基于科學(xué)史的論證式教學(xué)設(shè)計

呂茜

摘 要 以科學(xué)史為依托，以“CER模型”為論證體系對“DNA分子的結(jié)構(gòu)”進(jìn)行探索；融入“模型建構(gòu)”的方法，為學(xué)生提供思維載體，促進(jìn)科學(xué)思維的發(fā)展，進(jìn)一步明確遺傳信息的本質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生結(jié)構(gòu)與功能觀、信息觀等生命觀念的形成和發(fā)展。

關(guān)鍵詞 論證式教學(xué) 科學(xué)史 模型建構(gòu)

中圖分類號 Ｇ633. 91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

1 教學(xué)分析和設(shè)計思路

本節(jié)教學(xué)內(nèi)容選自人教版生物學(xué)《必修2·遺傳與進(jìn)化》第三章第二節(jié)， 《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》明確指出其對應(yīng)的次位概念為：概述DNA分子是由四種脫氧核苷酸構(gòu)成，通常由兩條堿基互補配對的反向平行長鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。結(jié)合上位的重要概念和大概念（圖1），進(jìn)一步確定如下教學(xué)目標(biāo)：學(xué)生通過掌握DNA分子的結(jié)構(gòu)進(jìn)而理解遺傳信息的本質(zhì)。教材提供的科學(xué)史和模型制作活動為學(xué)生全面理解DNA分子結(jié)構(gòu)探索歷程，以及發(fā)展科學(xué)思維提供了良好的教學(xué)資源和思路，為明晰DNA分子結(jié)構(gòu)、理解DNA復(fù)制和基因的表達(dá)等奠定了基礎(chǔ)。從知識和能力角度分析學(xué)生的學(xué)習(xí)難點主要包括：① DNA分子結(jié)構(gòu)屬于抽象的微觀結(jié)構(gòu)，學(xué)生難以理解其內(nèi)涵。② 高一學(xué)生缺乏有機化學(xué)基礎(chǔ)知識，難以理解有機大分子的結(jié)構(gòu)。③ DNA分子結(jié)構(gòu)涉及多學(xué)科內(nèi)容的融合，難度較大，對學(xué)生的思維要求較高。

針對學(xué)生的認(rèn)知和思維障礙，結(jié)合發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)要求，本節(jié)課使用“論證式教學(xué)”方法主導(dǎo)教學(xué)過程的推進(jìn)，以包含證據(jù)（Evidence）、推理（Reasoning）和主張（Claim）三個核心要素，同時融入“補充或修正”模塊形成的“CER”復(fù)合模型（圖2）作為本節(jié)課的科學(xué)論證模型。教師在合理拓展科學(xué)史資料的基礎(chǔ)上，以問題串形式構(gòu)建主脈絡(luò)，引導(dǎo)學(xué)生通過科學(xué)論證層層深入，逐步解決DNA分子結(jié)構(gòu)探索過程中的諸多問題：① DNA分子的基本單位是什么？② DNA中的脫氧核苷酸如何相連？③ 如何確定DNA中脫氧核苷酸鏈的數(shù)量？④ 如何確定脫氧核苷酸鏈之間的連接方式？其中主要的論證過程集中于“DNA中的脫氧核苷酸如何相連”和“如何確定脫氧核苷酸鏈之間的連接方式”這兩個問題，其論證過程分別如圖3和圖4所示。以“模型建構(gòu)”為手段，通過建構(gòu)“DNA 的基本單位-脫氧核苷酸長鏈-DNA的平面結(jié)構(gòu)-DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)”等一系列自下而上的物理模型，將抽象的 DNA 分子具象化，促進(jìn)學(xué)生準(zhǔn)確理解 DNA 分子的結(jié)構(gòu)特點以及遺傳信息的本質(zhì)。

2 教學(xué)目標(biāo)

① 通過分析科學(xué)史資料，能夠運用科學(xué)論證的方法，全面認(rèn)識DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步形成結(jié)構(gòu)與功能觀等生命觀念，發(fā)展質(zhì)疑、實證等科學(xué)思維能力。

② 運用“模型建構(gòu)”的方法構(gòu)建DNA分子的物理模型，深入認(rèn)識DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)，發(fā)展“模型與建模”的科學(xué)思維。

③ 通過分析DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型準(zhǔn)確掌握DNA分子的結(jié)構(gòu)特點，理解遺傳信息的本質(zhì)，奠定信息觀基礎(chǔ)。

3 教學(xué)過程

3.1 溫故啟新，奠定科學(xué)論證的基礎(chǔ)

教師以“‘打拐DNA信息庫的建立”為情境，指向?qū)z傳信息本質(zhì)的思考和探索，再以結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點引出對DNA分子結(jié)構(gòu)的探究。

教師通過列舉“有絲分裂中親子代細(xì)胞形態(tài)、結(jié)構(gòu)基本相同”和“自然界生物形態(tài)結(jié)構(gòu)多種多樣”等事實，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性和多樣性，為開展科學(xué)論證奠定思維基礎(chǔ)。再回顧脫氧核苷酸的結(jié)構(gòu)，為學(xué)生探究DNA分子的結(jié)構(gòu)奠定知識基礎(chǔ)。學(xué)生利用軟磁片、雙面膠等材料分小組完成脫氧核苷酸模型的制作，為后續(xù)探究搭建思維載體。

設(shè)計意圖：教師通過真實情境的創(chuàng)設(shè)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；同時通過引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性和多樣性，以及回顧脫氧核苷酸的結(jié)構(gòu)并制作模型等活動奠定科學(xué)論證和探究活動的知識和思維基礎(chǔ)。

3.2 以“史”論證，探究DNA分子的結(jié)構(gòu)

3.2.1 論證脫氧核苷酸連接方式

教師提問：①DNA中含有多少脫氧核苷酸？②DNA中的脫氧核苷酸又如何相連？經(jīng)提問激發(fā)學(xué)生思考興趣后，教師提供資料1：20世紀(jì)20年代，化學(xué)家列文提出“四核苷酸”假說（圖5）。引導(dǎo)學(xué)生評價模型，并得出結(jié)論： “四核苷酸”結(jié)構(gòu)不滿足遺傳物質(zhì)多樣性的特點。

接著，教師提供資料2：1938年，化學(xué)家列文測得DNA的分子量可達(dá)200000-1000000D，確定DNA為大分子化合物?；趯嶒灁?shù)據(jù)，引發(fā)學(xué)生思考并提出質(zhì)疑： “四核苷酸”結(jié)構(gòu)無法形成大分子化合物。借此，教師展示了由列文構(gòu)建的DNA結(jié)構(gòu)修正模型：DNA分子是由相同的“四核苷酸”單元聚合而成的高分子化合物（圖6）。但經(jīng)學(xué)生分析，發(fā)現(xiàn)該聚合結(jié)構(gòu)仍存有不足，即“修正模型不能滿足遺傳物質(zhì)具有多樣性的要求”。

為解決學(xué)生疑惑并進(jìn)一步明確DNA的結(jié)構(gòu)，教師提供資料3：1951年，化學(xué)家托德認(rèn)為核苷酸之間通過磷酸二酯鍵進(jìn)行連接。學(xué)生分析資料，分小組進(jìn)行脫氧核苷酸鏈狀結(jié)構(gòu)的模型構(gòu)建，并展開生生互評和糾錯活動。最后，學(xué)生總結(jié)出“DNA是由4種脫氧核苷酸形成的呈鏈狀結(jié)構(gòu)的大分子化合物”。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)通過補充“四核苷酸”假說和“磷酸二酯鍵”的發(fā)現(xiàn)過程，幫助學(xué)生全面了解脫氧核苷酸連接方式。據(jù)此，學(xué)生經(jīng)歷對核心問題的探索、對主張的質(zhì)疑和修正，體會求實創(chuàng)新的科學(xué)精神，為后續(xù)探索奠定基礎(chǔ)。

3.2.2 論證DNA中脫氧核苷酸鏈的數(shù)量

教師提問：DNA具有幾條脫氧核苷酸鏈？并提供資料4：① 1938年，科學(xué)家由DNA的密度推算出DNA中含有的脫氧核苷酸鏈數(shù)不少于2條，不多于4條。② 物理學(xué)家威爾金斯分析DNA分子發(fā)現(xiàn)：每個DNA結(jié)構(gòu)單位有22個脫氧核苷酸，每條鏈上有11個脫氧核苷酸。學(xué)生總結(jié)：DNA分子由兩條脫氧核苷酸長鏈構(gòu)成。

設(shè)計意圖：通過補充科學(xué)史資料，以具體數(shù)據(jù)論證雙鏈結(jié)構(gòu)的合理性，強化知識的獲得過程。

3.2.3 論證DNA分子中兩條脫氧核苷酸長鏈的連接方式

教師通過陳述“沃森和克里克受到啟發(fā)，著手構(gòu)建DNA雙鏈結(jié)構(gòu)模型”的科學(xué)史實，鼓勵同學(xué)們積極動手，嘗試搭建DNA分子的結(jié)構(gòu)模型，并引導(dǎo)學(xué)生將首要問題聚焦于“雙鏈的位置關(guān)系如何？”。學(xué)生分小組開展模型建構(gòu)活動，最終獲得多種連接方式存在差異的模型，包括“堿基-堿基相連”“堿基-磷酸相連”和“磷酸-磷酸相連”等。

針對不同的建構(gòu)結(jié)果，教師繼續(xù)提供資料5：磷酸和脫氧核糖親水，堿基疏水。學(xué)生聯(lián)系“DNA存在于水溶液中”的事實進(jìn)行論證與討論，達(dá)成“DNA雙鏈中堿基與堿基相連”的共識，即堿基位于雙鏈結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)，而脫氧核糖和磷酸在外側(cè)，并與同伴配合完成模型修正。

隨后，教師展示多個DNA雙鏈片段，引導(dǎo)學(xué)生觀察模型間的差異，并鼓勵其對堿基連接方式進(jìn)行討論：雙鏈堿基是同型相連（如A-A）還是異型相連（如A-T、A-G等）？教師通過堿基結(jié)構(gòu)存在共性與差異等事實引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到“雙鏈堿基連接必然存在某種規(guī)律以支持 DNA 分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定”，說明科學(xué)實驗分為定性實驗和定量實驗，啟發(fā)學(xué)生提出測定DNA堿基含量的研究方法，以此明確堿基連接方式的研究思路。

接著，教師提供資料6：數(shù)學(xué)家格里菲斯發(fā)現(xiàn)腺嘌呤吸引胸腺嘧啶，鳥嘌呤吸引胞嘧啶，且相互吸引的堿基邊緣相接；生化學(xué)家查戈夫通過實驗發(fā)現(xiàn)腺嘌呤與胸腺嘧啶含量相等，鳥嘌呤與胞嘧啶含量相等?；谫Y料，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)、獲得堿基互補配對原則的實質(zhì)，即A與T配對，G與C配對。教師通過展示堿基對的結(jié)構(gòu)式，明確指出堿基對之間存在氫鍵，并引導(dǎo)學(xué)生觀察堿基對的長度，基于長度相等的事實，促進(jìn)學(xué)生對DNA雙鏈呈平行關(guān)系的理解。依據(jù)上述認(rèn)識，學(xué)生分組構(gòu)建DNA雙鏈平面結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行組間互評，學(xué)生發(fā)現(xiàn)DNA雙鏈存在正向和反向平行兩種模型，從而產(chǎn)生質(zhì)疑。

教師補充資料7：科學(xué)家佩魯茲對DNA進(jìn)行晶體分析發(fā)現(xiàn)DNA的雙鏈呈相反方向排列。學(xué)生依據(jù)資料，修正、完成DNA雙鏈平面結(jié)構(gòu)的模型制作。待學(xué)生完成模型修正后，教師再提出質(zhì)疑，激發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突：DNA只有平面結(jié)構(gòu)嗎？通過展示資料8“1951年，沃森和克里克以DNA衍射圖譜的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，推算出DNA呈螺旋結(jié)構(gòu)”和DNA雙螺旋的立體結(jié)構(gòu)模型，促使學(xué)生對DNA平行、反向、立體的雙螺旋的結(jié)構(gòu)形成直觀認(rèn)識。

接著，教師繼續(xù)追問此時DNA雙螺旋模型能否認(rèn)定為科學(xué)事實。學(xué)生討論后提出“模型還未經(jīng)過驗證”的回答，教師通過引導(dǎo)學(xué)生思考驗證模型合理性的方法，鼓勵其發(fā)散思維。為解決這一問題，教師提供資料9指出威爾金斯詳細(xì)分析了沃森-克里克的雙螺旋模型與DNA的X衍射數(shù)據(jù)之間的對應(yīng)關(guān)系，證明了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的合理性。

設(shè)計意圖：通過合理補充科學(xué)史，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合物理模型對雙鏈中堿基分布位置、堿基連接方式等關(guān)鍵問題進(jìn)行論證，同時加入模型驗證環(huán)節(jié)，以此加深學(xué)生對DNA結(jié)構(gòu)的認(rèn)識和對科學(xué)探索精神的感悟，強化邏輯自洽在科學(xué)論證過程中的重要性。

3.3 由“表”及里，揭示遺傳信息的本質(zhì)

教師首先引導(dǎo)學(xué)生用表格歸納“DNA分子的結(jié)構(gòu)要點”，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生比較不同DNA分子的片段，尋找DNA雙鏈中的“變與不變”，歸納DNA的結(jié)構(gòu)特性（表1），明確遺傳信息的本質(zhì)。

學(xué)生總結(jié)：遺傳信息就蘊藏在DNA分子堿基對的排列順序中。

設(shè)計意圖：通過比較和分析DNA分子中“變”和“不變”的結(jié)構(gòu)，學(xué)生明確DNA的結(jié)構(gòu)特點決定其功能特性 — — “穩(wěn)定性、多樣性和特異性”，揭示遺傳信息的本質(zhì)，幫助學(xué)生形成結(jié)構(gòu)與功能觀、信息觀等生命觀念。

4 教學(xué)反思

（1）合理利用科學(xué)史進(jìn)行“論證式”教學(xué)，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維

本節(jié)內(nèi)容涉及的科學(xué)史極為豐富，并且涉及生物學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)等多學(xué)科的交叉融合，因此需要精心選擇科學(xué)史料并做適度加工，以求史實資料符合高一學(xué)生的思維特點和認(rèn)知水平，力求在不增加思維障礙點的基礎(chǔ)上啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)論證。通過科學(xué)論證使每一個結(jié)論都有證據(jù)支撐，在此過程中，學(xué)生既能學(xué)習(xí)科學(xué)探究的方法，提升科學(xué)思維能力；又能感悟求真、創(chuàng)新、務(wù)實的科學(xué)精神，提升科學(xué)素養(yǎng)。

（2）利用“模型建構(gòu)”教學(xué)，為科學(xué)論證提供載體

學(xué)生在課堂上表現(xiàn)出了對模型建構(gòu)活動的極大興趣，通過小組合作討論的方式建構(gòu)DNA雙鏈物理模型，使抽象的內(nèi)容具象化，既加深學(xué)生理解，也促進(jìn)思考，為其進(jìn)行科學(xué)論證提供了良好的思維載體，也使學(xué)生認(rèn)識到“模型與建模”是科學(xué)探究中的重要思維方法。