)確認(rèn)烈士的身份呢？為什么鑒定 DNA 可以確認(rèn)烈士身份呢？ DNA 具有怎樣的結(jié)構(gòu)才能夠儲(chǔ)存如此強(qiáng)大的遺傳信息呢？一系列的問(wèn)題引發(fā)學(xué)生思考，激起學(xué)生興趣，推測(cè)DNA儲(chǔ)存遺傳信息的功能與其結(jié)構(gòu)的關(guān)系。繼而，教師展開(kāi)本節(jié)課，使學(xué)生跟隨科學(xué)家的腳步解密 DNA 的結(jié)構(gòu)，并暗示本節(jié)課的教學(xué)思路仍然為論證式教學(xué)，為學(xué)生主動(dòng)參與課堂做好積極的準(zhǔn)備。

3.2 構(gòu)建多核苷酸鏈

DNA儲(chǔ)存遺傳信息的功能與其結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。探究DNA結(jié)構(gòu)前，教師引導(dǎo)學(xué)生先回顧必修1 中有關(guān)核酸物質(zhì)組成的內(nèi)容。教師展示科學(xué)史1 和科學(xué)史2，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建模型：先構(gòu)建DNA 的組成單位脫氧核苷酸的結(jié)構(gòu)模型;再構(gòu)建由四種所含堿基不同的脫氧核苷酸通過(guò)磷酸基團(tuán)連接起來(lái)的，每一個(gè)核苷酸的脫氧核糖與另一個(gè)核苷酸的磷酸連接在一起的多核苷酸鏈。教師提示：關(guān)于DNA 的單鏈結(jié)構(gòu)僅僅是科學(xué)家的推理分析，要進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。教師展示科學(xué)史3和富蘭克林拍攝的DNA分子X(jué)射線衍射圖譜，引導(dǎo)學(xué)生分析圖譜的特征，找出DNA并非單條鏈狀結(jié)構(gòu)的證據(jù)，得出DNA具有雙螺旋的結(jié)構(gòu)。教師從學(xué)生已知的DNA 組成成分和單體結(jié)構(gòu)切入，先構(gòu)建DNA 單體脫氧核苷酸的結(jié)構(gòu)，再構(gòu)建由脫氧核苷酸形成的單鏈 DNA結(jié)構(gòu)，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，以循序漸進(jìn)的方式展開(kāi)，更有助于培養(yǎng)學(xué)生模型與建模的科學(xué)思維（圖2）。

3.3 構(gòu)建DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)

3.3.1 探究磷酸和堿基的排列方式

教師提出問(wèn)題：磷酸和堿基作為脫氧核苷酸的兩側(cè)，在雙鏈DNA 中磷酸和堿基是如何排列的？教師展示科學(xué)史4，提出科學(xué)家當(dāng)時(shí)的猜想。教師可提問(wèn)學(xué)生對(duì)磷酸和堿基排列方式的猜想，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)構(gòu)建出其猜想的模型：一種為堿基在兩條鏈的內(nèi)側(cè);一種是磷酸在兩條鏈的內(nèi)側(cè)。教師請(qǐng)分別支持兩種不同猜想的學(xué)生代表發(fā)言表達(dá)觀點(diǎn)，再出示科學(xué)家對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的研究結(jié)果支持了堿基在內(nèi)的猜想。在細(xì)胞膜一節(jié)內(nèi)容中，學(xué)生對(duì)“磷脂分子頭部磷酸親水、尾部疏水”有一定的認(rèn)識(shí)，因而，教師可采用類比推理法引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建“磷酸在螺旋的外側(cè)構(gòu)成兩條多核苷酸鏈的骨架，堿基在螺旋內(nèi)側(cè)”，幫助學(xué)生理解“堿基在內(nèi)側(cè)，磷酸在外側(cè)”的DNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。探究磷酸和堿基的排列方式的論證過(guò)程如圖3所示。

3.3.2 探究堿基之間的配對(duì)方式

明確了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中堿基排列在內(nèi)側(cè)后，教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生探究在DNA 內(nèi)側(cè)四種堿基的配對(duì)方式。教師展示科學(xué)史5、科學(xué)史6以及四種堿基的結(jié)構(gòu)式圖片，引導(dǎo)學(xué)生從DNA 的直徑和堿基的結(jié)構(gòu)式分析，提出猜想A 與T 互補(bǔ)配對(duì)、C 與G之間互補(bǔ)配對(duì)。教師繼續(xù)展示科學(xué)史7和科學(xué)史8，支持前面提出的猜想A 與T、C與G堿基互補(bǔ)配對(duì)，并進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生得出： A 與T之間由兩個(gè)氫鍵，C與G之間由三個(gè)氫鍵連接，維系了DNA雙鏈結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。學(xué)生動(dòng)手按照堿基互補(bǔ)配對(duì)的原則修正制作的DNA模型，并用小材料作為氫鍵將兩個(gè)配對(duì)的堿基連接起來(lái)。教師利用科學(xué)史和分子結(jié)構(gòu)圖，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到物質(zhì)的含量和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了物質(zhì)間的關(guān)系（圖4）。

3.3.3 探究DNA雙鏈的方向性

教師提出問(wèn)題： DNA 由兩條鏈形成，每條鏈都有一定的方向，兩條鏈的5′端和3′端是同一方向嗎？針 對(duì)這個(gè)問(wèn)題，學(xué)生提出不同的猜想。教師出示科學(xué)史9：富蘭克林曾描述 DNA 晶體對(duì)稱特性，如果把 DNA 晶體上下顛倒，其X衍射圖譜看起來(lái)仍然是一樣的。學(xué)生根據(jù)科學(xué)史分析，得出結(jié)論DNA 的兩條鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械年P(guān)系，一條鏈?zhǔn)?′端到3′端，另一條互補(bǔ)鏈?zhǔn)?′端到5′端。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生動(dòng)手修正制作的 DNA模型，并將兩條平面的 DNA 雙鏈形成右螺旋的 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。探究DNA雙鏈方向性的論證過(guò)程如圖5所示。

教師通過(guò)一系列的科學(xué)史資料論證，積極引導(dǎo)學(xué)生去分析、討論和質(zhì)疑。在該過(guò)程中，學(xué)生根據(jù)得出的新結(jié)論不斷去修正DNA模型，不僅有助于科學(xué)思維的養(yǎng)成，而且還培養(yǎng)了科學(xué)實(shí)踐能力，真正成為了課堂的主體。

3.4 明確結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)觀

構(gòu)建完成DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)后，教師提問(wèn)：每個(gè)小組的DNA結(jié)構(gòu)是否相同？哪里不同？學(xué)生通過(guò)觀察、分析，得出：堿基對(duì)的排列順序存在差異。DNA 的堿基排列順序千變?nèi)f化，因此能夠儲(chǔ)存大量的遺傳信息，并且不同生物的堿基對(duì)排列順序也不相同。學(xué)生得出DNA 具有多樣性和特異性，從而解釋了DNA可以確定烈士遺骸身份的原因，解決了上課伊始的問(wèn)題。

4 ?教學(xué)反思

普通高中生物人教版新教材中多個(gè)單元是基于科學(xué)史展開(kāi)教學(xué)內(nèi)容?？茖W(xué)史資料為學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)和規(guī)律、建構(gòu)概念和培養(yǎng)科學(xué)思維提供了良好的素材?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》強(qiáng)調(diào)：內(nèi)容聚焦大概念，學(xué)生通過(guò)深度學(xué)習(xí)，深刻理解和應(yīng)用重要的生物學(xué)概念。本節(jié)課上，教師引導(dǎo)學(xué)生基于DNA 結(jié)構(gòu)研究的科學(xué)史資料，采用論證式的科學(xué)思維，嘗試通過(guò)假說(shuō)-演繹、資料分析來(lái)提出觀點(diǎn)猜想，尋找證據(jù)對(duì)觀點(diǎn)猜想開(kāi)展論證，再提供資料支持或推翻，不斷建立、修正，最終建構(gòu)出 DNA結(jié)構(gòu)模型，形成DNA結(jié)構(gòu)的次位概念，培養(yǎng)了學(xué)生的建模思維、論證思維和批判性思維等科學(xué)思維。

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