支架式教學(xué)在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

王姍歡 向炯 崔鴻

摘要 以“DNA 復(fù)制”微專題教學(xué)為例，用情境支架激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，用建模支架引導(dǎo)演繹推理，用實(shí)驗(yàn)支架尋找證據(jù)支撐，用材料支架生成重要概念，說(shuō)明支架式教學(xué)融入高中生物學(xué)課堂中，有助于學(xué)生建構(gòu)知識(shí)體系，并能運(yùn)用生物學(xué)知識(shí)解決生活實(shí)踐問(wèn)題，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞? 支架式教學(xué)? DNA 復(fù)制情境

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

美國(guó)教育家布魯納以維果茨基的最近發(fā)展區(qū)理論為依托，提出了“搭建教學(xué)腳手架”，即在學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)內(nèi)搭建支架，幫助其達(dá)到潛在發(fā)展水平。[1]在教學(xué)中，教師需要像建筑工人一樣給予支持、搭建教學(xué)支架，引導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)、拾階而上，最終達(dá)到目標(biāo)學(xué)習(xí)水平。在這個(gè)過(guò)程中，隨著學(xué)生學(xué)習(xí)能力的增強(qiáng)，教師搭建的“腳手架”逐漸被撤除，學(xué)生能自主地完成學(xué)習(xí)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)“師控”向“自控”的轉(zhuǎn)移。

在具體的教學(xué)實(shí)施中，教師可采用的支架類型包含情境支架、范例支架、實(shí)驗(yàn)支架與工具支架等。[2]筆者以高三生物學(xué)二輪復(fù)習(xí)“DNA 復(fù)制”微專題的教學(xué)實(shí)踐為例，說(shuō)明支架式教學(xué)使學(xué)習(xí)發(fā)生在有意義的情境中，幫助學(xué)生逐步生成重要概念，發(fā)展其生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 以情境作支架，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

教師展示圖片：在新型冠狀病毒的變異株蔓延之際，武漢市的各個(gè)社區(qū)、醫(yī)院指定地點(diǎn)以及中小學(xué)校園內(nèi)人們排隊(duì)進(jìn)行核酸檢測(cè)。以此創(chuàng)設(shè)情境，提出問(wèn)題：核酸檢測(cè)的目的和原理分別是什么？為什么我們從咽拭子后直到第二天才知道核酸檢測(cè)結(jié)果呢？

學(xué)生很容易回答出核酸檢測(cè)的目的是檢測(cè)我們是否感染了新型冠狀病毒的變異株；原理則是感染了新冠病毒的人的細(xì)胞中核酸和標(biāo)準(zhǔn)樣品（新冠病毒的核酸）中的堿基互補(bǔ)配對(duì)。針對(duì)第二個(gè)問(wèn)題，學(xué)生多數(shù)表示不清楚。面對(duì)學(xué)生的疑惑，教師適時(shí)補(bǔ)充核酸檢測(cè)流程的微視頻，學(xué)生才了解到整個(gè)核酸檢測(cè)經(jīng)歷了取樣→保存→送檢→核酸提取與檢測(cè)（熒光 RT- PCR）的流程。其中，由于新冠病毒的核酸是單鏈 RNA，很容易降解，需要先逆轉(zhuǎn)錄成 cDNA，然后通過(guò)檢測(cè)人員逐一將樣品分裝后在PCR 擴(kuò)增儀進(jìn)行擴(kuò)增至幾十個(gè)循環(huán)，最后根據(jù)熒光強(qiáng)度判斷測(cè)試者是陰性還是陽(yáng)性。

此時(shí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性被充分調(diào)動(dòng)起來(lái)，教師適時(shí)提問(wèn)：PCR 反應(yīng)需滿足哪些條件？它與細(xì)胞內(nèi) DNA 復(fù)制有什么異同點(diǎn)？

學(xué)生紛紛回答出PCR 實(shí)際上是細(xì)胞外的 DNA 擴(kuò)增技術(shù)，與細(xì)胞內(nèi)DNA 復(fù)制相比，二者都需要模板（親代DNA 的兩條鏈）、原料（游離的脫氧核苷酸）、能量、酶（耐高溫的DNA 聚合酶）、引物等條件。不同的是，細(xì)胞內(nèi)DNA 復(fù)制是在溫和的條件下進(jìn)行，不需要控制溫度，且需要解旋酶等。

設(shè)計(jì)意圖：教師利用學(xué)生熟悉的核酸檢測(cè)情境引入課題，很容易激發(fā)學(xué)生的探究興趣，讓學(xué)生在真實(shí)情境中思考，將生物學(xué)知識(shí)（DNA復(fù)制、PCR）與生活經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，不僅將前后所學(xué)知識(shí)串聯(lián)起來(lái)，更讓學(xué)生意識(shí)到生物科學(xué)技術(shù)運(yùn)用于生活實(shí)踐造福人類。

2 以建模作支架，引導(dǎo)演繹推理

教師指出核酸檢測(cè)的短視頻中提到PCR 擴(kuò)增需要進(jìn)行幾十個(gè)循環(huán)，引導(dǎo)學(xué)生畫出擴(kuò)增兩個(gè)循環(huán)的流程，并說(shuō)明繪制的依據(jù)。學(xué)生很快畫出正確的圖解，并說(shuō)出依據(jù)是DNA 的復(fù)制方式為半保留復(fù)制。接著，教師引用科學(xué)史料“1953年，沃森和克里克在《自然》雜志上提出了 DNA 的復(fù)制方式為半保留復(fù)制的假說(shuō)”，補(bǔ)充說(shuō)明當(dāng)時(shí)也有科學(xué)家推測(cè)DNA 分子的復(fù)制可能還有全保留復(fù)制和分散復(fù)制等方式。

為了直觀地展示不同復(fù)制方式的演繹推理過(guò)程，教師布置任務(wù)1：用紅色磁片代表母鏈，藍(lán)色磁片代表子鏈，以小組為單位，按照全保留復(fù)制、半保留復(fù)制和分散復(fù)制三種復(fù)制方式，模擬出親代、子一代、子二代 DNA分子的組成。

學(xué)生活動(dòng)：學(xué)生進(jìn)行小組合作，得到不同的模型構(gòu)建結(jié)果，如圖1。

教師充分肯定了學(xué)生建構(gòu)的模型后，進(jìn)一步說(shuō)明假說(shuō)之所以稱為假說(shuō)，需要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)其正確與否，適時(shí)引導(dǎo)學(xué)生如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

設(shè)計(jì)意圖：為了直觀地展示上述演繹推理過(guò)程，教師布置模型建構(gòu)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生利用不同顏色不同長(zhǎng)度的磁片模擬不同復(fù)制方式中親代、子一代、子二代DNA分子的組成，引導(dǎo)學(xué)生利用直觀的模型建構(gòu)將理性思維的過(guò)程外顯化，即以建模為支架，再現(xiàn)科學(xué)家的演繹推理過(guò)程。同時(shí)適時(shí)提示學(xué)生假說(shuō)是需要檢驗(yàn)的，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，即利用學(xué)生建立的支架為契機(jī)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生深入思考。

3 以實(shí)驗(yàn)作支架，尋找證據(jù)支撐

教師指出各小組所構(gòu)建的模型中母鏈和子鏈?zhǔn)怯貌煌伾拇牌M的，而設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)需考慮兩個(gè)核心問(wèn)題：“如何區(qū)分母鏈和子鏈？”“如何分離親代 DNA和子代DNA？”學(xué)生因遺忘表示犯難，此時(shí)提示學(xué)生結(jié)合“T2噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)”所涉及的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行類比作答。

順著教師的引導(dǎo)，學(xué)生立即聯(lián)想到必修2教材提到 Meselson 和 Stahl 的“大腸桿菌 DNA 密度梯度離心實(shí)驗(yàn)”，說(shuō)明其用到了同位素標(biāo)記法，即利用15N 和14N 區(qū)分母鏈和子鏈，且利用密度梯度離心技術(shù)分離親代 DNA 和子代DNA。接著，根據(jù)所呈現(xiàn)親代、子一代、子二代DNA所處的密度帶，發(fā)現(xiàn)只有半保留復(fù)制的方式才能得到上述結(jié)果。最后，引導(dǎo)學(xué)生歸納“DNA半保留復(fù)制方式”的得出遵循了“假說(shuō)-演繹法”的研究思路。

教師追問(wèn)“能否用組成DNA的其它元素（C、H、O、P）進(jìn)行同位素標(biāo)記，親子代DNA的檢測(cè)方法與Meselson和 Stahl的實(shí)驗(yàn)方案完全一樣嗎？”進(jìn)一步拓展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)借助模型工具（紅色磁片和藍(lán)色磁片）拋出兩個(gè)核心問(wèn)題，在學(xué)生犯難之際，提示學(xué)生結(jié)合前面所學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容思考如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，又通過(guò)呈現(xiàn) Meselson 和Stahl 的大腸桿菌DNA 密度梯度離心實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生明白假說(shuō)的成立是需要實(shí)驗(yàn)證據(jù)支撐的。在這個(gè)片段教學(xué)中，教師充分利用經(jīng)典實(shí)驗(yàn)為支架，讓學(xué)生帶著問(wèn)題去思考尋找科學(xué)家探索的脈絡(luò)，又通過(guò)追問(wèn)促進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思維能力的提升。

4 以材料作支架，生成重要概念

教師提出問(wèn)題“Meselson和Stahl 的實(shí)驗(yàn)只能說(shuō)明以大腸桿菌為代表的原核細(xì)胞中 DNA 復(fù)制方式為半保留復(fù)制，真核細(xì)胞又如何呢？”引發(fā)學(xué)生再度思考。

學(xué)生回答出真核細(xì)胞中DNA復(fù)制方式也是半保留復(fù)制。接著，呈現(xiàn)課前查到的科學(xué)史料“Taylor用蠶豆（2N=12）根尖細(xì)胞作為實(shí)驗(yàn)材料，證明了真核細(xì)胞染色體DNA 的復(fù)制也符合半保留復(fù)制模型。他先用放射性同位素3H標(biāo)記細(xì)胞染色體DNA（標(biāo)記雙鏈），然后讓細(xì)胞在不含3H 的培養(yǎng)液中進(jìn)行連續(xù)的有絲分裂，經(jīng)放射自顯影技術(shù)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果?！弊糇C了上述觀點(diǎn)。

肯定了學(xué)生的回答后，教師引導(dǎo)學(xué)生繪圖說(shuō)明蠶豆細(xì)胞第一、二次有絲分裂的中期，染色體及 DNA 被標(biāo)記的情況。

為了簡(jiǎn)化染色體和DNA模型，教師向每個(gè)小組提供兩張白紙和不同顏色（黑色和紅色）的記號(hào)筆，布置任務(wù)2：用矩形框代表染色（單）體，圓代表著絲粒，框內(nèi)兩條線代表一個(gè)DNA分子的兩條鏈，其中實(shí)線代表被3H 標(biāo)記的 DNA 單鏈，用虛線代表未被3H 標(biāo)記的 DNA 單鏈，以一對(duì)同源染色體（用相同大小的一黑一紅的矩形框進(jìn)行模擬）為例，在白紙上分別繪制出第一、二次有絲分裂中期的染色體及 DNA 示意圖，并說(shuō)明染色體及DNA標(biāo)記情況。

各小組明確任務(wù)后，繪制出第一、二次有絲分裂中期的染色體及 DNA 被標(biāo)記的情況如圖3所示。其中，第一次有絲分裂中期的染色體、染色單體、DNA均被標(biāo)記；而第二次有絲分裂中期的染色體均被標(biāo)記，但染色單體及DNA均只有一半被標(biāo)記。

教師肯定學(xué)生的回答后，布置課后任務(wù)：作為小區(qū)青年志愿者，面對(duì)一個(gè)剛?cè)ミ^(guò)中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)但不愿意進(jìn)行核酸檢測(cè)的居民，你將從哪些方面向他（她）進(jìn)行核酸檢測(cè)的宣傳？

設(shè)計(jì)意圖：教師追問(wèn)學(xué)生真核細(xì)胞的DNA 復(fù)制方式如何，意在引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注實(shí)驗(yàn)材料，理解“DNA 的半保留復(fù)制方式”結(jié)論的得出是建立在許多實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的。接著，充分利用學(xué)生課前查到的“Taylor蠶豆根尖細(xì)胞實(shí)驗(yàn)”提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生建立 DNA 復(fù)制與細(xì)胞分裂之間的聯(lián)系。在學(xué)生茫然之時(shí)，幫助學(xué)生厘清染色體與DNA等之間的關(guān)系，并引導(dǎo)學(xué)生利用圖解的形式進(jìn)行模型建構(gòu)，無(wú)形中突破難點(diǎn)，生成“細(xì)胞通過(guò)分裂實(shí)現(xiàn)增殖，依賴 DNA 復(fù)制”這一重要概念。最后回歸社會(huì)情境，意在引導(dǎo)學(xué)生從核酸檢測(cè)的原理出發(fā)，交流如何科學(xué)防疫，深化社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉愛(ài)愛(ài).“支架式教學(xué)”在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中學(xué)生物教學(xué)，2021（30）：47-48.

[2]黃瑋.支架式教學(xué)在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用[J].課程教學(xué)研究，2013（10）：52-54.