模型構(gòu)建在中學(xué)生物學(xué)課堂中的應(yīng)用

摘 要：本文以“DNA的結(jié)構(gòu)”一節(jié)內(nèi)容為例，探討了模型構(gòu)建在中學(xué)生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，通過豐富的教學(xué)實踐活動以及對物理模型的構(gòu)建，促進(jìn)學(xué)生對DNA的結(jié)構(gòu)及其特性的深入理解，同時培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維與生命觀念，進(jìn)而發(fā)展其生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：DNA分子的結(jié)構(gòu)；模型構(gòu)建；中學(xué)生物學(xué)教學(xué)

文章編號：1003-7586（2024）09-0017-03 中圖分類號：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

模型是一種抽象化與具體化相統(tǒng)一的科學(xué)認(rèn)識手段與思維方法，具有促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展、掌握科學(xué)知識、培養(yǎng)研究能力與科學(xué)精神的作用。 ［1］《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）指出，科學(xué)思維能夠讓學(xué)生基于生物學(xué)事實和證據(jù)運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法，探討和闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》在“課程內(nèi)容”中也提出與模型構(gòu)建相關(guān)的“教學(xué)提示”與“學(xué)業(yè)要求”兩部分內(nèi)容?？梢?，模型構(gòu)建在高中生物學(xué)教學(xué)中占據(jù)著重要地位，對培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)具有積極的推動作用。

模型是為了某種特定的目的從而對需要認(rèn)識的對象進(jìn)行的一種簡化的概括和描述，這種表述可以是定性的，也可以是定量的。有的借助于實物或其他形象化的手段，有的則以抽象的形式來表達(dá)，包括物理模型、概念模型、數(shù)學(xué)模型等。人教版高中生物學(xué)教材中有著豐富的模型素材，物理模型包含生物膜的流動鑲嵌模型、真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型、DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型等；數(shù)學(xué)模型包含種群數(shù)量變化的“J”型與“S”型曲線、堿基的相關(guān)計算、遺傳平衡下的基因頻率計算等；概念模型有原生質(zhì)層概念、質(zhì)壁分離概念和內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)概念等。而“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，包含了大量的模型，既有物理模型、概念模型，還有數(shù)學(xué)模型，這都為教學(xué)活動的開展提供了豐富的素材。教學(xué)過程中教師可以精心設(shè)計、組織開展教學(xué)活動，將模型構(gòu)建融入課堂的各個環(huán)節(jié)，以更好地達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

1 教材分析

“DNA的結(jié)構(gòu)”位于第1節(jié)“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”之后，在第3節(jié)“DNA的復(fù)制”之前，發(fā)揮著承上啟下的作用。教材以歷史敘事的形式介紹了沃森（J. D. Watson）和克里克（F. H. C. Crick）不斷推理、重建、修訂DNA結(jié)構(gòu)的物理模型的過程。接下來，教材再結(jié)合“思考·討論”欄目，引發(fā)學(xué)生對DNA結(jié)構(gòu)的思考。最后通過模型構(gòu)建，引發(fā)學(xué)生對DNA結(jié)構(gòu)特點的進(jìn)一步思考，為下一節(jié)“DNA的復(fù)制”的教學(xué)做準(zhǔn)備。教材對本節(jié)DNA結(jié)構(gòu)的介紹邏輯嚴(yán)密，井然有序，符合當(dāng)下高中生的思維發(fā)展模式。

2 學(xué)情分析

學(xué)生通過之前的學(xué)習(xí)已經(jīng)知道DNA的基本單位是脫氧核糖核苷酸，且清楚四種脫氧核糖核苷酸通過“磷酸二酯鍵”相連，且學(xué)生還初步得知DNA是主要的遺傳物質(zhì)，但不知道DNA是如何儲存遺傳信息的。教學(xué)過程中，教師借助沃森和克里克的探索歷程，以科學(xué)史為例促進(jìn)學(xué)生逐步構(gòu)建DNA的物理模型，讓學(xué)生認(rèn)識到正確的科學(xué)結(jié)論是需要不斷地假設(shè)、重構(gòu)和修訂的，從而培養(yǎng)其生命觀念和科學(xué)思維。

3 教學(xué)目標(biāo)

（1）通過分析科學(xué)史資料，全面認(rèn)識DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步形成結(jié)構(gòu)與功能觀，發(fā)展質(zhì)疑、實證等科學(xué)思維能力。

（2）運用模型構(gòu)建的方法理解DNA的物理模型，深入認(rèn)識DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，發(fā)展建模和分析模型的科學(xué)方法和思維。

（3）通過分析DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型準(zhǔn)確掌握DNA分子的結(jié)構(gòu)特點，并與實際生活相聯(lián)系，以解決生活中的問題，形成社會責(zé)任意識。

4 教學(xué)過程

4.1 創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

教師播放電影《親愛的》部分片段并提問：電影中，被拐多年的小孩已經(jīng)忘記親生父母，外貌也發(fā)生了較大變化，可以采取什么手段確定父母與孩子的血緣關(guān)系？親子鑒定其實就是將父母與孩子的DNA進(jìn)行比對，為什么比較DNA能夠確定血緣關(guān)系？

設(shè)計意圖：創(chuàng)設(shè)真實情境，引導(dǎo)學(xué)生思考，并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望。

4.2 追溯歷史，剖析結(jié)構(gòu)

4.2.1 復(fù)習(xí)回顧，重溫DNA的基本單位

教師提前布置預(yù)習(xí)并投屏展示學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，引導(dǎo)學(xué)生分析是否還有需要改進(jìn)的地方。

設(shè)計意圖：教師以課前任務(wù)單的形式，讓學(xué)生復(fù)習(xí)舊知，構(gòu)建DNA的基本單位——脫氧核糖核苷酸的概念模型。在課上通過生生互評和教師點評等方式完善知識點，為學(xué)習(xí)新課奠定基礎(chǔ)。

4.2.2 串聯(lián)史實，初探空間結(jié)構(gòu)

教師提問：DNA的整體結(jié)構(gòu)是怎樣的？教師展示1951年，英國物理學(xué)家富蘭克林（R. E. Franklin）和威爾金斯（M. H. F. Wilkins）利用X射線照射DNA分子所得的衍射圖譜及彈簧在暗室中的衍射圖譜（見圖1）。教師通過對比衍射圖介紹“DNA的結(jié)構(gòu)”應(yīng)與彈簧相似，為螺旋結(jié)構(gòu)。

設(shè)計意圖：教師首先展示DNA的衍射圖譜，但學(xué)生并不能馬上聯(lián)想到DNA呈螺旋結(jié)構(gòu)；接下來再展示彈簧的衍射圖譜，將二者相互對比，讓學(xué)生能更好地理解DNA呈螺旋結(jié)構(gòu)這一事實。

4.2.3 分組合作，再探DNA雙鏈結(jié)構(gòu)

教師提問：呈螺旋結(jié)構(gòu)的DNA具有幾條鏈？若有多條鏈，其位置關(guān)系如何？學(xué)生紛紛假設(shè)DNA不止一條鏈，多條鏈位置關(guān)系可能為平行、交叉、垂直等空間結(jié)構(gòu)。

教師接著展示資料：①DNA分子的直徑比一條核苷酸鏈的直徑大；②富蘭克林測得DNA含水量和密度值，單鏈和三鏈與實際值不符合，其鏈數(shù)更接近兩條；③1951年，富蘭克林測得DNA分子是直徑始終為2nm的螺旋體。其他科學(xué)家也測得整個DNA分子的直徑始終相同；④富蘭克林拍攝了多張Ｘ射線衍射圖譜，發(fā)現(xiàn)DNA分子翻轉(zhuǎn)180°后的圖譜與翻轉(zhuǎn)前的一致。

學(xué)生分組討論，按照教師提供的材料進(jìn)行分析，思考討論DNA的鏈數(shù)及其位置關(guān)系。初步構(gòu)建DNA分子結(jié)構(gòu)的物理模型。

設(shè)計意圖：相較于傳統(tǒng)的講授式教學(xué)，教師采取了分組合作討論和資料分析相結(jié)合的方式，引導(dǎo)學(xué)生自主形成“DNA由兩條鏈組成”的概念。這種方式有利于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作精神以及自主分析能力，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

4.2.4 模型構(gòu)建，探究DNA分子的平面結(jié)構(gòu)

教師提問：DNA分子的兩條鏈?zhǔn)侨绾芜B接形成雙鏈的？教師引導(dǎo)學(xué)生相互合作，用代表“脫氧核糖核苷酸鏈”的小卡片相互連接，形成DNA分子的雙鏈結(jié)構(gòu)。教師展示學(xué)生作品，引導(dǎo)學(xué)生互評并利用已有知識，指正不符合事實的模型。

教師提問：哪一種結(jié)構(gòu)模型才是正確的？學(xué)生觀察模型，思考不同模型的區(qū)別，教師提示堿基與磷酸的排列方式并提供資料：①磷酸基團(tuán)具有親水性，堿基具有疏水性，不同的堿基之間還可以形成氫鍵；②DNA在細(xì)胞內(nèi)處于水環(huán)境中；③DNA分子的直徑相同，嘌呤堿基與嘧啶堿基直徑不同；

④查哥夫（E. Chargaff）發(fā)現(xiàn)DNA中的腺嘌呤（A）含量總是等于胸腺嘧啶（T）含量，鳥嘌呤（G）含量總是等于胞嘧啶（C）含量。

學(xué)生根據(jù)資料分組討論，修正構(gòu)建的模型，并構(gòu)建正確的DNA雙鏈模型。

設(shè)計意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生利用已有知識進(jìn)行模型構(gòu)建，再通過橫向?qū)Ρ?，引發(fā)認(rèn)知沖突，最后教師再提供資料，引導(dǎo)學(xué)生自主分析，自我修正。整個知識構(gòu)建的過程都是以學(xué)生為主體，教師適當(dāng)引導(dǎo)，有利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，有效提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。通過該課堂活動，學(xué)生能完成DNA分子平面結(jié)構(gòu)的物理模型的構(gòu)建，并通過分析模型，進(jìn)一步加深對DNA結(jié)構(gòu)的認(rèn)識和了解。同時，在剖析DNA結(jié)構(gòu)時，能夠說明堿基互補配對原則，順利構(gòu)建DNA的數(shù)學(xué)模型。

4.2.5 模型構(gòu)建，體會DNA分子立體結(jié)構(gòu)

教師引導(dǎo)學(xué)生利用物理模型的各個組件，分組構(gòu)建DNA分子的立體結(jié)構(gòu)模型。教師選三個組展示各自的模型，學(xué)生對比各個DNA分子模型之間的異同點，歸納總結(jié)DNA分子的結(jié)構(gòu)特點，即其具有多樣性、特異性和穩(wěn)定性。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過自主構(gòu)建DNA分子立體結(jié)構(gòu)的物理模型，加深對DNA結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，達(dá)成“認(rèn)識DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)”這一知識目標(biāo)。同時，此項課堂活動還培養(yǎng)了學(xué)生建模和分析模型的科學(xué)方法和思維，達(dá)成了本節(jié)課的能力目標(biāo)。此外，通過對比分析不同組別的DNA結(jié)構(gòu)模型的區(qū)別，學(xué)生能夠認(rèn)識到DNA的結(jié)構(gòu)特性，從而順利構(gòu)建DNA結(jié)構(gòu)特點的概念模型，進(jìn)一步提升學(xué)生的結(jié)構(gòu)和功能觀。

4.3 學(xué)以致用，DNA結(jié)構(gòu)與社會的聯(lián)系

教師提問：親子鑒定時利用了DNA的什么特性？具體如何操作？假設(shè)這是電影中那對夫妻和孩子的DNA電泳示意圖（見圖2），請根據(jù)圖中親子鑒定的結(jié)果，判斷該孩子是否為這對夫婦親生。

設(shè)計意圖：首尾呼應(yīng)，教師在學(xué)生學(xué)習(xí)DNA結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識后，回到課堂開始時設(shè)置的問題情境，并讓學(xué)生學(xué)以致用，利用課堂所學(xué)，解決生活實際問題。

4.4 課堂小結(jié)，總結(jié)升華

教師介紹：據(jù)報道，電影《親愛的》主人公失散多年的兒子已經(jīng)找到，并成功進(jìn)行DNA比對，確定了親子關(guān)系。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，DNA鑒定技術(shù)以及信息數(shù)據(jù)庫已經(jīng)運用到人口販賣案件中，以幫助國家打擊拐賣兒童的行動能夠順利開展。

設(shè)計意圖：通過電影反映的真實案例，引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識生物技術(shù)的發(fā)展能夠帶動社會進(jìn)步，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任意識。

5 教學(xué)反思

本節(jié)課圍繞“DNA的結(jié)構(gòu)”一節(jié)內(nèi)容展開，以科學(xué)史為主線，通過構(gòu)建物理模型的課堂活動貫穿課堂，組織嚴(yán)密，條理清晰。筆者以豐富的課堂活動，有效地調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，活躍課堂氣氛。

但是，在實際組織教學(xué)的過程中，筆者仍發(fā)現(xiàn)有可以進(jìn)一步改進(jìn)的地方。例如，在初步構(gòu)建DNA平面結(jié)構(gòu)的過程中，教師會展示很多科學(xué)史資料的分析內(nèi)容，但由于學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)之前就有了一定的知識儲備，導(dǎo)致學(xué)生討論時出現(xiàn)冷場。故教師在選取資料時，可以進(jìn)一步精簡，排除一些對于學(xué)生來說特別簡單的知識點，不必花費過多精力去分析資料。此外，一些學(xué)生能夠自主完成的任務(wù)，可以讓學(xué)生單獨去完成，以體現(xiàn)學(xué)生的主體地位。最后，課堂上應(yīng)適當(dāng)留白，給學(xué)生足夠的時間思考討論，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

參考文獻(xiàn)

［1］邢紅軍.論科學(xué)教育中的模型方法教育［J］.教育研究，1997（7）：53-56.