論科學(xué)史與情景創(chuàng)設(shè)的探究式教學(xué)

柳彩葉

【摘要】本文利用“DNA復(fù)制實(shí)驗(yàn)證據(jù)”科學(xué)史為探究背景，設(shè)計(jì)假說演繹法流程探究DNA復(fù)制機(jī)制，并通過生活實(shí)例和科技資料創(chuàng)設(shè)情景探究DNA復(fù)制的條件、過程、特點(diǎn)，最終使學(xué)生形成DNA復(fù)制的概念，多方位培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】DNA復(fù)制;科學(xué)史;探究;資料分析

一、課例分析及教學(xué)思路

DNA的復(fù)制是《遺傳與進(jìn)化》第3章第三節(jié)的內(nèi)容，這一節(jié)課涉及了DNA分子復(fù)制的推測(cè)、DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)證明和DNA分子復(fù)制的具體過程。

在學(xué)習(xí)DNA復(fù)制的理論推測(cè)和DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)證明時(shí)，先進(jìn)行沃森和克里克的DNA雙螺旋模型構(gòu)建科學(xué)史學(xué)習(xí)，再進(jìn)一步探究學(xué)習(xí)，自然激發(fā)學(xué)生探究的動(dòng)力，跟著科學(xué)家的思路思考： DNA分子是如何復(fù)制的？這是一份優(yōu)秀的科學(xué)史探究課程素材。DNA復(fù)制過程的研究體現(xiàn)了假說—演繹法的科學(xué)研究方法，在課堂上以沃森和克里克關(guān)于DNA復(fù)制推測(cè)的論文為材料背景，指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用提出假說-演繹推理-設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)-實(shí)施實(shí)驗(yàn)-得出結(jié)論，從而認(rèn)識(shí)DNA的半保留復(fù)制機(jī)理，另課程中同時(shí)運(yùn)用模型構(gòu)建模擬DNA復(fù)制的假說內(nèi)容和演繹結(jié)果，讓復(fù)雜的知識(shí)形象化，學(xué)生更容易理解深?yuàn)W的實(shí)驗(yàn)原理和結(jié)果分析。

在數(shù)字DNA分子的復(fù)制過程時(shí)，通過創(chuàng)設(shè)核酸檢測(cè)PCR擴(kuò)增技術(shù)的背景來探究DNA復(fù)制的條件，以DNA復(fù)制速度的科普資料探究DNA復(fù)制的特點(diǎn)。

通過科學(xué)史與情景創(chuàng)設(shè)的探究設(shè)計(jì)，提升學(xué)生的探究能力，并通過科學(xué)史的學(xué)習(xí)體驗(yàn)科學(xué)家對(duì)知識(shí)不斷探索的精神，全面培訓(xùn)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

二、教學(xué)過程

（一）創(chuàng)設(shè)科學(xué)資料情景，導(dǎo)入新課

展示沃森和克里克發(fā)表的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)論文中關(guān)于DNA復(fù)制的思考。引發(fā)學(xué)生思考：堿基的配對(duì)原則暗示DNA復(fù)制的可能機(jī)制是什么？而科學(xué)家用可能這一詞反映科學(xué)研究有什么特點(diǎn)？由此引出本節(jié)課的內(nèi)容。

設(shè)計(jì)意圖：自然延續(xù)上節(jié)課內(nèi)容，以科技文章創(chuàng)設(shè)背景，激發(fā)學(xué)生探究興趣，培養(yǎng)科技文章閱讀興趣，養(yǎng)成關(guān)注科學(xué)發(fā)展的習(xí)慣，并體會(huì)科學(xué)研究中大膽想象，但結(jié)論又必須建立在確鑿的證據(jù)上的求實(shí)精神。

（二）假說-演繹法探究

1.提出問題：DNA復(fù)制的機(jī)制是什么？

2.作出假說：展示沃森和沃森及科學(xué)家提出的關(guān)于DNA全保留和半保留復(fù)制的論文和圖例，引導(dǎo)讓學(xué)生提出假說：半保留復(fù)制和全保留復(fù)制，并以此分為兩組開展探究活動(dòng)。

設(shè)計(jì)意圖：以科學(xué)家的研究讓學(xué)生自然提出兩種假說，并通過分組活動(dòng)提高課堂效率。

3.演繹推理：

創(chuàng)設(shè)活動(dòng)1：讓全班學(xué)生分為兩個(gè)組，每組畫出兩種假說復(fù)制產(chǎn)生的子一代DNA和子二代DNA的DNA鏈組成，每組安排一位代表到黑板上進(jìn)行展示（用兩條紅色帶磁鐵的紙條表示DNA的母鏈，提供數(shù)條帶磁鐵的白色紙條代表新子鏈）。

設(shè)計(jì)意圖：采用模擬模型構(gòu)建系統(tǒng)，將抽象的知識(shí)更加形象化，更便于學(xué)習(xí)者掌握。

提出啟發(fā)性問題：如何用實(shí)驗(yàn)證明DNA是半保留還是全保留復(fù)制？在實(shí)驗(yàn)中跟蹤物質(zhì)的變化，可以利用哪種科學(xué)技術(shù)？引導(dǎo)學(xué)生想到同位素標(biāo)記法。

創(chuàng)設(shè)活動(dòng)2：模擬密度梯度實(shí)驗(yàn)的原理，教師將不同數(shù)目鋼釘?shù)娜N泡沫條放入裝有氯仿、水、食用油的燒杯，可觀察到燒杯中三種泡沫條分為上中下三層。

提出啟發(fā)性問題1：為什么會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象？ 跟什么有關(guān)？學(xué)生在仔細(xì)觀察后看出鋼釘數(shù)量不同導(dǎo)致分層現(xiàn)象，穿鋼釘數(shù)目較低的泡沫條處于最上層，穿鋼釘數(shù)目最高的泡沫條處于最下層，穿鋼釘數(shù)目居中的處于中間層。問題2：如果鋼釘重量就代表DNA的分子量大小，不同分子量的DNA分子如何分布？教師指出： 氯仿、水、食用油的密度依次減小，即燒杯中的液體密度從上到下依次增加，這樣就形成了密度梯度。指導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：分子量較小的DNA分子漂在密度較低的溶液上（上層），分子量較大的DNA分子飄在密度較大的溶液（下層）上，而分子量居中的會(huì)處于在中層。

老師再以科學(xué)知識(shí)解釋利用同位素技術(shù)和離心技術(shù)在試管中分辨含有不同N元素的DNA的實(shí)驗(yàn)原理。

設(shè)計(jì)意圖：通過教具模擬密度梯度離心法，讓深?yuàn)W的科學(xué)技術(shù)更加淺顯易懂。

創(chuàng)設(shè)活動(dòng)3：在學(xué)生已理解密度梯度離心技術(shù)的原理后，展示背景活動(dòng)：假設(shè)親代大腸桿菌的DNA雙鏈被15N標(biāo)記，用含14NHCl的培養(yǎng)液對(duì)大腸桿菌進(jìn)行培養(yǎng)，再提取子一代和子二代的DNA進(jìn)行梯度離心處理，請(qǐng)用橫線表示出離心后DNA分子分布在試管中的位置。學(xué)生完成后，每個(gè)組選一個(gè)代表到黑板上展示。

設(shè)計(jì)意圖：結(jié)合掌握的背景知識(shí)，演繹推理出實(shí)驗(yàn)原理，為下一步的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)提供思路和依據(jù)。

4.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

創(chuàng)設(shè)活動(dòng)四：提供以下材料：被15N標(biāo)記的大腸桿菌DNA、含14NHCl的培養(yǎng)液，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究DNA復(fù)制的方式。請(qǐng)寫出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路和預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 學(xué)生在學(xué)案中完成后，老師在希沃展示臺(tái)上展示完成情況，并做點(diǎn)評(píng)。

設(shè)計(jì)意圖：訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力及文字表達(dá)的規(guī)范化。

5.實(shí)施實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證假說

課件展示實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證假說。

6.得出結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與半保留復(fù)制假說的內(nèi)容符合，師生共同得出結(jié)論：DNA是半保留的方式進(jìn)行復(fù)制。

7.進(jìn)一步探究

引導(dǎo)學(xué)生提出下一問題：DAN復(fù)制需要什么條件？有什么特點(diǎn)？過渡下一個(gè)內(nèi)容。

設(shè)計(jì)意圖：把復(fù)雜的科學(xué)史作為探究背景材料，引導(dǎo)學(xué)生用假說演繹法，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步運(yùn)用探究實(shí)驗(yàn)程序得出結(jié)論，讓學(xué)生領(lǐng)悟假說演繹法的科學(xué)研究方法的應(yīng)用和生物學(xué)的實(shí)證要求特點(diǎn)

（三）DNA的復(fù)制

1.創(chuàng)設(shè)生活情景探究DNA復(fù)制的條件

資料一：以某病毒核酸檢測(cè)為情景，通過核酸檢測(cè)的原理視頻，展示包含病毒樣本（咽、鼻拭子）（下轉(zhuǎn)第頁）（上接第頁）經(jīng)裂解提純后得到病毒RNA，經(jīng)逆轉(zhuǎn)錄獲得cDNA，再經(jīng)PCR體外擴(kuò)增得到大量DNA，而后進(jìn)行DNA探針熒光檢測(cè)的過程。并展示了核酸檢測(cè)試劑盒中的四種成分（4種游離的脫氧核苷酸、緩沖體系、DNA聚合酶）和PCR反應(yīng)流程（變形、退火、延伸），讓學(xué)生由此概括細(xì)胞中DNA分子復(fù)制的條件：原料、模板、酶。

設(shè)計(jì)意圖：通過熱門生活實(shí)例，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)心生物科技與生活的聯(lián)系，提升社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

資料二：展示關(guān)于DNA體外復(fù)制時(shí)需要添加少量DNA引子和ATP能量原料才能復(fù)制的科學(xué)實(shí)驗(yàn)材料，引導(dǎo)學(xué)生思考DNA復(fù)制的條件：除了原料、模板、酶，還需要ATP提供能量和引子。

2.創(chuàng)設(shè)資料背景探究DNA復(fù)制的特點(diǎn)

展示資料1：DNA完全解旋需要7小時(shí)，再加入原料合成子代需要8小時(shí)，但如果條件齊備，完成復(fù)制只需要7.5小時(shí)。展示資料2：人類腫瘤細(xì)胞DNA復(fù)制的時(shí)間資料。引導(dǎo)學(xué)生明白多起點(diǎn)復(fù)制的特點(diǎn)，通過兩則資料，得出結(jié)論：DNA是邊解旋邊復(fù)制、多起點(diǎn)復(fù)制的特點(diǎn)。

3.以DNA復(fù)制的動(dòng)畫，驗(yàn)證分析的結(jié)論

播放DNA復(fù)制的動(dòng)畫，師生一起總結(jié)DNA復(fù)制的三大步驟：解旋-合成子鏈-復(fù)旋。

（四）歸納總結(jié)，形成概念

通過實(shí)驗(yàn)探究、資料分析、動(dòng)畫展示，學(xué)生已經(jīng)掌握了DNA復(fù)制的機(jī)制、DNA復(fù)制的條件、DNA復(fù)制的過程和特點(diǎn)。此時(shí)引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)DNA復(fù)制的概念。并利用已學(xué)知識(shí)，結(jié)合細(xì)胞分裂、細(xì)胞結(jié)構(gòu)，對(duì)DNA復(fù)制知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理和總結(jié)，表格中列出：復(fù)制的時(shí)期、場(chǎng)所、基本條件、過程、準(zhǔn)確性的原因、準(zhǔn)確復(fù)制的意義。學(xué)生們通過表格歸納填寫。

最后，老師再重新梳理本節(jié)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生歸納DNA復(fù)制的概念。

設(shè)計(jì)意圖：通過圖表，培養(yǎng)學(xué)生的歸納能力，同時(shí)構(gòu)建了DNA復(fù)制的概念。

三、教學(xué)反思

（一）本節(jié)課利用DNA復(fù)制的科學(xué)史作為探究實(shí)驗(yàn)的背景材料，以探究式學(xué)習(xí)過程，結(jié)合模擬模型構(gòu)建，用教具實(shí)驗(yàn)?zāi)M復(fù)雜科學(xué)實(shí)驗(yàn)的原理，學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等方式讓探究性學(xué)習(xí)過程更加真實(shí)和有意義，而不是停留在探究流程，讓科學(xué)探究能力真實(shí)內(nèi)化到學(xué)生的科學(xué)思維中，落實(shí)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)關(guān)鍵。

（二）通過對(duì)科學(xué)史的學(xué)習(xí)，使學(xué)生感受科學(xué)家們勇于提出質(zhì)疑，但也追求確鑿實(shí)驗(yàn)證據(jù)上的求實(shí)精神，培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)中的社會(huì)責(zé)任精神。

（三）通過資料層層構(gòu)建DNA復(fù)制的概念，有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的深入理解和應(yīng)用，同時(shí)有利于發(fā)展學(xué)生的生命觀念。

（四）以核酸檢測(cè)作為資料材料，科學(xué)進(jìn)步與生活息息相關(guān)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)生物學(xué)習(xí)與社會(huì)發(fā)展的密切關(guān)系，是生物學(xué)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要內(nèi)容。

【本文系廣東省教育科學(xué)規(guī)劃課題“核心素養(yǎng)導(dǎo)向的高中生物實(shí)驗(yàn)探究式學(xué)習(xí)研究”（課題批準(zhǔn)號(hào)2019YQJK317）資助】

參考文獻(xiàn)：

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[2]劉本舉.“DNA的復(fù)制”基于科學(xué)史探究的教學(xué)[J].生物學(xué)教學(xué)， 2008（3）：3.