從認知到建構：高中生物DNA雙螺旋結構“模型”教學策略探析

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》提出教育質量根本標準是“促進人的全面發展、適應社會需要”，學生發展核心素養恰與標準指向相一致。模型認知是高中生物核心素養的重要組成部分。從學習認知已有的模型，再到根據學生的知識特點自主建構模型，更符合建構主義學習理論及生物核心素養倡導的學習方式的轉變。而模型本身的運用是深化認知的必須的遷移階段。

1.直面現狀：生物教育界對“模型”的教與學關注較少

1.1教學方式局限性—疏忽模型觀

以我校兩校區為樣本，投放關于“高中生物模型教學策略”的調查問卷，調查結果顯示6%的教師持觀望態度，對“模型”教學的思想方法缺乏深入的了解。38%的教師難以擺脫舊教材框架的局限和傳統教育思維定勢的影響，教學中出現了必修和選修教材一步到位，造成目標性拔高。47%的教師在計劃教學活動時依然著重于教材中的知識結構，真實的教學情境中缺少模型觀，忽視了從模型切入的引導，在教學中無法關注高于知識本身的學科核心素養。只有9%的教師通過引導學生建構模型，設計實驗并進行有效探索，引導學生從“知識系統”向“多元能力”轉化。

1.2學習方式單一化—缺乏系統性

學習不該是割裂的、片段的內容組成而應將系統性的認識論架構作為統籌的依據。因此，學習方式應避免單一化，強調綜合性。

1.3運行評價簡單化—忽視差異性

生物學習評價包括學業水平等級考試和日常學習評價。學業水平等級考試按照課程標準和等級劃分進行考核。生物日常學習評價的基本途徑和方法包括課堂提問與點評、練習與作業、復習與考試等。

課堂提問的設計應巧妙關注“模型認知”能力水平達成情況的診斷。例如：酶的課堂提問中，酶具有專一性，為什么有些酶能催化幾種底物反應呢？可以通過實物模型展示酶的活性位點具有較廣的包容性。教師在課堂實例中有意識地強調建構思維模型的重要作用，學生才能逐步把握論證證據與模型建立及其發展之間的關系。

教師應依據各主題的學業要求，精心編制試題，題目應具有一定的情境性和綜合性。學生唯有將個人生活情境、先前知識與將要學習的知識聯系，才能將所學到的相關科學知識類推應用到自己的生活情境之中。通過考試，教師也才可以較為準確地診斷達成情況，為有針對性地提出改進建議提供依據。

“模型”教學策略遵循模型認知規律，從引導學生認識模型到理解模型再到運用模型，最后建構模型。“模型”教學策略是教學內容和教學策略的合體。理解模型和進行模型建構活動是學生理解生物學的一把鑰匙[1]，尤其在DNA雙螺旋結構的學習中模型構建至關重要。

2.DNA雙螺旋結構模型構建的過程

2.1認知前提

20世紀中葉，DNA被確認為遺傳物質。富蘭克林拍攝DNA的X射線衍射照片如圖1表明，DNA是由兩條長鏈組成的雙螺旋，磷酸根在螺旋的外側，堿基在螺旋內側;美國生物化學家卡伽夫發現DNA中A和T的含量總是相等，G和C的含量也相等。

2.2關鍵助力

沃森和克里克意識卡伽夫法則重要性后，請格里菲斯計算出A+T的寬度與G+C的寬度相等。他們采用了富蘭克林和威爾金斯的數據和判斷，并加以補充：磷酸根在螺旋的外側構成兩條多核苷酸鏈的骨架，方向相反;堿基在螺旋內側，兩兩對應。

2.3模型構建

科學規律往往隱蔽在生命現象的背后，并被紛繁復雜的、非本質的、無關的因素所掩蓋。因此，模型的建立過程就必然是一個艱苦的探索、發現過程[2]。受繆勒關于遺傳物質必須具有自催化、異催化和突變三重性的觀念影響下，沃森和克里克堅信DNA是遺傳物質，并且理解遺傳物質應該有什么樣的特性。這是沃森和克里克最終能夠在DNA分子結構揭秘的競賽中勝出的原因之一。

3.基于生物學科核心素養的對DNA雙螺旋結構的再認知

以培養學生生物學素養為原則，部分化學數量特征如各種化學鍵的鍵長、鍵能不做要求。對空間結構的數量特征比如每個核苷酸單體長度、鏈寬、溝寬不做要求。

描述DNA結構時，DNA兩條單鏈反向平行與接下來DNA復制的方向、轉錄的方向有關，堿基配對并以氫鍵連接，關系到DNA分子結構的穩定性，需要讓學生準確掌握。

卡伽夫法則和堿基互補配對原則與遺傳信息的傳遞和表達關系密切，需要學生熟練掌握和運用。

4.基于高中生物學生的DNA結構模型的再建構

高中生觀察能力很強，抽象思維等能力有一定的基礎，從發展學生核心素養及方便后續遺傳物質穩定性、遺傳信息的傳遞和表達等知識點的需要出發，用平面模型來講解如圖3的DNA結構模型更加適宜。

4.1空間結構

穩定的雙螺旋結構，兩條單鏈反向平行，根據磷酸基團連接脫氧核糖的位置分為5’端到3’端和3’端到5’端的兩條單鏈。

4.2基本骨架

磷酸和脫氧核糖交替連接排列在外側，形成穩定的支架。

4.3堿基互補配對

A和T配對，G和C配對，以氫鍵連接形成堿基對，A、T之間兩個氫鍵，C、G之間三個氫鍵;并推導出兩條單鏈（1鏈和2鏈）之間A1=T2，C1=G2，T1=A2，G1=C2。

4.4數量關系

根據卡伽夫法則，雙鏈DNA分子中A=T，C=G，并推導出很多的數量關系，如A+C=T+G，A+G=T+C等。

5.實踐運用

學生的科學探究、科學思維能力是在解決具體問題的過程中培養出來的，要基于此來發展學生的生命觀念和社會責任[3]。我們構建模型的初衷，在掌握規律、解決具體問題以外，更重要的是培養核心素養。

例題1：某真核生物DNA片段的結構示意圖如下。下列敘述正確的是

A.①的形成需要DNA聚合酶催化

B.②表示腺嘌呤脫氧核苷

C.③的形成只能發生在細胞核

D.若α鏈中A+T占48%，則DNA分子中G占26%

解析 ①氫鍵的形成不需要DNA聚合酶催化;②是腺嘌呤;③是磷酸二酯鍵，合成DNA的場所還可能是線粒體、葉綠體，所以A、B、C均錯;α鏈中A+T=48%，則DNA分子中A+T=48%，G占26%，D正確。

從例題看出，通過模型我們將DNA分子結構穩定性與遺傳多樣性統一起來，運用舊知識分析新情境，解決新問題[4]。

可見，“模型”教學策略能夠逐步引導學生從教材、課堂中獲悉生物知識里巨觀、中觀與符號之間的關系，并從中逐步修正既有的心智模式使其趨于正確的生物模型。減少生物本身在教學過程中的抽象性，學生需要建立模型觀，“模型”教學策略可以為學生們提供形象、直觀的教學感受。建構概念模型有利于培養學生的歸納能力和語言表述能力，使學生的知識結構化而得以簡化，有助于培養學生的創造性思維。

參考文獻

[1]譚永平.高中生物學新課程中的模型、模型方法及模型建構[J].生物學教學，2009，34（1），10-12

[2]蔣丹.模型與模型建構在高中生物學教學中的價值[J].生物學教學，2010，35（12），23-24

[3]尹濤，張佳藝，朱梅.基于模型建構的高中遺傳學生物試題-以2017年高考理綜全國卷第32題為例[J].基礎教育論壇，2018（11），55-56

[4]顧頡剛，張旭.科學史在DNA的復制一節教學中的應用[J].生物學通報，2014，49（8）27-29

作者簡介：陳德坤，性別：男，職稱：一級教師，學校：杭州第十四中學，研究方向：中學生物教育和教學