基于教材融合的“DNA的結(jié)構(gòu)”教學(xué)設(shè)計(jì)

摘" 要：本文以教材中“DNA結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建”的科學(xué)史資料為主體，整合多版本教材的相關(guān)內(nèi)容對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)呢S富和拓展，并創(chuàng)設(shè)系列問題情境，旨在引導(dǎo)學(xué)生基于證據(jù)解決問題，并逐步構(gòu)建DNA的分子結(jié)構(gòu)模型。教學(xué)過程中，教師應(yīng)著重引導(dǎo)學(xué)生理解DNA分子結(jié)構(gòu)與功能之間的適應(yīng)性關(guān)系，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維等科學(xué)思維能力，以期發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)史；DNA的結(jié)構(gòu)；教材融合；教學(xué)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)：1003-7586（2024）12-0080-03" 中圖分類號(hào)：G633.91" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

基金項(xiàng)目：（1）重慶市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年立項(xiàng)課題“‘三新’視域下基于學(xué)生高階思維能力培養(yǎng)的高中生物學(xué)模型構(gòu)建實(shí)踐研究”（K23YG1070033）；（2）重慶市教育學(xué)會(huì)第十屆基礎(chǔ)教育科研2021年立項(xiàng)課題“生物學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)視域下的學(xué)生科學(xué)思維能力培養(yǎng)策略研究”（XH2021A065）。

教材作為教師開展教學(xué)活動(dòng)不可或缺的基本素材，同時(shí)也是學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的核心材料。它不僅是學(xué)生的讀本與教師的教本，更是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入思考和探究的重要指南，并在一定程度上構(gòu)成了教師實(shí)施探究式教學(xué)的框架，具有顯著的教學(xué)論指導(dǎo)意義。［1］鑒于此，在新一輪課程改革深入推進(jìn)及多版本教材并存的背景下，廣大教師應(yīng)積極轉(zhuǎn)變教學(xué)思路，實(shí)現(xiàn)從“教教材”向“用教材教”的根本性轉(zhuǎn)變。因此，在教學(xué)過程中，教師需對(duì)各版本教材進(jìn)行系統(tǒng)的對(duì)比分析與合理融合，創(chuàng)造性地運(yùn)用教材資源，以期有效促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。［2］

1" 教材分析與設(shè)計(jì)思路

“DNA的結(jié)構(gòu)”是“遺傳與進(jìn)化”模塊的核心內(nèi)容之一，在《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）中，針對(duì)此部分內(nèi)容的教學(xué)建議包括“搜集并研討DNA分子結(jié)構(gòu)模型建立歷程的相關(guān)資料”以及“動(dòng)手制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”。因此，深入理解DNA分子的結(jié)構(gòu)特征，對(duì)于學(xué)生從分子層面把握遺傳物質(zhì)的本質(zhì)及作用機(jī)理至關(guān)重要，故該內(nèi)容被視為本節(jié)教學(xué)的重點(diǎn)。鑒于DNA分子的微觀特性及其編碼遺傳信息的抽象性，學(xué)生對(duì)DNA分子結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)的理解同樣構(gòu)成了本節(jié)教學(xué)的難點(diǎn)。

通過學(xué)習(xí)生物學(xué)科學(xué)史，學(xué)生能夠回溯科學(xué)發(fā)展的軌跡，體悟科學(xué)探究精神，這不僅有助于掌握科學(xué)的研究方法，還能有效促進(jìn)其科學(xué)思維的發(fā)展。在2019年版的高中生物學(xué)教材中，多個(gè)版本均使用了大量篇幅來展現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的發(fā)現(xiàn)過程，各版本教材的具體內(nèi)容對(duì)比如表1所示。

本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)主要圍繞人教版普通高中教科書《生物學(xué)·必修2·遺傳與進(jìn)化》中的科學(xué)史資料展開，同時(shí)整合并借鑒了多版本教材中的科學(xué)史內(nèi)容，對(duì)這些資料進(jìn)行豐富與拓展。教師引導(dǎo)學(xué)生回溯科學(xué)家構(gòu)建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的歷史進(jìn)程，嘗試歸納DNA分子的結(jié)構(gòu)特征，并以此為基礎(chǔ)，組織小組合作學(xué)習(xí)活動(dòng)，動(dòng)手構(gòu)建DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。此舉能夠有效突破教學(xué)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，提煉科學(xué)方法并滲透科學(xué)精神，以期提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2" 教學(xué)目標(biāo)

基于《課程標(biāo)準(zhǔn)》的內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求和學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并緊密圍繞培養(yǎng)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的核心理念，筆者制定了以下教學(xué)目標(biāo)。

（1）能夠總結(jié)并歸納DNA分子的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)與功能的角度出發(fā)，深化對(duì)DNA分子的認(rèn)知。

（2）通過對(duì)科學(xué)史料進(jìn)行分析，逐漸構(gòu)建、修正并完善DNA分子的結(jié)構(gòu)模型，發(fā)展模型與建模的科學(xué)思維能力和批判性思維。

（3）通過對(duì)實(shí)驗(yàn)證據(jù)進(jìn)行分析，明確DNA分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并開展制作DNA分子模型的課外活動(dòng)，培養(yǎng)科學(xué)探究能力及團(tuán)隊(duì)合作精神。

（4）通過對(duì)DNA檢測(cè)等應(yīng)用進(jìn)行討論，發(fā)展運(yùn)用生物學(xué)知識(shí)和方法解決現(xiàn)實(shí)生活中問題的能力。

3" 教學(xué)過程

教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材相關(guān)內(nèi)容，自主搜集相關(guān)科學(xué)史資料。學(xué)生嘗試解決以下問題：①在沃森（J. D. Watson）和克里克（F. Crick）研究DNA分子的結(jié)構(gòu)前，科學(xué)界對(duì)DNA的認(rèn)識(shí)如何？②沃森和克里克在構(gòu)建模型的過程中，需要進(jìn)一步解決哪些問題？

3.1" 創(chuàng)設(shè)情境，設(shè)疑導(dǎo)入

教師播放“通過DNA檢測(cè)鎖定嫌疑人”新聞視頻并提問：①為什么僅通過DNA檢測(cè)就可以鎖定犯罪嫌疑人？②DNA是怎樣儲(chǔ)存遺傳信息的？

設(shè)計(jì)意圖：教師通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，激發(fā)學(xué)生探究DNA分子結(jié)構(gòu)的熱情和興趣，同時(shí)讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到生物學(xué)知識(shí)服務(wù)于生活，培養(yǎng)其科學(xué)探究能力。

3.2" 溫故知新，探究準(zhǔn)備

教師提出問題：①DNA分子的組成元素是什么？②DNA分子的基本單位由哪幾種物質(zhì)構(gòu)成？③脫氧核苷酸是如何組成DNA長(zhǎng)鏈的？請(qǐng)畫出兩個(gè)脫氧核苷酸的連接方式示意圖。教師檢查資料的搜集情況，請(qǐng)學(xué)生代表回答課前提出的兩個(gè)問題。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過溫習(xí)舊知識(shí)，并為后面學(xué)習(xí)新知識(shí)做鋪墊；通過提出科學(xué)家需要進(jìn)一步解決的問題，明確要探究的內(nèi)容。

3.3" 史料拓展，深入探究

教師展示以下4則科學(xué)史資料并提出問題。

資料1：化學(xué)家鮑林（L. Pauling）在研究蛋白質(zhì)的α-螺旋結(jié)構(gòu)時(shí)，運(yùn)用了建立物理模型的方法，即先從理論上構(gòu)建多種可能的模型，隨后利用X射線衍射結(jié)果對(duì)這些模型進(jìn)行驗(yàn)證。1951年，鮑林成功建立了蛋白質(zhì)的α-螺旋模型，并計(jì)劃進(jìn)一步構(gòu)建DNA分子的結(jié)構(gòu)模型。

問題1：假設(shè)你是沃森或克里克，你將如何借鑒鮑林的方法，來構(gòu)建DNA分子模型？

資料2：富蘭克林（R. Franklin）等科學(xué)家利用X射線研究揭示，DNA分子由眾多亞單位以規(guī)則的螺旋幾何形狀堆積而成，每3.4 nm重復(fù)一次。DNA分子被確認(rèn)為一種長(zhǎng)鏈多聚體，具有恒定的直徑。富蘭克林團(tuán)隊(duì)通過測(cè)定發(fā)現(xiàn)，DNA分子的含水量與兩條鏈的模型相符，而非三條鏈。此外，將DNA分子翻轉(zhuǎn)180°后獲得的衍射圖譜與原圖譜完全一致，進(jìn)一步證實(shí)了其結(jié)構(gòu)特征。［3］

問題2：鑒于沃森和克里克嘗試構(gòu)建的三螺旋模型均未成功，結(jié)合資料2的分析，你認(rèn)為失敗的原因可能是什么？并據(jù)此推測(cè)DNA分子可能具有哪些空間結(jié)構(gòu)特征？

資料3：1952年2月，富蘭克林獲得了更為清晰的DNA分子衍射圖譜，該圖譜進(jìn)一步證實(shí)了DNA分子由兩條鏈構(gòu)成。同時(shí)，科學(xué)家對(duì)脫氧核苷酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)磷酸基團(tuán)表現(xiàn)出親水性，而堿基具有疏水性，且不同堿基之間能夠形成氫鍵。

問題3：借鑒細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)模型的原理，推斷DNA鏈中的堿基是位于外側(cè)還是內(nèi)側(cè)。

資料4：富蘭克林提供的清晰衍射圖譜進(jìn)一步驗(yàn)證了磷酸基團(tuán)與脫氧核糖位于DNA分子的外側(cè)，而堿基則位于內(nèi)側(cè)。此外，嘌呤分子的直徑小于嘧啶分子，因此由A-A（或G-G）構(gòu)成的堿基對(duì)比由T-T（或C-C）構(gòu)成的堿基對(duì)要小。數(shù)學(xué)家格里菲斯（F. Griffith）通過計(jì)算得出，相同堿基之間并不相互吸引，而是不同堿基之間才存在吸引力。［4］1950年，化學(xué)家查哥夫（E. Chargaff）的研究揭示了以下規(guī)律：腺嘌呤與胸腺嘧啶的數(shù)量之比，以及鳥嘌呤與胞嘧啶的數(shù)量之比，總是接近于1∶1。

問題4：沃森和克里克在嘗試構(gòu)建三螺旋模型失敗后并未氣餒，轉(zhuǎn)而致力于雙螺旋模型的構(gòu)建。然而，他們最初的努力并未取得成功。基于資料3和資料4的內(nèi)容，推測(cè)他們

失敗的原因，并為其提供相應(yīng)的建議。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)旨在還原科學(xué)探究的真實(shí)過程，讓學(xué)生深刻體會(huì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程中的艱辛與美麗。學(xué)生能夠通過史料分析，培養(yǎng)問題分析與解決能力以及科學(xué)思維能力，在探究過程中不斷成長(zhǎng)。

3.4" 回眸歷程，思想領(lǐng)航

教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小組討論，并解決以下問題：①請(qǐng)對(duì)上述資料進(jìn)行系統(tǒng)性梳理，闡述鮑林、富蘭克林、查哥夫等科學(xué)家在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)歷程中的關(guān)鍵性貢獻(xiàn)；②在上述資料中，涉及了哪些學(xué)科的知識(shí)與方法？這些跨學(xué)科的應(yīng)用對(duì)你理解生物科學(xué)的發(fā)展史有何啟示？③沃森與克里克之間的默契配合堪稱科學(xué)家合作研究的典范，這一合作模式給你帶來了哪些深刻的啟示？

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生全面總結(jié)DNA結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)過程中的科學(xué)方法、科學(xué)思想及科學(xué)精神，并啟發(fā)其學(xué)會(huì)借鑒他人的研究成果與經(jīng)驗(yàn)，理解交流與合作的重要性。

3.5" 小結(jié)提煉與首尾呼應(yīng)

教師再次呈現(xiàn)課前所提及的“待解決的問題”，并引導(dǎo)學(xué)生給出答案。隨后，教師展示DNA分子的平面圖與立體圖，并著重強(qiáng)調(diào)DNA分子結(jié)構(gòu)的核心內(nèi)容。接著，教師引導(dǎo)學(xué)生再次審視DNA分子平面圖，回答以下問題：①DNA分子的基本骨架——脫氧核糖與磷酸的交替連接，在整條鏈中是否保持恒定不變？②位于骨架內(nèi)側(cè)的堿基之間通過互補(bǔ)配對(duì)相連，其排列順序是否固定不變？③請(qǐng)推測(cè)DNA是如何存儲(chǔ)遺傳信息的？隨后，教師補(bǔ)充相關(guān)資料以進(jìn)一步說明DNA分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并引導(dǎo)學(xué)生回答課前引入的問題“為何僅憑DNA檢測(cè)即可確定犯罪嫌疑人的身份？”同時(shí)簡(jiǎn)要介紹DNA檢測(cè)技術(shù)。

設(shè)計(jì)意圖：教師通過總結(jié)DNA分子結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)容，并借助圖片進(jìn)行展示，以此突破教學(xué)重點(diǎn)。同時(shí)，教師通過補(bǔ)充資料深化學(xué)生對(duì)DNA結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，從而突破教學(xué)難點(diǎn)。此外，教師解決課前提出的問題，實(shí)現(xiàn)首尾呼應(yīng)，使課堂更加完整與連貫。

3.6" 小組展示，深化理解

在課程準(zhǔn)備階段，教師安排小組合作制作DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的課外實(shí)踐活動(dòng)，并明確以下要求：①小組成員需自主選定適宜的材料來構(gòu)建DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型；②制作完成后，需以文字形式對(duì)模型進(jìn)行必要的闡釋與說明。教師在此過程中應(yīng)給予適時(shí)的評(píng)價(jià)，并逐步引導(dǎo)學(xué)生深入理解DNA分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

設(shè)計(jì)意圖：教師通過制作與評(píng)價(jià)DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的過程，旨在讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的美學(xué)魅力，這不僅有助于學(xué)生深化對(duì)DNA分子結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，還促進(jìn)了學(xué)生批判性思維與質(zhì)疑精神的培養(yǎng)。此外，學(xué)生自主選擇材料并合作完成模型制作，這一過程對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的合作精神、創(chuàng)新意識(shí)以及實(shí)踐能力均具有重要意義。

4" 教學(xué)反思

在本教學(xué)研究中，筆者融合了多版本教材中關(guān)于DNA分子模型構(gòu)建的科學(xué)史內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)了貼近真實(shí)科研的情境，并通過設(shè)計(jì)一系列問題串，引導(dǎo)學(xué)生深入分析科學(xué)實(shí)驗(yàn)證據(jù)。此舉旨在幫助學(xué)生逐步構(gòu)建并優(yōu)化DNA分子的結(jié)構(gòu)模型，從而培養(yǎng)其科學(xué)思維能力。課程以引發(fā)學(xué)生興趣的生活素材作為導(dǎo)入，并以DNA檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用作為結(jié)尾，形成了良好的首尾呼應(yīng)，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并鍛煉了他們運(yùn)用生物學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

此外，筆者還安排課外小組合作制作生物模型的活動(dòng)，并在課堂上對(duì)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。這一環(huán)節(jié)不僅進(jìn)一步提升了學(xué)生的合作探究能力，還能夠培養(yǎng)其批判性思維和質(zhì)疑精神。同時(shí)，這樣的安排也為課堂中的科學(xué)史情境創(chuàng)設(shè)和問題解決預(yù)留了充足的時(shí)間。

在教學(xué)過程中，教師以沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)為主線，同時(shí)補(bǔ)充了其他相關(guān)科學(xué)證據(jù)進(jìn)行串聯(lián)，以還原科學(xué)發(fā)現(xiàn)的全過程。在此過程中，教師應(yīng)特別注意區(qū)分主次內(nèi)容，并著重強(qiáng)調(diào)生物學(xué)家沃森與物理學(xué)家克里克之間的合作精神。綜上所述，本研究通過一系列精心設(shè)計(jì)的教學(xué)活動(dòng)，旨在全面提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)和綜合探究能力。

參考文獻(xiàn)

［1］趙占良.中學(xué)生物學(xué)教材編制的基本理論問題芻議［J］.課程·教材·教法，2011，31（1）：55-63．

［2］吳先亮，譚萬梅.融合兩版本高中生物學(xué)新教材的教學(xué)探討—以“細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能”為例［J］.中學(xué)生物教學(xué)，2020（22）：33-35．

［3］ 吳明.DNA是如何發(fā)現(xiàn)的？——一幅生命本質(zhì)的探索線路圖［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2019：131-142．

［4］袁維新.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立過程［J］.生物學(xué)通報(bào)，1993（10）：42-43．