指向科學思維養成的高中生物學“物理模型”的教學實踐探究

摘 要：本文以“DNA的結構”一節為例，將物理模型應用于高中生物學教學。筆者通過師生共同構建DNA雙螺旋物理模型的教學實踐，使學生能夠深入理解和掌握DNA分子的結構特點及特性，進而形成完整的知識體系。本教學實踐旨在培養學生的科學思維，增強其分析問題和解決問題的能力。

關鍵詞：科學思維；模型構建；DNA的結構；教學實踐

文章編號：1003-7586（2024）11-0034-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

物理模型可以將復雜抽象的生物學概念轉化為具體的形象，從而幫助學生理解和掌握這些生物學概念。在模型構建的過程中，學生進行小組合作，共同探討并解決問題。模型構建不僅促進了學生間的交流與合作，還鍛煉了他們的空間想象和問題解決能力。此外，模型構建還能幫助學生更深入地理解生物學的核心概念，提升其對生物學知識的綜合運用能力。

1 教材分析

“DNA的結構”是人教版普通高中教科書《生物學·必修2·遺傳與進化》（以下簡稱“教材”）第3章第2節的內容，本節的主要知識點是DNA的平面結構和雙螺旋結構，是學習基因表達、變異、育種與進化及基因工程等后續內容的基礎。“DNA的結構”這節課程在分子層面上進行教學，內容微觀且抽象，學生理解起來有一定難度。為解決這一難點，教師可以采用以下教學策略：①利用多媒體展示相關視頻，化抽象為具體，增加學生的感性認知；②引導學生動手構建模型，通過合作探究深化理解知識點。以上教學策略可以幫助學生理解知識點，

提升學生的科學思維和生物學學科核心素養，還符合學業質量評價的要求，突破傳統教學方法的局限，具有重要的研究價值和實踐意義。

2 教學目標

（1）了解DNA雙螺旋結構的發現歷程，深刻感悟科學探索的艱辛與曲折，認同交流合作與多學科交叉在推動科學發展中不可或缺的作用，感受鍥而不舍、追求真理的科學家精神。

（2）掌握DNA雙螺旋結構，理解DNA的結構與其功能相適應的生命觀念。

（3）采用演繹推理的方法，掌握DNA分子中堿基數量的計算方法，理解DNA分子的多樣性和特異性，培養科學思維，能夠運用科學的方法分析和解決問題。

（4）通過制作DNA分子結構模型，培養觀察能力、空間想象力和分析理解能力，形成科學思維。

3 教學過程革新

3.1 創設情境，激發興趣

教師播放一段尋親視頻，提出問題：失散多年的父子如何確認親緣關系？教師補充DNA數據分析技術的相關知識，介紹我國DNA分析技術和數據庫建設的先進成就，及其在刑偵破案和醫學診斷等領域的廣泛應用。

設計意圖：教師通過創設真實情境，使課堂內容更加貼近實際生活，激發學生的學習興趣。同時，讓學生深刻認識到學習生物學知識的現實意義，即解決生產生活中的實際問題。這種直觀生動的教學方式能夠吸引學生的注意，提高學習效率，讓學生在輕松愉快的氛圍中掌握知識，形成正確的生命觀念。

3.2 深入回顧模型構建之路，鑄就科學探索之魂

學生對模型構建步驟進行預習，教師引導學生系統地梳理難點。教師通過PPT展示DNA結構的發現史，使學生深刻認識到生命科學的發展依賴于物理、數學和化學等學科的交叉融合，體現學科間相互滲透、共同進步的必然趨勢。沃森（J. D. Watson）和克里克（F. Crick）憑借獨特的思維，善用并整合他人成果，推動了科學的前進。教師以此來鼓勵學生培養堅持不懈的探索精神與團隊合作精神。

3.3 構建DNA雙螺旋模型，深化理解

3.3.1 回顧基礎，再啟新篇

教師通過PPT展示構建模型DNA雙螺旋所需要的材料，幫助學生重溫DNA的基本單位——4種脫氧核苷酸的化合物組成及其連接方式，確保學生對5號碳的位置有清晰的認知。

3.3.2 團隊協作，構建雙螺旋模型

學生分組進行合作探究，依次完成以下4個任務。

任務1：構建8個脫氧核苷酸。

任務2：構建1條脫氧核苷酸鏈（a鏈）。

任務3：構建與a鏈互補的另一條鏈（b鏈），并思考脫氧核苷酸是否隨意組合，探討其構建的原則。

任務4：基于以上任務，構建DNA的平面結構。

教師提問：兩條鏈是如何緊密結合的？它們之間的距離又是怎樣的？這種結合方式在生活中有何應用？最后，教師通過播放PPT展示4種堿基的結構（見圖1），引導學生仔細觀察，深化其對DNA雙螺旋模型的理解。

嘧啶類化合物是單一環狀結構，而嘌呤類化合物則呈現出雙環的形態。在此基礎上，結合學生們所構建的平面模型，由小組代表簡要描述對DNA結構的初步理解。

經過深入討論，學生們達成了如下共識：首先，DNA分子中兩條鏈的嘌呤與嘧啶堿基是互補配對的；其次，這兩條鏈之間的距離保持一致，形成了平行的空間關系；最后，DNA的平面結構被學生形象地比喻為梯子狀。為了進一步加深學生對DNA結構的理解，教師展示教材中的DNA結構圖和折紙制成的三維DNA雙螺旋模型。這種直觀的教學方式激發了學生的興趣，使抽象的DNA結構變得更為具體直觀，有助于學生迅速掌握并理解核心知識點。

設計意圖：在這一教學設計中，學生完成從簡單到復雜的模擬任務，增強其對DNA結構的感性認識。利用圖1中的嘧啶和嘌呤結構示意圖，學生能夠直觀地理解兩條鏈之間的平行關系。在模型構建活動中，學生經歷了從困惑、探索、錯誤組裝、糾錯到最終理解的完整過程，這不僅讓其體驗到了學習的樂趣，還增強了成就感。通過這種方式，學生能夠在腦海中形成清晰的DNA分子模型構象。

為了進一步激發學生的學習興趣并鞏固所學知識，教師組織以人體模擬核苷酸的活動。教師首先介紹人體核苷酸的結構：左手握拳代表磷酸，右手掌心寫上堿基，身體則代表脫氧核糖。隨后，教師引導學生合作完成兩項活動。

第一個活動要求學生構建兩條互補的多核苷酸鏈，重點探討如何連接相鄰的脫氧核苷酸以及如何實現磷酸—脫氧核糖的理論交替連接。教師鼓勵學生親身嘗試，加深對DNA結構的理解；將抽象的理論知識與實際操作緊密結合，促使學生積極思考與嘗試。在實際操作過程中，學生們當場觀察并驗證正確的連接方式，教師及時給予評價。隨后，教師再次強調連接的方法，引導后一位學生的左手輕輕抬起前一位學生的左腳。這一步驟的象征意義在于，手與腳的連接正如磷酸與脫氧核糖間形成的磷酸二酯鍵，通過這種方式，學生們共同構建出一條脫氧核苷酸鏈模型。

設計意圖：這一活動旨在培養學生的科學思維，同時激發他們對科學的探索精神，促進學生間的交流與合作。

第二個活動中，教師要求學生連接兩條互補鏈。學生伸出不同數量的手指來表示A與T、C與G的配對關系，根據堿基互補配對原則，尋找對應的“朋友”進行連接。在這個過程中，學生可能會出現混亂和產生錯誤，如當學生同向站立時，即使滿足堿基互補配對原則也無法連接，只有反向站立時才能成功連接。這種親身體驗可以讓其深刻理解DNA兩條鏈的反向平行結構。

設計意圖：通過親身構建模型，學生能夠更直觀地理解DNA分子的結構特征，如DNA基本骨架的構建、相鄰脫氧核苷酸之間磷酸二酯鍵的位置、兩條鏈的方向以及兩條鏈游離的磷酸和脫氧核糖的數量等。這不僅增強了學生對知識的記憶與理解，還激發了他們對科學的探索欲，同時培養了其探索能力和團隊合作精神。

3.4 深度思考與知識升華

教師引導學生思考脫氧核苷酸的排列組合并提出問題：如果有16對脫氧核苷酸對，且每種脫氧核苷酸的數目足夠多，那么每個位置有幾種可能性？總共會有多少種排列組合？如果擴展到n對呢？

學生們通過小組討論并結合數學知識，計算出4¹⁶種可能的組合，進而推廣到當有n對脫氧核苷酸對時，有4n種可能。這一過程中，學生們深刻體驗到DNA中堿基對排列的千變萬化，從而體會DNA的多樣性。

3.5 模擬成果的展示與特性分析

每個小組展示的DNA模型都獨具特色，反映了DNA的特異性，即每個DNA分子都有特定的堿基排列順序。除了特異性，DNA還具有穩定性，這主要由其獨特的雙螺旋結構決定。最后，教師總結DNA分子特性：堿基對的排列順序千變萬化（多樣性）；每個DNA分子都擁有其特定的堿基排列順序（特異性）；雙螺旋結構（穩定性）。

設計意圖：教師通過層層遞進的問題，引導學生逐步深入理解DNA的結構和特性，同時結合學生的反饋進行及時點評和修正，促進學生的深度學習和思維拓展，從而顯著提升教學效果。

4 教學反思

在此，教師采用了基于建模和模型的教學方法，讓學生在實踐中探索、分析并總結DNA分子的結構特征。學生親手構建物理模型，不僅能夠直觀地理解DNA的結構，還能在小組交流中體會科學方法和科學精神。這種教學方式有效提高了教學效果，使學生能夠在實踐中深化對DNA分子結構特征的理解。在精心設計的探究活動中，教師完成傳授知識的教學目標，提升了學生的思維能力。同時，在活動的各個環節中，教師觀察學生的操作過程，特別注意堿基位置的準確性以及空間結構的合理性，對于出現的錯誤及時發現、展示給全體學生，并在討論中共同找出問題所在，進行糾正。這樣的討論過程不僅促進了學生思維的發展，也讓其在理論與實踐的交融中深化了知識理解，最終形成科學的結論。學生在實踐中不僅自主發現、分析問題，而且在解決問題的過程中提升了自身的生物學學科核心素養和解決問題的能力。