基于科學史的論證式教學設計

呂茜

摘 要 以科學史為依托，以“CER模型”為論證體系對“DNA分子的結構”進行探索；融入“模型建構”的方法，為學生提供思維載體，促進科學思維的發展，進一步明確遺傳信息的本質，促進學生結構與功能觀、信息觀等生命觀念的形成和發展。

關鍵詞 論證式教學 科學史 模型建構

中圖分類號 Ｇ633. 91 文獻標志碼 B

1 教學分析和設計思路

本節教學內容選自人教版生物學《必修2·遺傳與進化》第三章第二節， 《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》明確指出其對應的次位概念為：概述DNA分子是由四種脫氧核苷酸構成，通常由兩條堿基互補配對的反向平行長鏈形成雙螺旋結構。結合上位的重要概念和大概念（圖1），進一步確定如下教學目標：學生通過掌握DNA分子的結構進而理解遺傳信息的本質。教材提供的科學史和模型制作活動為學生全面理解DNA分子結構探索歷程，以及發展科學思維提供了良好的教學資源和思路，為明晰DNA分子結構、理解DNA復制和基因的表達等奠定了基礎。從知識和能力角度分析學生的學習難點主要包括：① DNA分子結構屬于抽象的微觀結構，學生難以理解其內涵。② 高一學生缺乏有機化學基礎知識，難以理解有機大分子的結構。③ DNA分子結構涉及多學科內容的融合，難度較大，對學生的思維要求較高。

針對學生的認知和思維障礙，結合發展學生學科核心素養的教學要求，本節課使用“論證式教學”方法主導教學過程的推進，以包含證據（Evidence）、推理（Reasoning）和主張（Claim）三個核心要素，同時融入“補充或修正”模塊形成的“CER”復合模型（圖2）作為本節課的科學論證模型。教師在合理拓展科學史資料的基礎上，以問題串形式構建主脈絡，引導學生通過科學論證層層深入，逐步解決DNA分子結構探索過程中的諸多問題：① DNA分子的基本單位是什么？② DNA中的脫氧核苷酸如何相連？③ 如何確定DNA中脫氧核苷酸鏈的數量？④ 如何確定脫氧核苷酸鏈之間的連接方式？其中主要的論證過程集中于“DNA中的脫氧核苷酸如何相連”和“如何確定脫氧核苷酸鏈之間的連接方式”這兩個問題，其論證過程分別如圖3和圖4所示。以“模型建構”為手段，通過建構“DNA 的基本單位-脫氧核苷酸長鏈-DNA的平面結構-DNA的雙螺旋結構”等一系列自下而上的物理模型，將抽象的 DNA 分子具象化，促進學生準確理解 DNA 分子的結構特點以及遺傳信息的本質。

2 教學目標

① 通過分析科學史資料，能夠運用科學論證的方法，全面認識DNA分子的雙螺旋結構，進一步形成結構與功能觀等生命觀念，發展質疑、實證等科學思維能力。

② 運用“模型建構”的方法構建DNA分子的物理模型，深入認識DNA分子的雙螺旋結構，發展“模型與建模”的科學思維。

③ 通過分析DNA雙螺旋結構模型準確掌握DNA分子的結構特點，理解遺傳信息的本質，奠定信息觀基礎。

3 教學過程

3.1 溫故啟新，奠定科學論證的基礎

教師以“‘打拐DNA信息庫的建立”為情境，指向對遺傳信息本質的思考和探索，再以結構與功能相適應的觀點引出對DNA分子結構的探究。

教師通過列舉“有絲分裂中親子代細胞形態、結構基本相同”和“自然界生物形態結構多種多樣”等事實，引導學生認識遺傳物質的穩定性和多樣性，為開展科學論證奠定思維基礎。再回顧脫氧核苷酸的結構，為學生探究DNA分子的結構奠定知識基礎。學生利用軟磁片、雙面膠等材料分小組完成脫氧核苷酸模型的制作，為后續探究搭建思維載體。

設計意圖：教師通過真實情境的創設，激發學生的學習興趣；同時通過引導學生認識遺傳物質的穩定性和多樣性，以及回顧脫氧核苷酸的結構并制作模型等活動奠定科學論證和探究活動的知識和思維基礎。

3.2 以“史”論證，探究DNA分子的結構

3.2.1 論證脫氧核苷酸連接方式

教師提問：①DNA中含有多少脫氧核苷酸？②DNA中的脫氧核苷酸又如何相連？經提問激發學生思考興趣后，教師提供資料1：20世紀20年代，化學家列文提出“四核苷酸”假說（圖5）。引導學生評價模型，并得出結論： “四核苷酸”結構不滿足遺傳物質多樣性的特點。

接著，教師提供資料2：1938年，化學家列文測得DNA的分子量可達200000-1000000D，確定DNA為大分子化合物。基于實驗數據，引發學生思考并提出質疑： “四核苷酸”結構無法形成大分子化合物。借此，教師展示了由列文構建的DNA結構修正模型：DNA分子是由相同的“四核苷酸”單元聚合而成的高分子化合物（圖6）。但經學生分析，發現該聚合結構仍存有不足，即“修正模型不能滿足遺傳物質具有多樣性的要求”。

為解決學生疑惑并進一步明確DNA的結構，教師提供資料3：1951年，化學家托德認為核苷酸之間通過磷酸二酯鍵進行連接。學生分析資料，分小組進行脫氧核苷酸鏈狀結構的模型構建，并展開生生互評和糾錯活動。最后，學生總結出“DNA是由4種脫氧核苷酸形成的呈鏈狀結構的大分子化合物”。

設計意圖：本環節通過補充“四核苷酸”假說和“磷酸二酯鍵”的發現過程，幫助學生全面了解脫氧核苷酸連接方式。據此，學生經歷對核心問題的探索、對主張的質疑和修正，體會求實創新的科學精神，為后續探索奠定基礎。

3.2.2 論證DNA中脫氧核苷酸鏈的數量

教師提問：DNA具有幾條脫氧核苷酸鏈？并提供資料4：① 1938年，科學家由DNA的密度推算出DNA中含有的脫氧核苷酸鏈數不少于2條，不多于4條。② 物理學家威爾金斯分析DNA分子發現：每個DNA結構單位有22個脫氧核苷酸，每條鏈上有11個脫氧核苷酸。學生總結：DNA分子由兩條脫氧核苷酸長鏈構成。

設計意圖：通過補充科學史資料，以具體數據論證雙鏈結構的合理性，強化知識的獲得過程。

3.2.3 論證DNA分子中兩條脫氧核苷酸長鏈的連接方式

教師通過陳述“沃森和克里克受到啟發，著手構建DNA雙鏈結構模型”的科學史實，鼓勵同學們積極動手，嘗試搭建DNA分子的結構模型，并引導學生將首要問題聚焦于“雙鏈的位置關系如何？”。學生分小組開展模型建構活動，最終獲得多種連接方式存在差異的模型，包括“堿基-堿基相連”“堿基-磷酸相連”和“磷酸-磷酸相連”等。

針對不同的建構結果，教師繼續提供資料5：磷酸和脫氧核糖親水，堿基疏水。學生聯系“DNA存在于水溶液中”的事實進行論證與討論，達成“DNA雙鏈中堿基與堿基相連”的共識，即堿基位于雙鏈結構的內側，而脫氧核糖和磷酸在外側，并與同伴配合完成模型修正。

隨后，教師展示多個DNA雙鏈片段，引導學生觀察模型間的差異，并鼓勵其對堿基連接方式進行討論：雙鏈堿基是同型相連（如A-A）還是異型相連（如A-T、A-G等）？教師通過堿基結構存在共性與差異等事實引導學生認識到“雙鏈堿基連接必然存在某種規律以支持 DNA 分子結構的穩定”，說明科學實驗分為定性實驗和定量實驗，啟發學生提出測定DNA堿基含量的研究方法，以此明確堿基連接方式的研究思路。

接著，教師提供資料6：數學家格里菲斯發現腺嘌呤吸引胸腺嘧啶，鳥嘌呤吸引胞嘧啶，且相互吸引的堿基邊緣相接；生化學家查戈夫通過實驗發現腺嘌呤與胸腺嘧啶含量相等，鳥嘌呤與胞嘧啶含量相等。基于資料，引導學生總結、獲得堿基互補配對原則的實質，即A與T配對，G與C配對。教師通過展示堿基對的結構式，明確指出堿基對之間存在氫鍵，并引導學生觀察堿基對的長度，基于長度相等的事實，促進學生對DNA雙鏈呈平行關系的理解。依據上述認識，學生分組構建DNA雙鏈平面結構模型，并進行組間互評，學生發現DNA雙鏈存在正向和反向平行兩種模型，從而產生質疑。

教師補充資料7：科學家佩魯茲對DNA進行晶體分析發現DNA的雙鏈呈相反方向排列。學生依據資料，修正、完成DNA雙鏈平面結構的模型制作。待學生完成模型修正后，教師再提出質疑，激發學生認知沖突：DNA只有平面結構嗎？通過展示資料8“1951年，沃森和克里克以DNA衍射圖譜的數據為基礎，推算出DNA呈螺旋結構”和DNA雙螺旋的立體結構模型，促使學生對DNA平行、反向、立體的雙螺旋的結構形成直觀認識。

接著，教師繼續追問此時DNA雙螺旋模型能否認定為科學事實。學生討論后提出“模型還未經過驗證”的回答，教師通過引導學生思考驗證模型合理性的方法，鼓勵其發散思維。為解決這一問題，教師提供資料9指出威爾金斯詳細分析了沃森-克里克的雙螺旋模型與DNA的X衍射數據之間的對應關系，證明了DNA雙螺旋結構的合理性。

設計意圖：通過合理補充科學史，引導學生結合物理模型對雙鏈中堿基分布位置、堿基連接方式等關鍵問題進行論證，同時加入模型驗證環節，以此加深學生對DNA結構的認識和對科學探索精神的感悟，強化邏輯自洽在科學論證過程中的重要性。

3.3 由“表”及里，揭示遺傳信息的本質

教師首先引導學生用表格歸納“DNA分子的結構要點”，進而引導學生比較不同DNA分子的片段，尋找DNA雙鏈中的“變與不變”，歸納DNA的結構特性（表1），明確遺傳信息的本質。

學生總結：遺傳信息就蘊藏在DNA分子堿基對的排列順序中。

設計意圖：通過比較和分析DNA分子中“變”和“不變”的結構，學生明確DNA的結構特點決定其功能特性 — — “穩定性、多樣性和特異性”，揭示遺傳信息的本質，幫助學生形成結構與功能觀、信息觀等生命觀念。

4 教學反思

（1）合理利用科學史進行“論證式”教學，發展學生的科學思維

本節內容涉及的科學史極為豐富，并且涉及生物學、物理學和化學等多學科的交叉融合，因此需要精心選擇科學史料并做適度加工，以求史實資料符合高一學生的思維特點和認知水平，力求在不增加思維障礙點的基礎上啟發學生進行科學論證。通過科學論證使每一個結論都有證據支撐，在此過程中，學生既能學習科學探究的方法，提升科學思維能力；又能感悟求真、創新、務實的科學精神，提升科學素養。

（2）利用“模型建構”教學，為科學論證提供載體

學生在課堂上表現出了對模型建構活動的極大興趣，通過小組合作討論的方式建構DNA雙鏈物理模型，使抽象的內容具象化，既加深學生理解，也促進思考，為其進行科學論證提供了良好的思維載體，也使學生認識到“模型與建模”是科學探究中的重要思維方法。