在模仿科学家建模的过程中发展科学思维
陈秋来
“结构与功能观”是生命科学的基本观点之一。在理解DNA结构的基础上，能够解释DNA结构特点与编码遗传信息、复制遗传信息和传递遗传信息的适应关系，是“生命观念”的重要内容[1]。建模教学可以使学生体会到真实的科学实践，使学生在掌握知识的同时了解知识的形成过程，提升学生的科学思维和科学探究能力，是目前中学科学教育改革的一个重要方向。构建模型是科学研究工作的核心内容之一，在教学中进行模型建构，可以帮助学生模拟科学家的思维，了解知识的产生和运作，并在学习科学的过程中构建和发展自己的模型，从而深入理解知识[2]。现以“DNA的结构”一课为例，介绍在模仿科学家建模的过程中发展学生科学思维的具体做法。
一、教材分析及设计思路
“DNA的结构”是人教社2019版高中生物必修2第3章第2节的内容，学生在学习本节内容时，普遍感到抽象、复杂、深奥。教学时如果按照教材顺序，先介绍DNA双螺旋结构发现科学史，然后学习DNA结构主要特点，最后让学生制作DNA双螺旋结构模型，会使理论知识和制作DNA双螺旋结构模型的实验割裂，让学生感觉科学知识比较枯燥，也无法感受“做中学”的快乐，不利于培养学生的科学思维素养。为此，笔者改变了教学策略：把DNA双螺旋结构模型制作的实验进行分解，将制作DNA双螺旋结构模型与跟随科学家的研究历程紧密结合，以帮助学生在感受科学家科学探究的情境中，加深对DNA结构的了解，同时体会沃森等科学家如何在合作中不断捕获和分析信息，学习他们严谨的思维品质以及持之以恒的科学研究精神。此外，学生在探究过程中产生的很多想法与科学家不谋而合，大大激发了学生的研究兴趣和自信心，从而有助于在课堂教学中落实学科核心素养。
二、课前准备——学具的准备
为了保证课堂上有更充分的时间用于讨论和交流，教师需要在课前集中指导合作学习的小组长按以下要求准备学具：每个4人学习小组需要准备支架1个、订书机1个、订书钉1盒（订书钉用来连接碱基和脱氧核糖代表氢键以及脱氧核糖和磷酸的连接），小剪刀1把，透明胶布1卷。
1.制作支架
用4毫米直径的硬铁丝做2个长26cm宽8cm的方框（用作两端固定以及方便拿取旋转展示的支架），在每个方框一侧的两端各固定一条长0.8m的细铁丝或细线（注意柔软且有韧性，便于做好模型后的扭转和固定）。
2.裁剪代表磷酸、脱氧核糖和4种碱基的纸片
每个学习小组需要裁剪磷酸基团和脱氧核糖各24个， A、T、G、C 四种碱基共48个。教师为每个小组长准备3张较厚的A4纸。具体裁剪方法按如下步骤进行。
（1）把每张A4纸纵向对折1次，横向对折3次，这样每张A4纸就被分成16等份，每份规格是10.5cm*3.7125cm。
（2）在每等份左右两边按照图1标上字母或数字，AT和GC合计标24份，磷酸和脱氧核糖标24份。
（3）沿着对折痕迹把3张A4纸分别裁开。
（4）把标有GC的纸条在字母G和C之间按图1裁成圆弧形，把标有AT的纸条在字母A和T之间裁成V形，把磷酸裁成圆形，把脱氧核糖裁成五边形。
三、教学过程
1.创设问题情境，激发探究欲望
利用学生对“探案”和新名词“DNA指纹”的兴趣，呈现DNA指纹图片，快速转到本节的课题：根据DNA指纹确认身份与DNA的特殊结构有关。
2.建构DNA结构的物理模型
（1）建构脱氧核苷酸模型。从复习必修1有关DNA的知识过渡到新知识的学习，教师提出任务：请每位学生用桌面上提供的合适的材料建构1个DNA的基本组成单位，可提示学生订书钉用来连接碱基、脱氧核糖和磷酸之间的连接。建构完成后用实物投影仪展示学生作品，引导学生进行评价。然后教师用PPT呈现图2，总结磷酸基团、脱氧核糖和含N碱基3种分子的正确连接方式。最后要求学生每人完成5个脱氧核苷酸模型的制作，为建构脱氧核苷酸链模型做准备。
（2）建构脱氧核苷酸鏈模型。引导学生将自己制作的脱氧核苷酸连成长链，派代表进行展示，并用语言描述脱氧核苷酸之间是如何连接的，同组组员可补充说明，其他组学生评价，然后教师点评，强调相应知识点。
（3）尝试建构DNA的平面结构模型。教师引导学生回顾DNA的发现历史，提出“由脱氧核苷酸长链组成的DNA要具有怎样的结构才能稳定存在并且遗传给后代”的问题。学生阅读课本了解“DNA结构模型的建构”历程后，小组讨论，最后由教师总结：沃森和克里克以威尔金斯和富兰克林提供的DNA的衍射图谱和相关数据为基础，推断出DNA呈螺旋结构。但此时又引出另一个问题：DNA究竟是由几条链组成的螺旋结构？科学家们提出了不同猜想，沃森和克里克建构了DNA的双链结构模型。此时请学生分组建构DNA双链结构模型，并进行组内讨论、实物展示、小组代表解说、其他组员提出异议，然后教师引导：通过建构，我们知道两条链的连接有多种可能性，哪一种连接方式更符合实际情况呢？教师用PPT呈现：1952年春天奥地利的著名生物化学家查哥夫提供的信息：A的量等于T的量，G的量等于C的量。并进一步引导学生：根据以上信息你获得了什么启发？要求学生组内讨论并修正本组模型。
（4）建构DNA的立体结构模型。先让学生用订书钉按照碱基互补配对原则建构含20个碱基对的DNA平面结构模型，然后提醒学生用透明胶布把磷酸分子固定到铁丝上，双手提起方框，轻轻地拉直双链后旋转一下即得到DNA双螺旋结构立体模型。
本环节以著名教育家维果茨基提出的“最近发展区”理论为依据，沿着“复习已学知识建构脱氧核苷酸模型和脱氧核苷酸链模型—发现问题—补充资料—建构DNA的平面结构模型—形成DNA的立体结构模型”的路线推进，分步实现模型的建构过程，不仅让学生通过“做中学”深入理解DNA结构的知识，还能让学生体验科学家探究DNA结构的过程，培养善于捕获、分析信息的思维品质及持之以恒的科研精神，激发学生的科研兴趣，提升勇于担当的品质。学生通过DNA的结构物理模型的建构、评价与修正，建立了对DNA 结构的认识，形成了生物体结构与功能相适应的观点，同时也提升和发展了建构模型、逻辑思维与科学表达的能力。
3.建构DNA结构的数学模型
通过引导学生分析DNA各组分的数量关系构建相关数学模型有助于学生理解DNA的结构特性，强化“结构是功能的基础”的生物学基本观点。此环节请学生观察各自构建好的DNA立体结构模型并填空。如下面两题。
第1题：1个DNA=（2）条脱氧核糖核苷酸链=（2）个游离磷酸基团;与一个磷酸基团相连接的有（两个或一个）脱氧核糖，与脱氧核糖连接的有（两个或一个）磷酸基团。
第2题：若一个DNA中有n个碱基对，则碱基对的排列方式有（4n）种。
设计第1题的目的是引导学生归纳出DNA结构具有稳定性的原因，帮助学生理解DNA结构具有稳定性与DNA能够承担遗传物质的功能相适应。设计第2题的目的是引导学生推出 DNA 结构具有多样性和特异性，为解释自然界生物的多样性和特异性打基础。
4.建构DNA结构的概念模型
高中生物学科知识的学习，实质上是引导学生习得一个完整而系统的核心概念体系的过程[3]。
（1）利用模型归纳主要特点。教师组织学生通过对比各自制作的作品，在独立思考和相互补充后归纳出DNA双螺旋结构的主要特点。教师引导学生进一步观察各自建构的DNA立体结构模型中脱氧核糖上标注的数字，完善DNA双螺旋结构的主要特点，由学生得出“DNA两条链是反向平行排列”的结论。教师进一步追问导入问题：观察各组建构的DNA立体结构模型，你能解释DNA指纹为什么可以用于识别身份吗？学生得出答案：不同组建构的DNA立体结构模型的碱基排列顺序不同，每个DNA都带有独特的遗传信息。
（2）填写概念图进行知识总结。向学生呈现图3所示的概念图，由学生填写括号内的文字，帮助学生构建本节所学内容的知识网络;同时利用图3内容引导学生歸纳出记忆窍门“54321”，即5种组成元素：C、H、O、N、P;4种碱基A、T、G、C和4种脱氧核苷酸;3种基本组成物质：碱基、脱氧核糖、磷酸;2条反向脱氧核苷酸链组成1个DNA。
四、教后反思
通过团队学习、主动学习和参与式学习的方式，学生可以主动参与制作DNA双螺旋结构模型，并追踪了科学家的研究历程，不断提高科学思维能力，培养不畏困难、持之以恒的科研精神。
参考文献
[1]刘恩山，曹保义主编.普通高中生物学课程标准（2017年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2018.
[2]赵萍萍，刘恩山.生物学建模教学研究进展及启示[J].生物学通报，2015（1）：19-23.
[3]郑春和.高中生物学的概念与命题[J].课程·教材·教法，2011（6）：91.
（责任编辑? ?姚力宁）
