田敏

摘 要 以“DNA 的結(jié)構(gòu)”為例，采用論證式教學模式，對相關(guān)科學史資源進行論證，引導學生逐步構(gòu)建并完善DNA 的雙螺旋結(jié)構(gòu)，確立結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)觀，發(fā)展學生的科學思維和科學探究能力。

關(guān)鍵詞 科學史 ?模型與建模 ?論證式教學 ??DNA 的結(jié)構(gòu)

中圖分類號 G633.91 ???????????????????文獻標志碼 B

高中教育階段的生物學課程是科學領(lǐng)域的重要學科課程之一?！镀胀ǜ咧猩飳W課程標準（2017年版2020年修訂版）》（以下簡稱《課程標準》）提出，既要讓學生獲得基礎(chǔ)的生物學知識，又要讓學生領(lǐng)悟生物學家在研究過程中所持有的觀點以及解決問題的思路和方法，養(yǎng)成理性思維的習慣，形成積極的科學態(tài)度，發(fā)展終身學習及創(chuàng)新實踐的能力。論證式教學作為探究式教學的一種模式，是將科學研究領(lǐng)域中論證的過程引入課堂，使學生經(jīng)歷類似科學家提出問題，收集資料證據(jù)，得出觀點猜想，再進行支持與辯駁從而得出正確結(jié)論的論證過程，以促進學生理解科學概念和科學本質(zhì)，提高學生的科學思維與科學探究的能力?？梢?，論證式教學與《課程標準》的基本理念和改革指導方向高度一致。在新教材、新課標的背景下，下面以“DNA分子的結(jié)構(gòu)”一課的教學為例，根據(jù)相關(guān)的科學史，采用論證式教學策略進行DNA模型構(gòu)建。

1 ?教材分析

本節(jié)是選自人教版（2019年版）高中生物學《必修2·遺傳與進化》第三章第二節(jié)。在學習本節(jié)課之前，學生已初步掌握核酸的組成種類及其單體的結(jié)構(gòu)等，同時在前一節(jié)課中學生也已通過格里菲斯等科學史學習得出了DNA是主要的遺傳物質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，教師可采用知識遷移方法，使學生進一步通過對科學史的論證，深入學習DNA 的結(jié)構(gòu)。本節(jié)課也為后續(xù)學習 DNA 復(fù)制、基因的本質(zhì)、基因的表達和基因工程等奠定了基礎(chǔ)，在高中生物學中有著重要的地位。

2 ?教學目標

①通過科學史資料論證，能運用結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)觀，解釋DNA能作為遺傳物質(zhì)的原因。

②通過科學史資料論證，運用歸納與概括，演繹與推理、模型與建模的方法，構(gòu)建并解釋DNA 的雙螺旋結(jié)構(gòu)，形成批判性和創(chuàng)造性的科學思維。

③能基于科學史材料，運用科學思維展開論證，小組合作動手建構(gòu)、完善并制作DNA雙螺旋的模型，培養(yǎng)動手能力和團隊協(xié)作能力。

④了解科學家對DNA 結(jié)構(gòu)探究的一般過程，認識到科學技術(shù)的進步對認識生命科學的重要性，養(yǎng)成不懼權(quán)威的科學精神和實事求是的科學態(tài)度。

3 ?教學過程

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，導入新課

教師播放電影《長津湖》的片段，使學生感受人民軍隊的愛國情懷，并提出問題：自2014年，國家多次迎接在外烈士遺骸歸國，如何利用生物學技術(shù)確認烈士的身份呢？為什么鑒定 DNA 可以確認烈士身份呢？ DNA 具有怎樣的結(jié)構(gòu)才能夠儲存如此強大的遺傳信息呢？一系列的問題引發(fā)學生思考，激起學生興趣，推測DNA儲存遺傳信息的功能與其結(jié)構(gòu)的關(guān)系。繼而，教師展開本節(jié)課，使學生跟隨科學家的腳步解密 DNA 的結(jié)構(gòu)，并暗示本節(jié)課的教學思路仍然為論證式教學，為學生主動參與課堂做好積極的準備。

3.2 構(gòu)建多核苷酸鏈

DNA儲存遺傳信息的功能與其結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。探究DNA結(jié)構(gòu)前，教師引導學生先回顧必修1 中有關(guān)核酸物質(zhì)組成的內(nèi)容。教師展示科學史1 和科學史2，引導學生構(gòu)建模型：先構(gòu)建DNA 的組成單位脫氧核苷酸的結(jié)構(gòu)模型;再構(gòu)建由四種所含堿基不同的脫氧核苷酸通過磷酸基團連接起來的，每一個核苷酸的脫氧核糖與另一個核苷酸的磷酸連接在一起的多核苷酸鏈。教師提示：關(guān)于DNA 的單鏈結(jié)構(gòu)僅僅是科學家的推理分析，要進一步通過實驗驗證。教師展示科學史3和富蘭克林拍攝的DNA分子X射線衍射圖譜，引導學生分析圖譜的特征，找出DNA并非單條鏈狀結(jié)構(gòu)的證據(jù)，得出DNA具有雙螺旋的結(jié)構(gòu)。教師從學生已知的DNA 組成成分和單體結(jié)構(gòu)切入，先構(gòu)建DNA 單體脫氧核苷酸的結(jié)構(gòu)，再構(gòu)建由脫氧核苷酸形成的單鏈 DNA結(jié)構(gòu)，從簡單到復(fù)雜，以循序漸進的方式展開，更有助于培養(yǎng)學生模型與建模的科學思維（圖2）。

3.3 構(gòu)建DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)

3.3.1 探究磷酸和堿基的排列方式

教師提出問題：磷酸和堿基作為脫氧核苷酸的兩側(cè)，在雙鏈DNA 中磷酸和堿基是如何排列的？教師展示科學史4，提出科學家當時的猜想。教師可提問學生對磷酸和堿基排列方式的猜想，促進學生主動構(gòu)建出其猜想的模型：一種為堿基在兩條鏈的內(nèi)側(cè);一種是磷酸在兩條鏈的內(nèi)側(cè)。教師請分別支持兩種不同猜想的學生代表發(fā)言表達觀點，再出示科學家對物質(zhì)性質(zhì)的研究結(jié)果支持了堿基在內(nèi)的猜想。在細胞膜一節(jié)內(nèi)容中，學生對“磷脂分子頭部磷酸親水、尾部疏水”有一定的認識，因而，教師可采用類比推理法引導學生構(gòu)建“磷酸在螺旋的外側(cè)構(gòu)成兩條多核苷酸鏈的骨架，堿基在螺旋內(nèi)側(cè)”，幫助學生理解“堿基在內(nèi)側(cè)，磷酸在外側(cè)”的DNA結(jié)構(gòu)特點。探究磷酸和堿基的排列方式的論證過程如圖3所示。

3.3.2 探究堿基之間的配對方式

明確了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中堿基排列在內(nèi)側(cè)后，教師繼續(xù)引導學生探究在DNA 內(nèi)側(cè)四種堿基的配對方式。教師展示科學史5、科學史6以及四種堿基的結(jié)構(gòu)式圖片，引導學生從DNA 的直徑和堿基的結(jié)構(gòu)式分析，提出猜想A 與T 互補配對、C 與G之間互補配對。教師繼續(xù)展示科學史7和科學史8，支持前面提出的猜想A 與T、C與G堿基互補配對，并進一步引導學生得出： A 與T之間由兩個氫鍵，C與G之間由三個氫鍵連接，維系了DNA雙鏈結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。學生動手按照堿基互補配對的原則修正制作的DNA模型，并用小材料作為氫鍵將兩個配對的堿基連接起來。教師利用科學史和分子結(jié)構(gòu)圖，幫助學生認識到物質(zhì)的含量和結(jié)構(gòu)特點決定了物質(zhì)間的關(guān)系（圖4）。

3.3.3 探究DNA雙鏈的方向性

教師提出問題： DNA 由兩條鏈形成，每條鏈都有一定的方向，兩條鏈的5′端和3′端是同一方向嗎？針 對這個問題，學生提出不同的猜想。教師出示科學史9：富蘭克林曾描述 DNA 晶體對稱特性，如果把 DNA 晶體上下顛倒，其X衍射圖譜看起來仍然是一樣的。學生根據(jù)科學史分析，得出結(jié)論DNA 的兩條鏈是反向平行的關(guān)系，一條鏈是5′端到3′端，另一條互補鏈是3′端到5′端。在教師的指導下，學生動手修正制作的 DNA模型，并將兩條平面的 DNA 雙鏈形成右螺旋的 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。探究DNA雙鏈方向性的論證過程如圖5所示。

教師通過一系列的科學史資料論證，積極引導學生去分析、討論和質(zhì)疑。在該過程中，學生根據(jù)得出的新結(jié)論不斷去修正DNA模型，不僅有助于科學思維的養(yǎng)成，而且還培養(yǎng)了科學實踐能力，真正成為了課堂的主體。

3.4 明確結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)觀

構(gòu)建完成DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)后，教師提問：每個小組的DNA結(jié)構(gòu)是否相同？哪里不同？學生通過觀察、分析，得出：堿基對的排列順序存在差異。DNA 的堿基排列順序千變?nèi)f化，因此能夠儲存大量的遺傳信息，并且不同生物的堿基對排列順序也不相同。學生得出DNA 具有多樣性和特異性，從而解釋了DNA可以確定烈士遺骸身份的原因，解決了上課伊始的問題。

4 ?教學反思

普通高中生物人教版新教材中多個單元是基于科學史展開教學內(nèi)容。科學史資料為學生理解科學本質(zhì)和規(guī)律、建構(gòu)概念和培養(yǎng)科學思維提供了良好的素材。《課程標準》強調(diào)：內(nèi)容聚焦大概念，學生通過深度學習，深刻理解和應(yīng)用重要的生物學概念。本節(jié)課上，教師引導學生基于DNA 結(jié)構(gòu)研究的科學史資料，采用論證式的科學思維，嘗試通過假說-演繹、資料分析來提出觀點猜想，尋找證據(jù)對觀點猜想開展論證，再提供資料支持或推翻，不斷建立、修正，最終建構(gòu)出 DNA結(jié)構(gòu)模型，形成DNA結(jié)構(gòu)的次位概念，培養(yǎng)了學生的建模思維、論證思維和批判性思維等科學思維。

參考文獻：

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