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        論科學(xué)史與情景創(chuàng)設(shè)的探究式教學(xué)

        2022-07-15 22:44:20柳彩葉
        關(guān)鍵詞:科學(xué)史探究

        柳彩葉

        【摘要】本文利用“DNA復(fù)制實(shí)驗(yàn)證據(jù)”科學(xué)史為探究背景,設(shè)計(jì)假說(shuō)演繹法流程探究DNA復(fù)制機(jī)制,并通過(guò)生活實(shí)例和科技資料創(chuàng)設(shè)情景探究DNA復(fù)制的條件、過(guò)程、特點(diǎn),最終使學(xué)生形成DNA復(fù)制的概念,多方位培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

        【關(guān)鍵詞】DNA復(fù)制;科學(xué)史;探究;資料分析

        一、課例分析及教學(xué)思路

        DNA的復(fù)制是《遺傳與進(jìn)化》第3章第三節(jié)的內(nèi)容,這一節(jié)課涉及了DNA分子復(fù)制的推測(cè)、DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)證明和DNA分子復(fù)制的具體過(guò)程。

        在學(xué)習(xí)DNA復(fù)制的理論推測(cè)和DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)證明時(shí),先進(jìn)行沃森和克里克的DNA雙螺旋模型構(gòu)建科學(xué)史學(xué)習(xí),再進(jìn)一步探究學(xué)習(xí),自然激發(fā)學(xué)生探究的動(dòng)力,跟著科學(xué)家的思路思考: DNA分子是如何復(fù)制的?這是一份優(yōu)秀的科學(xué)史探究課程素材。DNA復(fù)制過(guò)程的研究體現(xiàn)了假說(shuō)—演繹法的科學(xué)研究方法,在課堂上以沃森和克里克關(guān)于DNA復(fù)制推測(cè)的論文為材料背景,指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用提出假說(shuō)-演繹推理-設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)-實(shí)施實(shí)驗(yàn)-得出結(jié)論,從而認(rèn)識(shí)DNA的半保留復(fù)制機(jī)理,另課程中同時(shí)運(yùn)用模型構(gòu)建模擬DNA復(fù)制的假說(shuō)內(nèi)容和演繹結(jié)果,讓復(fù)雜的知識(shí)形象化,學(xué)生更容易理解深?yuàn)W的實(shí)驗(yàn)原理和結(jié)果分析。

        在數(shù)字DNA分子的復(fù)制過(guò)程時(shí),通過(guò)創(chuàng)設(shè)核酸檢測(cè)PCR擴(kuò)增技術(shù)的背景來(lái)探究DNA復(fù)制的條件,以DNA復(fù)制速度的科普資料探究DNA復(fù)制的特點(diǎn)。

        通過(guò)科學(xué)史與情景創(chuàng)設(shè)的探究設(shè)計(jì),提升學(xué)生的探究能力,并通過(guò)科學(xué)史的學(xué)習(xí)體驗(yàn)科學(xué)家對(duì)知識(shí)不斷探索的精神,全面培訓(xùn)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

        二、教學(xué)過(guò)程

        (一)創(chuàng)設(shè)科學(xué)資料情景,導(dǎo)入新課

        展示沃森和克里克發(fā)表的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)論文中關(guān)于DNA復(fù)制的思考。引發(fā)學(xué)生思考:堿基的配對(duì)原則暗示DNA復(fù)制的可能機(jī)制是什么?而科學(xué)家用可能這一詞反映科學(xué)研究有什么特點(diǎn)?由此引出本節(jié)課的內(nèi)容。

        設(shè)計(jì)意圖:自然延續(xù)上節(jié)課內(nèi)容,以科技文章創(chuàng)設(shè)背景,激發(fā)學(xué)生探究興趣,培養(yǎng)科技文章閱讀興趣,養(yǎng)成關(guān)注科學(xué)發(fā)展的習(xí)慣,并體會(huì)科學(xué)研究中大膽想象,但結(jié)論又必須建立在確鑿的證據(jù)上的求實(shí)精神。

        (二)假說(shuō)-演繹法探究

        1.提出問(wèn)題:DNA復(fù)制的機(jī)制是什么?

        2.作出假說(shuō):展示沃森和沃森及科學(xué)家提出的關(guān)于DNA全保留和半保留復(fù)制的論文和圖例,引導(dǎo)讓學(xué)生提出假說(shuō):半保留復(fù)制和全保留復(fù)制,并以此分為兩組開(kāi)展探究活動(dòng)。

        設(shè)計(jì)意圖:以科學(xué)家的研究讓學(xué)生自然提出兩種假說(shuō),并通過(guò)分組活動(dòng)提高課堂效率。

        3.演繹推理:

        創(chuàng)設(shè)活動(dòng)1:讓全班學(xué)生分為兩個(gè)組,每組畫(huà)出兩種假說(shuō)復(fù)制產(chǎn)生的子一代DNA和子二代DNA的DNA鏈組成,每組安排一位代表到黑板上進(jìn)行展示(用兩條紅色帶磁鐵的紙條表示DNA的母鏈,提供數(shù)條帶磁鐵的白色紙條代表新子鏈)。

        設(shè)計(jì)意圖:采用模擬模型構(gòu)建系統(tǒng),將抽象的知識(shí)更加形象化,更便于學(xué)習(xí)者掌握。

        提出啟發(fā)性問(wèn)題:如何用實(shí)驗(yàn)證明DNA是半保留還是全保留復(fù)制?在實(shí)驗(yàn)中跟蹤物質(zhì)的變化,可以利用哪種科學(xué)技術(shù)?引導(dǎo)學(xué)生想到同位素標(biāo)記法。

        創(chuàng)設(shè)活動(dòng)2:模擬密度梯度實(shí)驗(yàn)的原理,教師將不同數(shù)目鋼釘?shù)娜N泡沫條放入裝有氯仿、水、食用油的燒杯,可觀察到燒杯中三種泡沫條分為上中下三層。

        提出啟發(fā)性問(wèn)題1:為什么會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象? 跟什么有關(guān)?學(xué)生在仔細(xì)觀察后看出鋼釘數(shù)量不同導(dǎo)致分層現(xiàn)象,穿鋼釘數(shù)目較低的泡沫條處于最上層,穿鋼釘數(shù)目最高的泡沫條處于最下層,穿鋼釘數(shù)目居中的處于中間層。問(wèn)題2:如果鋼釘重量就代表DNA的分子量大小,不同分子量的DNA分子如何分布?教師指出: 氯仿、水、食用油的密度依次減小,即燒杯中的液體密度從上到下依次增加,這樣就形成了密度梯度。指導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論:分子量較小的DNA分子漂在密度較低的溶液上(上層),分子量較大的DNA分子飄在密度較大的溶液(下層)上,而分子量居中的會(huì)處于在中層。

        老師再以科學(xué)知識(shí)解釋利用同位素技術(shù)和離心技術(shù)在試管中分辨含有不同N元素的DNA的實(shí)驗(yàn)原理。

        設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)教具模擬密度梯度離心法,讓深?yuàn)W的科學(xué)技術(shù)更加淺顯易懂。

        創(chuàng)設(shè)活動(dòng)3:在學(xué)生已理解密度梯度離心技術(shù)的原理后,展示背景活動(dòng):假設(shè)親代大腸桿菌的DNA雙鏈被15N標(biāo)記,用含14NHCl的培養(yǎng)液對(duì)大腸桿菌進(jìn)行培養(yǎng),再提取子一代和子二代的DNA進(jìn)行梯度離心處理,請(qǐng)用橫線表示出離心后DNA分子分布在試管中的位置。學(xué)生完成后,每個(gè)組選一個(gè)代表到黑板上展示。

        設(shè)計(jì)意圖:結(jié)合掌握的背景知識(shí),演繹推理出實(shí)驗(yàn)原理,為下一步的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)提供思路和依據(jù)。

        4.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

        創(chuàng)設(shè)活動(dòng)四:提供以下材料:被15N標(biāo)記的大腸桿菌DNA、含14NHCl的培養(yǎng)液,請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究DNA復(fù)制的方式。請(qǐng)寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路和預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 學(xué)生在學(xué)案中完成后,老師在希沃展示臺(tái)上展示完成情況,并做點(diǎn)評(píng)。

        設(shè)計(jì)意圖:訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力及文字表達(dá)的規(guī)范化。

        5.實(shí)施實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證假說(shuō)

        課件展示實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證假說(shuō)。

        6.得出結(jié)論

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果與半保留復(fù)制假說(shuō)的內(nèi)容符合,師生共同得出結(jié)論:DNA是半保留的方式進(jìn)行復(fù)制。

        7.進(jìn)一步探究

        引導(dǎo)學(xué)生提出下一問(wèn)題:DAN復(fù)制需要什么條件?有什么特點(diǎn)?過(guò)渡下一個(gè)內(nèi)容。

        設(shè)計(jì)意圖:把復(fù)雜的科學(xué)史作為探究背景材料,引導(dǎo)學(xué)生用假說(shuō)演繹法,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步運(yùn)用探究實(shí)驗(yàn)程序得出結(jié)論,讓學(xué)生領(lǐng)悟假說(shuō)演繹法的科學(xué)研究方法的應(yīng)用和生物學(xué)的實(shí)證要求特點(diǎn)

        (三)DNA的復(fù)制

        1.創(chuàng)設(shè)生活情景探究DNA復(fù)制的條件

        資料一:以某病毒核酸檢測(cè)為情景,通過(guò)核酸檢測(cè)的原理視頻,展示包含病毒樣本(咽、鼻拭子)(下轉(zhuǎn)第頁(yè))(上接第頁(yè))經(jīng)裂解提純后得到病毒RNA,經(jīng)逆轉(zhuǎn)錄獲得cDNA,再經(jīng)PCR體外擴(kuò)增得到大量DNA,而后進(jìn)行DNA探針熒光檢測(cè)的過(guò)程。并展示了核酸檢測(cè)試劑盒中的四種成分(4種游離的脫氧核苷酸、緩沖體系、DNA聚合酶)和PCR反應(yīng)流程(變形、退火、延伸),讓學(xué)生由此概括細(xì)胞中DNA分子復(fù)制的條件:原料、模板、酶。

        設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)熱門(mén)生活實(shí)例,培養(yǎng)學(xué)生關(guān)心生物科技與生活的聯(lián)系,提升社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

        資料二:展示關(guān)于DNA體外復(fù)制時(shí)需要添加少量DNA引子和ATP能量原料才能復(fù)制的科學(xué)實(shí)驗(yàn)材料,引導(dǎo)學(xué)生思考DNA復(fù)制的條件:除了原料、模板、酶,還需要ATP提供能量和引子。

        2.創(chuàng)設(shè)資料背景探究DNA復(fù)制的特點(diǎn)

        展示資料1:DNA完全解旋需要7小時(shí),再加入原料合成子代需要8小時(shí),但如果條件齊備,完成復(fù)制只需要7.5小時(shí)。展示資料2:人類腫瘤細(xì)胞DNA復(fù)制的時(shí)間資料。引導(dǎo)學(xué)生明白多起點(diǎn)復(fù)制的特點(diǎn),通過(guò)兩則資料,得出結(jié)論:DNA是邊解旋邊復(fù)制、多起點(diǎn)復(fù)制的特點(diǎn)。

        3.以DNA復(fù)制的動(dòng)畫(huà),驗(yàn)證分析的結(jié)論

        播放DNA復(fù)制的動(dòng)畫(huà),師生一起總結(jié)DNA復(fù)制的三大步驟:解旋-合成子鏈-復(fù)旋。

        (四)歸納總結(jié),形成概念

        通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究、資料分析、動(dòng)畫(huà)展示,學(xué)生已經(jīng)掌握了DNA復(fù)制的機(jī)制、DNA復(fù)制的條件、DNA復(fù)制的過(guò)程和特點(diǎn)。此時(shí)引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)DNA復(fù)制的概念。并利用已學(xué)知識(shí),結(jié)合細(xì)胞分裂、細(xì)胞結(jié)構(gòu),對(duì)DNA復(fù)制知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理和總結(jié),表格中列出:復(fù)制的時(shí)期、場(chǎng)所、基本條件、過(guò)程、準(zhǔn)確性的原因、準(zhǔn)確復(fù)制的意義。學(xué)生們通過(guò)表格歸納填寫(xiě)。

        最后,老師再重新梳理本節(jié)內(nèi)容,引導(dǎo)學(xué)生歸納DNA復(fù)制的概念。

        設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)圖表,培養(yǎng)學(xué)生的歸納能力,同時(shí)構(gòu)建了DNA復(fù)制的概念。

        三、教學(xué)反思

        (一)本節(jié)課利用DNA復(fù)制的科學(xué)史作為探究實(shí)驗(yàn)的背景材料,以探究式學(xué)習(xí)過(guò)程,結(jié)合模擬模型構(gòu)建,用教具實(shí)驗(yàn)?zāi)M復(fù)雜科學(xué)實(shí)驗(yàn)的原理,學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等方式讓探究性學(xué)習(xí)過(guò)程更加真實(shí)和有意義,而不是停留在探究流程,讓科學(xué)探究能力真實(shí)內(nèi)化到學(xué)生的科學(xué)思維中,落實(shí)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)關(guān)鍵。

        (二)通過(guò)對(duì)科學(xué)史的學(xué)習(xí),使學(xué)生感受科學(xué)家們勇于提出質(zhì)疑,但也追求確鑿實(shí)驗(yàn)證據(jù)上的求實(shí)精神,培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)中的社會(huì)責(zé)任精神。

        (三)通過(guò)資料層層構(gòu)建DNA復(fù)制的概念,有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的深入理解和應(yīng)用,同時(shí)有利于發(fā)展學(xué)生的生命觀念。

        (四)以核酸檢測(cè)作為資料材料,科學(xué)進(jìn)步與生活息息相關(guān),讓學(xué)生認(rèn)識(shí)生物學(xué)習(xí)與社會(huì)發(fā)展的密切關(guān)系,是生物學(xué)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要內(nèi)容。

        【本文系廣東省教育科學(xué)規(guī)劃課題“核心素養(yǎng)導(dǎo)向的高中生物實(shí)驗(yàn)探究式學(xué)習(xí)研究”(課題批準(zhǔn)號(hào)2019YQJK317)資助】

        參考文獻(xiàn):

        [1]楊君.“DNA的復(fù)制”一節(jié)的探究式教學(xué)設(shè)計(jì)[J].生物學(xué)教學(xué),2015,40(8):3.

        [2]劉本舉.“DNA的復(fù)制”基于科學(xué)史探究的教學(xué)[J].生物學(xué)教學(xué), 2008(3):3.

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