指向科學思維培養(yǎng)的高中生物學教學設計

江楹華|江西省贛州市第一中學

鄒茂春|江西省會昌中學

當前，高中生物學教學中“傳遞—接受”式教學模式較為普遍，過于重視知識技能傳授和結論的獲取，忽視過程的探索和科學方法的教育。學生處于被動接受狀態(tài)，對知識的內(nèi)化效果不佳，更談不上分析問題、解決問題等科學思維能力的培養(yǎng)。這與《普通高中生物學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》指出的發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)、充分體現(xiàn)課程的學科特點和育人價值不符。下面，筆者以科學思維培養(yǎng)為指向，對人教版普通高中教科書《生物學》必修2第3章第2節(jié)《DNA的結構》進行教學設計。

一、教學內(nèi)容研究和教學目標分析

《DNA 的結構》一節(jié)由“DNA 雙螺旋結構模型的構建”和“DNA 的結構”兩部分構成，為DNA 復制、基因指導蛋白質(zhì)合成、基因突變、基因工程、PCR 技術等內(nèi)容打下知識基礎。DNA 獨特的雙螺旋結構是生物多樣性、特異性以及物種穩(wěn)定性的前提，但對脫氧核苷酸是如何組成DNA分子的，學生沒有直觀的認識，所以這節(jié)課重點應落在DNA分子的雙螺旋結構模型的構建上，以此突破DNA 分子結構的學習，達成以下教學目標：（1）概述DNA 分子結構的基本要點和特點；（2）嘗試利用教師提供的線索，制作DNA 雙螺旋結構模型；（3）在模型構建過程中發(fā)展科學思維，體驗模型構建在生物學研究中的作用。

二、教學思路

新課標理念下的高中生物學教學，既要在面向全體學生的基礎上，重視探究性學習和知識的獲得過程，培養(yǎng)學生的動手能力，又要注重培養(yǎng)學生的科學思維、科學方法和科學精神?；诖耍P者確定了這節(jié)課的教學思路（1課時完成）。

【情境導入】以刑偵手段中的DNA指紋技術為情境，導入課堂。

【提出課題】DNA分子的結構。

【分析資料線索，構建DNA 的結構模型】重溫沃森和克里克曲折的探究歷程：（1）通過線索1 得出DNA 的組成單位（學生已有知識）；（2）通過線索2得出脫氧核苷酸連接成長鏈（學生已有知識，學生活動1）；（3）通過線索3得出脫氧核苷酸長鏈呈螺旋狀，提出可能的雙鏈模型；（4）通過線索4否定模型一（堿基位于螺旋結構外部）；（5）通過線索5否定模型二（堿基位于螺旋結構內(nèi)部，相同堿基配對）；（6）通過線索6，構建脫氧核苷酸的雙鏈模型，展示模型三、模型四（學生活動2）；（7）通過線索7否定模型三（兩條脫氧核苷酸鏈正向排列）；（8）小結探究歷程，構建DNA雙螺旋結構模型（學生活動3）。

【DNA 的結構】（1）根據(jù)構建的模型，分析DNA 的結構；（2）根據(jù)DNA 的結構，提出DNA的特性——穩(wěn)定性、多樣性和特異性，由DNA特異性解釋導入環(huán)節(jié)中提到的DNA指紋技術可以確認罪犯的原因。

【課堂小結和練習】DNA 的結構模型構建；DNA 的結構和特性。

三、教學過程

課前準備多媒體課件（其二維碼詳見圖1），卡紙剪出脫氧核糖、磷酸和含氮堿基等模型構件若干。

圖1 多媒體課件二維碼

（一）情境導入，激發(fā)興趣

師：（展示圖片，創(chuàng)設情境）我們經(jīng)常在影視劇中看到公安刑警在犯罪現(xiàn)場采集血液或者頭發(fā)等證據(jù)，這有何目的？

（學生應能說出：這是為了獲得兇手的細胞DNA，進行DNA鑒定和比對，找出兇手）

師：（提出DNA 指紋技術，展示DNA 指紋圖，引導學生確認兇手，然后設置懸念，引出新課的學習）為什么通過DNA 鑒定與比對能確認兇手？這與DNA的結構有什么關系？

設計意圖：創(chuàng)設情境，激發(fā)學生的學習興趣，引出課題“DNA 的結構”；提示“線索—結論”的科學思維在學習中的重要性。

（二）DNA雙螺旋結構模型的構建

師：讓我們跟著DNA 結構模型的構建者——美國生物學家沃森和英國物理學家克里克，一起重溫那段曲折的探究歷程。

1.構建脫氧核苷酸單鏈模型

師：（提出線索1）20 世紀30 年代，科學家認識到組成DNA分子的基本單位是脫氧核苷酸。［展示脫氧核苷酸的卡紙模型］

（學生應能根據(jù)線索1，回答脫氧核苷酸的分子組成以及脫氧核苷酸的種類）

師：脫氧核苷酸如何形成DNA 分子呢？（提出線索2）1951年，波林發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的長鏈結構。（啟發(fā)學生）DNA 是由多個脫氧核苷酸脫水縮合連接而成的長鏈。（引導學生開展活動1）用給定材料構建一條脫氧核苷酸長鏈。

（學生應能回憶出已有知識，并用給定材料構建一條脫氧核苷酸長鏈模型）

設計意圖：引導學生回顧所學知識，掌握脫氧核苷酸通過脫水縮合形成3′-5′磷酸二酯鍵的方式連接成核苷酸長鏈。

2.感受DNA的螺旋結構

師：脫氧核苷酸長鏈呈怎樣的空間結構呢？（提出線索3）1951 年，英國科學家威爾金斯和富蘭克林提供了DNA 的X 射線衍射圖譜，表明DNA 分子呈螺旋狀結構。用激光筆和彈簧進行課堂小實驗（微信掃描圖1獲取實驗視頻）。

設計意圖：通過課堂演示小實驗，讓學生感受、認同DNA呈螺旋結構。

3.構建脫氧核苷酸雙鏈模型

師：脫氧核苷酸的單鏈和三鏈結構不夠穩(wěn)定，那么其雙鏈模型有無可能？

（學生應能提出一些可能的雙鏈模型）

師：（展示模型一，提出線索4）DNA 在細胞內(nèi)始終處于水環(huán)境中，而堿基疏水，脫氧核糖和磷酸親水。

（學生應能根據(jù)線索4，否定模型一，并說明原因）

師：（展示模型二，提出線索5）嘧啶是單環(huán)化合物，體積??；嘌呤是雙環(huán)化合物，體積大。研究發(fā)現(xiàn)DNA有固定直徑。

（學生應能根據(jù)線索5，否定模型二，并說明原因）

師：（提出線索6）奧地利著名生物化學家查哥夫研究得出：腺嘌呤（A）的量總是等于胸腺嘧啶（T）的量（A=T），鳥嘌呤（G）的量總是等于胞嘧啶（C）的量（G=C）。

（學生應能小組合作完成活動2“用給定材料構建脫氧核苷酸雙鏈結構模型”，派小組代表展示模型三和模型四，說明構建的依據(jù)，并對模型三和模型四產(chǎn)生爭議）

師：（提出線索7）一個堿基上的H 原子和與之配對的堿基上的電負性強的N 原子或O原子之間存在一定的吸引力，形成氫鍵。［展示堿基互補配對圖］

（學生應能據(jù)圖說出堿基互補配對形成氫鍵的機理，說出模型四兩條脫氧核苷酸鏈反向排列時堿基A 與堿基T、堿基C 與堿基G 能牢固形成氫鍵。如果兩條脫氧核苷酸鏈正向排列，堿基C 與堿基G 之間不能形成較多的氫鍵，就會造成結構不穩(wěn)定，以此否定模型三）

設計意圖：引出DNA雙鏈結構，啟發(fā)學生思考可能的模型類型，并根據(jù)教師提出的線索質(zhì)疑、修正模型，使其在批判、爭論和修正過程中培養(yǎng)分析問題、解決問題的能力，發(fā)展科學思維，在動手構建模型中培養(yǎng)動手操作能力。

4.構建DNA雙螺旋結構模型

師：兩條脫氧核苷酸鏈反向排列，才能完美地形成氫鍵，牢固地結合在一起，正因為如此，DNA 分子才呈現(xiàn)出雙螺旋結構。［小結沃森和克里克的研究，引導學生認同科學研究的曲折和艱辛，完成活動3“DNA 雙螺旋結構模型的制作”］

（學生應能說出：將脫氧核苷酸雙鏈模型扭轉(zhuǎn)一定角度，即可完成雙螺旋結構模型的構建，但由于各組脫氧核苷酸雙鏈模型不夠長，扭轉(zhuǎn)效果不好。在教師提示下，學生應能進一步說出：可以將全班同學的模型連接在一起，然后進行扭轉(zhuǎn)操作）

設計意圖：激發(fā)學生積極思考、樂于合作的意識。

（三）DNA的結構

［教師展示DNA雙螺旋結構模型］

（學生應能說出DNA 分子結構的要點：DNA 分子是由兩條反向平行的脫氧核苷酸鏈形成的雙螺旋結構；親水磷酸和脫氧核糖交替連接排在外側(cè)，形成基本骨架；疏水堿基通過氫鍵相連排在內(nèi)側(cè)。然后由此提出DNA分子結構具有穩(wěn)定性）

師：為什么通過DNA 的鑒定與比對能確認兇手？這與DNA的結構有什么關系呢？

（學生應能說出：DNA 分子堿基對排列順序千變?nèi)f化，能儲存大量的遺傳信息，即DNA分子具有多樣性；每種DNA 分子都有區(qū)別于其他DNA 分子的特定的堿基排列順序，即DNA分子具有特異性）

設計意圖：根據(jù)DNA分子的結構模型，歸納DNA 分子的結構要點和特性，培養(yǎng)學生的語言表達能力；引導學生利用所學知識來解釋“科學·技術·社會”問題，落實學科核心素養(yǎng)的培育。

四、教學反思

在對上述教學設計進行實踐后，筆者有以下幾點反思。

成功點：（1）教學過程中充分發(fā)揮了多媒體的功能，使知識更加生動、便于理解；（2）將眾多的科學史以線索串的方式呈現(xiàn)，層層遞進，引導學生分析并自主構建DNA 的結構模型，達到了使學生“知其然，亦知其所以然”的效果；（3）學生通過構建實物模型，加深了對DNA結構要點和特性的理解。

不足點：受材料的限制，卡紙構建的DNA模型未能很好地表示單個脫氧核苷酸的空間結構。

感悟：課堂不是教師的一言堂，學生的每一個觀點都應受到尊重，每一點努力都應受到賞識。教師要始終體現(xiàn)學生的主體地位，關注每一個學生的發(fā)展，注重學生對知識的獲取過程，注重培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的思維習慣和能力，注重培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度、敢于創(chuàng)新與合作的精神?？傊茖W思維的培養(yǎng)比科學知識的學習更加重要。□◢