科學史與模型構建促進概念理解的教學設計

中圖分類號：G633.91文獻標識碼：B

1教材分析與設計思路

“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》第3章第2節的內容，根據《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》以下簡稱《課程標準》）要求，本節內容旨在構建次位概念“3.1.2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，堿基的排列順序編碼了遺傳信息”[DNA結構的科學性在于其確定了遺傳信息編碼的堿基互補配對原則，以及氫鍵“粘連”的雙鏈結構開合有度，為其所編碼的巨量信息的復制和遺傳提供了完美的方案。2DNA的結構屬于微觀層面，知識較為抽象，概念多且復雜，對學生的微觀辨析、空間認知能力均有較高要求。同時，該節內容揭示了基因的本質，在生物學教學中占有重要地位，為學生后續學習基因的表達和生物的變異等奠定了基礎。然而，在傳統教學中，教師通常先講述DNA結構相關科學史和知識點，隨后再開展模型構建活動。部分教師僅通過展示圖片、呈現文字等方式闡釋DNA結構相關概念，不僅增加了學生的思維負擔，也難以讓學生深人理解DNA結構的相關概念。

基于以上原因，本文通過科研素材創設情境導入教學內容，采用科學史與模型構建相結合的方式展開教學，促進學生對DNA結構相關概念的構建和深度理解。科學史蘊含豐富的學科知識以及科學家解決問題的思路和方法，而模型構建以跨學科的方式使抽象知識具象化。3][4]教師以科學史為思維主線，可以將抽象的概念邏輯化、系統化；以模型構建為實踐載體，可以將學生思維外顯化、可視化；引領學生深度參與科學家們的探索歷程，在自主構建、修訂和完善DNA結構模型的過程中，深人梳理和思考DNA結構探索歷程的發展內涵和脈絡，循序漸進地完善基于對概念理解的知識體系。同時，教師借助模擬實驗打破跨學科概念教學難點，最后回歸課堂情境，促使學生將所學知識遷移應用于解決科學問題，促進學生生物學學科核心素養的形成，并為生物學教學提供參考。

2教學目標

（1）通過分析科學史和構建模型，概述DNA的雙螺旋結構，并嘗試解釋其能夠儲存遺傳信息的原因，形成結構與功能觀。

（2）通過課前選材、課中構建和課后完善DNA雙螺旋結構模型，逐步形成模型與建模的科學思維，掌握科學探究的基本過程和方法。

（3）通過探究DNA結構模型的構建過程，感悟在科學研究中的繼承與開拓創新、學科交叉與相互合作以及探索求真的精神。

3教學過程

3.1設疑激趣，情境導入—古人類DNA破解人類起源

教師展示資料：2022年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者斯萬特·帕博（S.Paabo）通過對古人類基因組進行測序，揭示了現代人類與古人類的關聯，同時發現了新的古人類—丹尼索瓦人。5學生已知DNA是主要的遺傳物質，在此基礎上，教師提出問題： ① DNA是怎樣儲存遺傳信息的？什么使現代人類與古人類有所區別？ ② 距今約4萬多年的丹尼索瓦人指骨碎片中的DNA分子為什么依舊保存完好？其DNA結構具有什么特點？

設計意圖：教師以諾貝爾生理學或醫學獎為素材，介紹生物學科學研究前沿，通過創設真實情境，提出指向本節次位概念的核心問題，以問題驅動概念的構建，引導學生思考并激發學生對DNA結構的好奇心和探究欲。

3.2史料分析，模型構建—DNA雙螺旋結構模型的構建

3.2.1溫故啟新，模型展示 課前制作脫氧核苷酸

教師展示科學史1：1869年，米歇爾（F.Miescher）用胃蛋白酶處理膿細胞獲得含磷較多的物質，稱為“核素”，隨后奧爾特曼（S.Altman）發現從細胞核中分離出的不含蛋白質的物質是酸性的，故名“核酸”［20世紀初，科賽爾（L.Kossel）確定了核酸的組成成分。教師據此提出問題：DNA的基本單位是什么？組成成分有哪些？學生代表展示小組課前制作的脫氧核苷酸模型，并講解其組成成分以及4種脫氧核苷酸的名稱。各小組相互點評模型，最后教師做出評價并補充完善模型。

設計意圖：教師根據學生的生活經驗和已有知識，引導學生在課前制作脫氧核苷酸模型，培養學生合作交流及實踐能力。學生描述脫氧核苷酸的結構，強化知識間的銜接，組間相互點評促進模型與建模思維的發展，并為課中構建DNA雙螺旋結構模型奠定基礎。

3.2.2教師引領，模型構建—連接脫氧核苷酸長鏈教師展示科學史2：20世紀50年代初，托德（A

R.Todd）提出DNA長鏈由脫氧核苷酸依次連接而成，前一個核苷酸的3號碳原子的羥基與后一個核苷酸的5號碳原子的磷酸基團通過磷酸二酯鍵相連。教師引導學生利用脫氧核苷酸模型構建DNA長鏈。教師據此提出問題：DNA是否僅由一條脫氧核苷酸長鏈構成？

教師展示科學史3：1938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兩條，不多于四條。在此基礎上，學生嘗試構建DNA的結構模型。在構建過程中學生發現DNA的脫氧核苷酸鏈數及構建方式多樣，對如何構建DNA結構模型產生了疑問。教師據此補充沃森（J.D.Watson）和克里克（F.Crick）失敗的DNA結構模型構建經歷。

設計意圖：教師展示科學史強調磷酸二酯鍵的形成，引導學生構建脫氧核苷酸長鏈，隨后再次展示科學史，引導學生逐層解析DNA的脫氧核苷酸鏈數及構建方式，同時補充沃森和克里克失敗的DNA結構模型構建經歷，促使學生認識到科學探索的過程需要持之以恒，以此激發學生的求知欲。

3.2.3 學生操作，模擬實驗—再現DNA“螺旋”面紗

教師展示科學史4：威爾金斯（M.Wilkins）和富蘭克林（R.E.Franklin）應用X射線衍射技術獲得了高質量的DNA衍射圖譜。教師據此提出問題：如何依據圖譜推測DNA的結構？教師簡單介紹衍射圖譜原理，并提供實驗材料，引導學生使用激光筆水平照射豎直彈簧模擬X射線透過DNA分子。通過比較模擬實驗形成的“X\"形條紋與DNA衍射圖譜，學生直觀地感知到DNA的結構類似彈簧且呈螺旋狀。教師補充科學史：沃森通過染色體成對存在等生物學現象，推測DNA結構可能為雙螺旋結構。

設計意圖：教師通過模擬實驗將抽象的知識具象化，幫助學生打破跨學科概念理解的教學難點，深刻感知DNA的結構呈螺旋狀。這一過程能夠充分調動學生的積極性，逐步提升學生的科學思維和科學探究能力。

3.2.4史實串聯，修訂模型 構建DNA結構

教師提出問題：假設DNA呈雙螺旋結構，可以構建出哪些平面結構？教師鼓勵學生發散思維，構建出多樣化模型。在模型構建過程中，教師繼續展示科學史（見表1），引領學生基于科學史對構建的模型進行科學質疑并提出建議，隨后對模型進行重構、修訂，最終構建出正確的DNA平面結構模型。在此基礎上，教師引導學生將模型向右旋轉，得到DNA雙螺旋結構的立體模型。

設計意圖：教師運用科學史，開展科學論證式教學，引導學生基于科學事實得出科學結論，隨后逐步修訂、完善模型。學生嘗試以科學家的思維解釋和推理實驗過程，提升證據推理與模型認知能力。同時，學生體驗到科學是一個動態的過程，在不斷地質疑和求證、爭論和修正中發展。

3.3依托模型，生成概念 -歸納DNA結構特點

教師引導學生歸納DNA結構的主要特點，總結DNA結構相關概念，完善學生對DNA結構的認知。隨后，教師引導學生對比不同小組之間的模型，思考課堂導入的問題情境，嘗試從DNA結構的角度解釋古人類DNA能夠破解人類起源的原因，從而闡明DNA結構具有多樣性、特異性和穩定性。

設計意圖：教師依托學生自制DNA結構模型，歸納概括出DNA雙螺旋結構的主要特點，最終形成本節內容的次位概念。學生通過獲得的生物學概念解決真實的情境問題，感知知識的遷移應用，豐富科學概念的內涵和外延，在強化結構與功能觀的同時培養學生的社會責任意識。

3.4學有所思，行之有向—感悟科學研究歷程教師帶領學生回顧探索DNA結構的科學史時間軸以及與DNA相關的2022年諾貝爾生理學與醫學獎資料，引導學生從科學研究的過程和方法、科學態度、科學精神等方面進行充分討論并發表感想。

設計意圖：科學史不僅承載著豐富的學科知識，還蘊含科學家探索真知的智慧和執著追求、攻堅克難的科研精神，科學史時間軸展示了科學家們對DNA結構的探索過程。學生通過交流，感悟科學態度及探索求真、相互合作、科學繼承又不斷開拓創新的科學精神，促進生物學學科核心素養的形成與發展。

4教學反思

本節課以次位概念為引領，從提升學生的生物學學科核心素養出發，引導學生探究DNA雙螺旋結構。本節課的主要特點是通過科學史與模型構建相結合的方式體驗概念形成過程，從科學史中獲取有關DNA結構的相關概念，構建DNA雙螺旋結構模型。此外，教師采用情境教學法，在真實情境中解決實際問題、促成科學思維，并通過模擬實驗促進學生對跨學科概念的理解。學生采用合作學習的方式，在相互合作、評價中主動參與課堂，從而高效、順利達成課程目標。

本節知識點較多、活動較豐富，教師需要做好準備工作，學生需要做好課前預習并及時回顧相關知識。此外，教師需要關注學生選擇的構建模型的材料是否科學、經濟、環保，以及在操作過程中學生是否具有批判精神與合作精神等。

參考文獻

[1中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）[M.北京：人民教育出版社，2020.

[2]詹姆斯·沃森.雙螺旋（插圖注釋本）[M].賈擁民，譯.杭州：浙江人民出版社，2017.

[3]馬小明.例談生物科學史在提升學生學科核心素養中的應用[J].生物學教學，2019，44（7）：8-9.

L4鄭艷玲.生物學課堂教學模型構建例談J」.生物學教學，2016，41（7）：10-11.

[5]陳至鑫，曾武威，章靜波.我們何以為獨一無二的人類：2022年諾貝爾生理學或醫學獎簡介[J].解剖學報，2023，54（1）：1-2.

[6]李佩珊.DNA雙螺旋結構的發現及其在科學史中的源流[J].自然辯證法通訊，1979（4）：62-69.

[7]呂茜.基于科學史的論證式教學設計——以“DNA分子的結構”為例[J].中學生物學，2023，39（2）：37-40.