指向科學(xué)思維養(yǎng)成的高中生物學(xué)“物理模型”的教學(xué)實(shí)踐探究

摘 要：本文以“DNA的結(jié)構(gòu)”一節(jié)為例，將物理模型應(yīng)用于高中生物學(xué)教學(xué)。筆者通過師生共同構(gòu)建DNA雙螺旋物理模型的教學(xué)實(shí)踐，使學(xué)生能夠深入理解和掌握DNA分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及特性，進(jìn)而形成完整的知識體系。本教學(xué)實(shí)踐旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，增強(qiáng)其分析問題和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維；模型構(gòu)建；DNA的結(jié)構(gòu)；教學(xué)實(shí)踐

文章編號：1003-7586（2024）11-0034-03 中圖分類號：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

物理模型可以將復(fù)雜抽象的生物學(xué)概念轉(zhuǎn)化為具體的形象，從而幫助學(xué)生理解和掌握這些生物學(xué)概念。在模型構(gòu)建的過程中，學(xué)生進(jìn)行小組合作，共同探討并解決問題。模型構(gòu)建不僅促進(jìn)了學(xué)生間的交流與合作，還鍛煉了他們的空間想象和問題解決能力。此外，模型構(gòu)建還能幫助學(xué)生更深入地理解生物學(xué)的核心概念，提升其對生物學(xué)知識的綜合運(yùn)用能力。

1 教材分析

“DNA的結(jié)構(gòu)”是人教版普通高中教科書《生物學(xué)·必修2·遺傳與進(jìn)化》（以下簡稱“教材”）第3章第2節(jié)的內(nèi)容，本節(jié)的主要知識點(diǎn)是DNA的平面結(jié)構(gòu)和雙螺旋結(jié)構(gòu)，是學(xué)習(xí)基因表達(dá)、變異、育種與進(jìn)化及基因工程等后續(xù)內(nèi)容的基礎(chǔ)?！癉NA的結(jié)構(gòu)”這節(jié)課程在分子層面上進(jìn)行教學(xué)，內(nèi)容微觀且抽象，學(xué)生理解起來有一定難度。為解決這一難點(diǎn)，教師可以采用以下教學(xué)策略：①利用多媒體展示相關(guān)視頻，化抽象為具體，增加學(xué)生的感性認(rèn)知；②引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手構(gòu)建模型，通過合作探究深化理解知識點(diǎn)。以上教學(xué)策略可以幫助學(xué)生理解知識點(diǎn)，

提升學(xué)生的科學(xué)思維和生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，還符合學(xué)業(yè)質(zhì)量評價(jià)的要求，突破傳統(tǒng)教學(xué)方法的局限，具有重要的研究價(jià)值和實(shí)踐意義。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）了解DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)歷程，深刻感悟科學(xué)探索的艱辛與曲折，認(rèn)同交流合作與多學(xué)科交叉在推動(dòng)科學(xué)發(fā)展中不可或缺的作用，感受鍥而不舍、追求真理的科學(xué)家精神。

（2）掌握DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，理解DNA的結(jié)構(gòu)與其功能相適應(yīng)的生命觀念。

（3）采用演繹推理的方法，掌握DNA分子中堿基數(shù)量的計(jì)算方法，理解DNA分子的多樣性和特異性，培養(yǎng)科學(xué)思維，能夠運(yùn)用科學(xué)的方法分析和解決問題。

（4）通過制作DNA分子結(jié)構(gòu)模型，培養(yǎng)觀察能力、空間想象力和分析理解能力，形成科學(xué)思維。

3 教學(xué)過程革新

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)興趣

教師播放一段尋親視頻，提出問題：失散多年的父子如何確認(rèn)親緣關(guān)系？教師補(bǔ)充DNA數(shù)據(jù)分析技術(shù)的相關(guān)知識，介紹我國DNA分析技術(shù)和數(shù)據(jù)庫建設(shè)的先進(jìn)成就，及其在刑偵破案和醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

設(shè)計(jì)意圖：教師通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，使課堂內(nèi)容更加貼近實(shí)際生活，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，讓學(xué)生深刻認(rèn)識到學(xué)習(xí)生物學(xué)知識的現(xiàn)實(shí)意義，即解決生產(chǎn)生活中的實(shí)際問題。這種直觀生動(dòng)的教學(xué)方式能夠吸引學(xué)生的注意，提高學(xué)習(xí)效率，讓學(xué)生在輕松愉快的氛圍中掌握知識，形成正確的生命觀念。

3.2 深入回顧模型構(gòu)建之路，鑄就科學(xué)探索之魂

學(xué)生對模型構(gòu)建步驟進(jìn)行預(yù)習(xí)，教師引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)地梳理難點(diǎn)。教師通過PPT展示DNA結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)史，使學(xué)生深刻認(rèn)識到生命科學(xué)的發(fā)展依賴于物理、數(shù)學(xué)和化學(xué)等學(xué)科的交叉融合，體現(xiàn)學(xué)科間相互滲透、共同進(jìn)步的必然趨勢。沃森（J. D. Watson）和克里克（F. Crick）憑借獨(dú)特的思維，善用并整合他人成果，推動(dòng)了科學(xué)的前進(jìn)。教師以此來鼓勵(lì)學(xué)生培養(yǎng)堅(jiān)持不懈的探索精神與團(tuán)隊(duì)合作精神。

3.3 構(gòu)建DNA雙螺旋模型，深化理解

3.3.1 回顧基礎(chǔ)，再啟新篇

教師通過PPT展示構(gòu)建模型DNA雙螺旋所需要的材料，幫助學(xué)生重溫DNA的基本單位——4種脫氧核苷酸的化合物組成及其連接方式，確保學(xué)生對5號碳的位置有清晰的認(rèn)知。

3.3.2 團(tuán)隊(duì)協(xié)作，構(gòu)建雙螺旋模型

學(xué)生分組進(jìn)行合作探究，依次完成以下4個(gè)任務(wù)。

任務(wù)1：構(gòu)建8個(gè)脫氧核苷酸。

任務(wù)2：構(gòu)建1條脫氧核苷酸鏈（a鏈）。

任務(wù)3：構(gòu)建與a鏈互補(bǔ)的另一條鏈（b鏈），并思考脫氧核苷酸是否隨意組合，探討其構(gòu)建的原則。

任務(wù)4：基于以上任務(wù)，構(gòu)建DNA的平面結(jié)構(gòu)。

教師提問：兩條鏈?zhǔn)侨绾尉o密結(jié)合的？它們之間的距離又是怎樣的？這種結(jié)合方式在生活中有何應(yīng)用？最后，教師通過播放PPT展示4種堿基的結(jié)構(gòu)（見圖1），引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察，深化其對DNA雙螺旋模型的理解。

嘧啶類化合物是單一環(huán)狀結(jié)構(gòu)，而嘌呤類化合物則呈現(xiàn)出雙環(huán)的形態(tài)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)生們所構(gòu)建的平面模型，由小組代表簡要描述對DNA結(jié)構(gòu)的初步理解。

經(jīng)過深入討論，學(xué)生們達(dá)成了如下共識：首先，DNA分子中兩條鏈的嘌呤與嘧啶堿基是互補(bǔ)配對的；其次，這兩條鏈之間的距離保持一致，形成了平行的空間關(guān)系；最后，DNA的平面結(jié)構(gòu)被學(xué)生形象地比喻為梯子狀。為了進(jìn)一步加深學(xué)生對DNA結(jié)構(gòu)的理解，教師展示教材中的DNA結(jié)構(gòu)圖和折紙制成的三維DNA雙螺旋模型。這種直觀的教學(xué)方式激發(fā)了學(xué)生的興趣，使抽象的DNA結(jié)構(gòu)變得更為具體直觀，有助于學(xué)生迅速掌握并理解核心知識點(diǎn)。

設(shè)計(jì)意圖：在這一教學(xué)設(shè)計(jì)中，學(xué)生完成從簡單到復(fù)雜的模擬任務(wù)，增強(qiáng)其對DNA結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)識。利用圖1中的嘧啶和嘌呤結(jié)構(gòu)示意圖，學(xué)生能夠直觀地理解兩條鏈之間的平行關(guān)系。在模型構(gòu)建活動(dòng)中，學(xué)生經(jīng)歷了從困惑、探索、錯(cuò)誤組裝、糾錯(cuò)到最終理解的完整過程，這不僅讓其體驗(yàn)到了學(xué)習(xí)的樂趣，還增強(qiáng)了成就感。通過這種方式，學(xué)生能夠在腦海中形成清晰的DNA分子模型構(gòu)象。

為了進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并鞏固所學(xué)知識，教師組織以人體模擬核苷酸的活動(dòng)。教師首先介紹人體核苷酸的結(jié)構(gòu)：左手握拳代表磷酸，右手掌心寫上堿基，身體則代表脫氧核糖。隨后，教師引導(dǎo)學(xué)生合作完成兩項(xiàng)活動(dòng)。

第一個(gè)活動(dòng)要求學(xué)生構(gòu)建兩條互補(bǔ)的多核苷酸鏈，重點(diǎn)探討如何連接相鄰的脫氧核苷酸以及如何實(shí)現(xiàn)磷酸—脫氧核糖的理論交替連接。教師鼓勵(lì)學(xué)生親身嘗試，加深對DNA結(jié)構(gòu)的理解；將抽象的理論知識與實(shí)際操作緊密結(jié)合，促使學(xué)生積極思考與嘗試。在實(shí)際操作過程中，學(xué)生們當(dāng)場觀察并驗(yàn)證正確的連接方式，教師及時(shí)給予評價(jià)。隨后，教師再次強(qiáng)調(diào)連接的方法，引導(dǎo)后一位學(xué)生的左手輕輕抬起前一位學(xué)生的左腳。這一步驟的象征意義在于，手與腳的連接正如磷酸與脫氧核糖間形成的磷酸二酯鍵，通過這種方式，學(xué)生們共同構(gòu)建出一條脫氧核苷酸鏈模型。

設(shè)計(jì)意圖：這一活動(dòng)旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，同時(shí)激發(fā)他們對科學(xué)的探索精神，促進(jìn)學(xué)生間的交流與合作。

第二個(gè)活動(dòng)中，教師要求學(xué)生連接兩條互補(bǔ)鏈。學(xué)生伸出不同數(shù)量的手指來表示A與T、C與G的配對關(guān)系，根據(jù)堿基互補(bǔ)配對原則，尋找對應(yīng)的“朋友”進(jìn)行連接。在這個(gè)過程中，學(xué)生可能會(huì)出現(xiàn)混亂和產(chǎn)生錯(cuò)誤，如當(dāng)學(xué)生同向站立時(shí)，即使?jié)M足堿基互補(bǔ)配對原則也無法連接，只有反向站立時(shí)才能成功連接。這種親身體驗(yàn)可以讓其深刻理解DNA兩條鏈的反向平行結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)意圖：通過親身構(gòu)建模型，學(xué)生能夠更直觀地理解DNA分子的結(jié)構(gòu)特征，如DNA基本骨架的構(gòu)建、相鄰脫氧核苷酸之間磷酸二酯鍵的位置、兩條鏈的方向以及兩條鏈游離的磷酸和脫氧核糖的數(shù)量等。這不僅增強(qiáng)了學(xué)生對知識的記憶與理解，還激發(fā)了他們對科學(xué)的探索欲，同時(shí)培養(yǎng)了其探索能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。

3.4 深度思考與知識升華

教師引導(dǎo)學(xué)生思考脫氧核苷酸的排列組合并提出問題：如果有16對脫氧核苷酸對，且每種脫氧核苷酸的數(shù)目足夠多，那么每個(gè)位置有幾種可能性？總共會(huì)有多少種排列組合？如果擴(kuò)展到n對呢？

學(xué)生們通過小組討論并結(jié)合數(shù)學(xué)知識，計(jì)算出4¹⁶種可能的組合，進(jìn)而推廣到當(dāng)有n對脫氧核苷酸對時(shí)，有4n種可能。這一過程中，學(xué)生們深刻體驗(yàn)到DNA中堿基對排列的千變?nèi)f化，從而體會(huì)DNA的多樣性。

3.5 模擬成果的展示與特性分析

每個(gè)小組展示的DNA模型都獨(dú)具特色，反映了DNA的特異性，即每個(gè)DNA分子都有特定的堿基排列順序。除了特異性，DNA還具有穩(wěn)定性，這主要由其獨(dú)特的雙螺旋結(jié)構(gòu)決定。最后，教師總結(jié)DNA分子特性：堿基對的排列順序千變?nèi)f化（多樣性）；每個(gè)DNA分子都擁有其特定的堿基排列順序（特異性）；雙螺旋結(jié)構(gòu)（穩(wěn)定性）。

設(shè)計(jì)意圖：教師通過層層遞進(jìn)的問題，引導(dǎo)學(xué)生逐步深入理解DNA的結(jié)構(gòu)和特性，同時(shí)結(jié)合學(xué)生的反饋進(jìn)行及時(shí)點(diǎn)評和修正，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)和思維拓展，從而顯著提升教學(xué)效果。

4 教學(xué)反思

在此，教師采用了基于建模和模型的教學(xué)方法，讓學(xué)生在實(shí)踐中探索、分析并總結(jié)DNA分子的結(jié)構(gòu)特征。學(xué)生親手構(gòu)建物理模型，不僅能夠直觀地理解DNA的結(jié)構(gòu)，還能在小組交流中體會(huì)科學(xué)方法和科學(xué)精神。這種教學(xué)方式有效提高了教學(xué)效果，使學(xué)生能夠在實(shí)踐中深化對DNA分子結(jié)構(gòu)特征的理解。在精心設(shè)計(jì)的探究活動(dòng)中，教師完成傳授知識的教學(xué)目標(biāo)，提升了學(xué)生的思維能力。同時(shí)，在活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，教師觀察學(xué)生的操作過程，特別注意堿基位置的準(zhǔn)確性以及空間結(jié)構(gòu)的合理性，對于出現(xiàn)的錯(cuò)誤及時(shí)發(fā)現(xiàn)、展示給全體學(xué)生，并在討論中共同找出問題所在，進(jìn)行糾正。這樣的討論過程不僅促進(jìn)了學(xué)生思維的發(fā)展，也讓其在理論與實(shí)踐的交融中深化了知識理解，最終形成科學(xué)的結(jié)論。學(xué)生在實(shí)踐中不僅自主發(fā)現(xiàn)、分析問題，而且在解決問題的過程中提升了自身的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)和解決問題的能力。