生物科學史及模型建構融合實踐研究
——以“核酸是遺傳信息的攜帶者”為例

高 箐

(福建省同安第一中學 福建廈門 361100)

生物學科核心素養是生物學教學育人價值的集中體現,更是實現立德樹人目標的重要途徑。 《普通高中生物學課程標準(2017 年版)》(以下簡稱《課程標準》)提出,運用模型與建模的方法,引導學生主動參與到科學探究過程中,逐步培養學生收集和處理科學信息的能力、分析和解決問題的能力,發展科學思維。 在實施建議部分,提倡利用科學史創設真實的探究情境,讓學生在真實的情境中親歷科學探究的過程,理解科學本質,掌握科學探究的方法和思路。

科學史學習和建構物理模型均是發展學生生物學學科核心素養的重要方法,而科學史與模型建構的有機結合,既能讓學生體驗真實的科學研究歷程,也可培養學生運用模型解決生物學問題的能力,有助于學生將來利用建模思維解決真實的科學問題。 因此,教師以“核酸是遺傳信息的攜帶者”一節的課堂教學為例,將生物科學史與模型建構相融合,培養學生的學科核心素養。

1 教材分析

本節課的主要教學內容是闡明DNA 與RNA 的區別與聯系,概述生物大分子以碳鏈為骨架的結構特點,從而使學生構建“核酸是核苷酸聚合而成,是儲存與傳遞遺傳信息的生物大分子”的重要概念。 本節內容既銜接了蛋白質的結構與功能,也為以后學習DNA的分子結構打下基礎。

2 教學設計思路

通過創設“核酸發現史”的情境,教師讓學生跟隨科學家的腳步探索核酸的發現歷程,激發學生對核酸結構的興趣,在引導學生分析科學史材料的過程中,提高學生分析資料、提取關鍵信息以及演繹推理的能力。 通過“核苷酸及核苷酸長鏈”的模型構建,學生可增強對核苷酸結構的感性認識,更直觀地認識到核酸由核苷酸聚合而成。 在比較小組間的核苷酸鏈模型時,教師引導學生思考:DNA 如何儲存大量的遺傳信息? 為什么DNA 可以為案件偵查提供證據? 從而培養學生運用模型建構思維解決生活中實際問題的能力,增強學生運用科學知識解釋生命現象的社會責任感。

3 教學目標

(1) 通過核苷酸以及核苷酸鏈模型的構建,闡明核酸由核苷酸聚合而成,生物大分子以碳鏈為骨架。

(2) 對核酸發現史進行討論分析,概述核苷酸的結構,歸納比較DNA 與RNA 的區別和聯系。

(3) 解釋DNA 在刑偵案件中的作用,揭露核酸保健品的內幕,向周圍民眾傳播正確的生物學知識。

4 教學過程

4.1 創設情境,激發探究欲望

在教學開始時,教師播放《鑒證實錄》電視劇中的一段劇情,劇情展示了警察通過現場DNA 判斷犯罪嫌疑人,從而引入探究問題:為什么DNA 可以提供犯罪嫌疑人的遺傳信息? 電視劇的劇情激發了學生的探究欲望,學生熱情高漲,對DNA 的結構產生興趣,并主動參與到“探索細胞中DNA 的結構與功能”這一主線任務中來。

4.2 以科學史為主線,培養科學探究精神

“核酸是遺傳信息的攜帶者”這節內容需要落實的核心問題是:① DNA 和RNA 在化學組成上有什么異同點? ② 核苷酸的排列順序與遺傳信息有什么關系? ③ 為什么說生物大分子以碳鏈為骨架? 其中,核心問題①可以通過科學史的學習來解決。

教師串聯科學史料,逐步構建核酸的結構。 首先,教師通過史料1 和史料2 得出核酸由磷酸、堿基與糖類三部分組成。 接著,教師拆分核酸的三個組分,利用史料3 和史料4 逐個突破堿基、糖類的概念。 最后,教師通過史料5 引入核酸的基本單位核苷酸,并利用逐步構建的概念圖歸納總結DNA 和RNA 的異同。

史料1:米舍爾將繃帶的膿血洗脫下來,先用酒精把細胞中的脂肪性物質去除,再用豬胃黏膜的酸性提取液(能夠去除蛋白質的胃蛋白酶粗制品)進行處理,對細胞核進行化學分析發現一種含磷量很高、對蛋白酶有耐受性的強有機酸,他將該物質命名為“核素”。 學生分析史料1,提取關鍵信息,推測核素的化學組成含有磷酸。

史料2:科塞爾發現核素是蛋白質和核酸的復合物。 他水解核酸后,得到核酸的基本成分是鳥嘌呤、腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶,還有糖類物質和磷酸。 學生分析史料2,驗證了核素中含有磷酸的猜測,確定核酸的組成包括磷酸、堿基和糖類,這體現了科學研究不僅需要大膽推測,更需要小心求證。 通過分析核酸的組成成分,學生總結出核酸的組成元素包括C、H、O、N、P,并小組討論,進一步總結了DNA 和RNA 在堿基方面的異同點。

史料3:列文證明核酸所含的糖類由5 個碳原子組成,將其命名為核糖。 他發現構成兩種核酸的糖類有兩種,另一種糖類比核糖少一個氧原子,命名為脫氧核糖。 在展示史料3 的同時,教師呈現了兩種五碳糖的化學結構圖片,化抽象為具體,使學生認識脫氧核糖和核糖的結構差異。

史料4:哈馬斯頓等人證明,DNA 是一種高分子量的長鏈結構,其分子量約在5×105-106之間。 學生運用類比推理法,結合已學的蛋白質結構特點,推測出核酸也具有小分子單位。

史料5:斯托伊德爾發現單糖、每種嘌呤或嘧啶堿基、磷酸的比例為1 ∶1 ∶1。 1934 年,列文發現核酸可被分解成含有一個嘌呤、一個核糖或脫氧核糖和一個磷酸的片段,這種組合被稱為核苷酸。 學生通過分析資料5,得出DNA 和RNA 的基本單位是核苷酸,并認識了核苷酸的基本組分及其碳原子的分布位置。 同時,教師結合板書對DNA 和RNA 的異同點進行總結,從而突破核心問題①,使學生構建核酸是生物大分子的生命觀念。

4.3 建構模型,培養科學思維

教師展示建構核苷酸模型的材料(圖1),說明每種卡片代表的含義。 綠色和黃色的五邊形卡片分別代表核糖和脫氧核糖;不同顏色的長方形卡片代表5種堿基;圓形卡片代表磷酸;黑色長條代表化學鍵。教師提供連接卡片和長條的雙面膠,學生前后桌4 人為一組,以小組合作的形式,按任務要求構建相應模型,完成后由小組代表展示模型。

圖1 核苷酸模型材料

任務1:構建含有脫氧核糖和腺嘌呤A 的核苷酸模型。 根據學生展示的模型,教師可以對學生的認知誤差進行修正,使學生能夠清楚地認識到脫氧核糖5個碳原子的位置,明確堿基是連接在1 號碳原子上,磷酸是連接在5 號碳原子上,對核苷酸的結構有更深刻的理解。

任務2:構建所有的脫氧核苷酸模型以及核糖核苷酸模型,說明脫氧核苷酸、核糖核苷酸、核苷酸、堿基分別有幾種,并依據這些模型的不同之處,嘗試對模型進行命名。 學生小組內分工合作,自主構建所有的核苷酸模型,并通過小組互評的方式,對錯誤的模型進行修正和完善,最終可得出4 種脫氧核苷酸模型和4 種核糖核苷酸模型,共8 種核苷酸模型,以及5種堿基。 學生小組代表總結模型制作過程,從堿基和五碳糖的角度對模型進行命名,得出命名規則為:堿基名稱+五碳糖名稱+核苷酸。 通過模型制作,學生更加深刻地認識了核苷酸的各個化學組分,能更清晰地辨別DNA 與RNA 的異同點。

任務3:參照書本中的核苷酸鏈圖片,將脫氧核苷酸模型連接成脫氧核苷酸長鏈模型,并說明連接的位置。 學生將核苷酸連成長鏈,能夠指出磷酸與脫氧核糖的3 號碳原子和5 號碳原子交替連接,更加深刻地認識了核苷酸鏈的結構,從而為其接下來學習DNA分子的結構奠定了知識基礎。

任務4:小組間合作,比較兩組的脫氧核苷酸長鏈模型有何不同。 教師讓兩組學生展示各自的脫氧核苷酸長鏈模型,并請小組代表說明兩組模型的不同之處,由此回歸到最初設置的情境中:為什么DNA 能夠鑒定犯罪嫌疑人的信息? 學生能夠用自己的語言解釋遺傳信息存儲在脫氧核苷酸的排列順序中。

4.4 展示單體結構,培養生命觀念

教師分別展示葡萄糖、纈氨酸和腺嘌呤脫氧核糖核苷酸的化學分子式(圖2),學生能夠自主發現這些物質均以碳鏈為骨架。 通過運用不完全歸納法,學生總結出生物大分子單體的特點,并結合課本中生物大分子的信息,構建出生物大分子以碳鏈為骨架的重要概念。

圖2 單體結構圖

4.5 學以致用,培養社會責任

教師展示習題,小組內學生自由討論,并由小組代表分享討論結果。

【例題】隨著生活水平的提高,人們對營養保健食品日益關注。 一些廠家在核酸保健品的廣告中用到類似的宣傳語:一切疾病都與基因受損有關;基因是核酸片段;補充某些特定的核酸,可增強基因的修復能力。

(1) 請對上述三段廣告宣傳語作出評析,指出其中的邏輯漏洞。

(2) 如果有人向你推銷核酸保健品,你將如何回應?

學生通過構建核酸結構、功能的相關概念,能夠將所學知識應用在實際生活中,解決真實問題,從而增強傳播生物學知識的社會責任。

5 教學反思

本節課中,教師挖掘教參“核酸的發現”中相關的教學資源,圍繞核酸的結構設計教學活動,還原了核酸結構的形成過程,引導學生逐步構建核酸的概念。這讓學生對核酸的興趣空前高漲,有學生在課后提出“科學家采取什么方法來提取核酸”等問題。 生物學教材有很多科學史內容,教師充分挖掘、篩選、串聯科學史內容能夠激發學生的探究熱情,讓學生體驗科學探究的樂趣、掌握科學探究的方法和學習科學家的探究精神。 在構建核苷酸模型的過程中,學生產生了“磷酸與五碳糖如何連接”等生成性問題,最終小組成員通過討論交流得出解決方案,充分發揮了團隊協作的力量。 學生親自動手構建生物模型,既增強了動手能力,也在構建過程中發展了抽象思維。 學生在小組合作討論中產生思維碰撞、進行協作交流,發展了團隊合作意識,提高了表達交流能力。