胡有紅 高勍

摘要 闡述了通過分析科學(xué)史資料、創(chuàng)新模型建構(gòu)等策略，以“DNA的結(jié)構(gòu)”為例開展深度學(xué)習(xí)，使學(xué)生在生物學(xué)概念學(xué)習(xí)中觸及知識內(nèi)核，發(fā)展科學(xué)思維，立足課堂，走向課外，實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，彰顯課程育人價值。

關(guān)鍵詞 深度學(xué)習(xí) 科學(xué)思維 科學(xué)史 模型建構(gòu)

中圖分類號 G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

深度學(xué)習(xí)是基于高階思維發(fā)展的理解性學(xué)習(xí)，關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和狀態(tài)，追求知識的深度理解、尋找知識關(guān)聯(lián)、注重知識整合，提升學(xué)生的分析、應(yīng)用、評價和創(chuàng)造等高階思維，通過實踐探究、合作交流、展示評價等方式使學(xué)生全身心地投入，發(fā)展科學(xué)思維，獲得深度體驗。深度學(xué)習(xí)強調(diào)批判性學(xué)習(xí)、創(chuàng)造性思維，注重教學(xué)內(nèi)容整體性，促進(jìn)知識體系構(gòu)建，注重知識的遷移運用能力。

科學(xué)思維是指尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實的求知態(tài)度，運用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物、解決實際問題的思維習(xí)慣和能力，包括科學(xué)推理、科學(xué)論證、思辨創(chuàng)新和模型建構(gòu)等要素，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中逐步發(fā)展科學(xué)思維。要實現(xiàn)科學(xué)思維的發(fā)展，教師利用深度學(xué)習(xí)這一有效路徑，可以避免“蜻蜓點水式”的淺層講授知識，避免學(xué)生碎片化、不加理解的記憶，有效發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。下面以“DNA的結(jié)構(gòu)”教學(xué)為例，基于生物學(xué)科學(xué)史資料，通過自制簡易教具模型，引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

1教材分析及設(shè)計思路

“DNA的結(jié)構(gòu)”是蘇教版高中生物《必修2·遺傳與進(jìn)化》第二章第二節(jié)的內(nèi)容。學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過必修1“細(xì)胞中的核酸”和必修2“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”，有了一定的知識基礎(chǔ)。本節(jié)內(nèi)容是學(xué)習(xí)“遺傳信息控制生物的性狀”“生物的變異”“基因工程”等的基礎(chǔ)，起著承上啟下的作用。本節(jié)課以DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建過程的資料為主線，組織學(xué)生討論和交流，開展探究活動，注重生物科學(xué)史和科學(xué)本質(zhì)的學(xué)習(xí)，促使學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)，體驗科學(xué)研究的方法，感悟科學(xué)探究的精神。學(xué)生制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，學(xué)習(xí)DNA分子的主要特點，在動手實踐和合作探究中，培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)造能力，調(diào)動學(xué)習(xí)的主動性、積極性和創(chuàng)造性，提升生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2教學(xué)目標(biāo)

1描述構(gòu)成DNA分子的基本單位、堿基種類和元素組成，理解物質(zhì)由元素組成。

2通過收集DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建過程的資料，體驗科學(xué)家的探索與合作精神。

3通過比較各組DNA結(jié)構(gòu)模型，理解DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要特點，培養(yǎng)動手、觀察和分析能力，認(rèn)同人類對遺傳物質(zhì)的認(rèn)識是不斷深化和發(fā)展的過程。

3教學(xué)過程

3.1視頻導(dǎo)入，鋪墊情境

教師播放視頻“給野生大熊貓‘上戶口’”：野生大熊貓活動于崇山峻嶺的密林竹海中，蹤影難覓，由于其黑白臉譜，導(dǎo)致辨識度低，給種群數(shù)量統(tǒng)計帶來了困難。臥龍片區(qū)率先引入DNA技術(shù)，通過DNA分析，為每一只野生大熊貓建立“戶口檔案”，統(tǒng)計出了區(qū)內(nèi)野生大熊貓種群數(shù)量。并提出問題：大熊貓的糞便為什么可以作為個體識別的依據(jù)？

教師引導(dǎo)學(xué)生思考、分析得出：大熊貓的糞便排出體外時，外面包裹著從它的腸道表面脫落的一些細(xì)胞。對這些細(xì)胞里提取出的DNA進(jìn)行分子生物學(xué)分析，可以準(zhǔn)確識別大熊貓的個體。

設(shè)計意圖：教師利用真實情境導(dǎo)入新課，調(diào)動學(xué)生探求知識的興趣，引發(fā)思考，喚起求知欲，使學(xué)生的注意力聚焦到課堂學(xué)習(xí)中，并滲透結(jié)構(gòu)與功能觀。

3.2重啟舊知，承上啟下

教師引導(dǎo)學(xué)生回憶必修1學(xué)過的內(nèi)容，提出問題：DNA的元素組成及基本單位是什么？單體是由哪些更小的分子組成？DNA主要分布在細(xì)胞的什么結(jié)構(gòu)？并提供資料脫氧核糖和堿基的結(jié)構(gòu)圖（圖1），引導(dǎo)學(xué)生識別脫氧核糖中C原子位置，辨析嘌呤和嘧啶的空間大小，嘗試將磷酸、脫氧核糖以及含氮堿基連接成脫氧核苷酸。

學(xué)生分小組討論，用所給材料模擬磷酸、脫氧核糖以及含氮堿基連接成脫氧核苷酸。各小組展示搭建成果，明確連接方式：核苷酸是核苷和磷酸的反應(yīng)產(chǎn)物，核苷由五碳糖的第一位碳原子與堿基連接形成，磷酸分子通常連接在五碳糖第五位碳原子上。根據(jù)含氮堿基的不同，脫氧核苷酸分腺嘌呤脫氧核苷酸、鳥嘌呤脫氧核苷酸、胞嘧啶脫氧核苷酸和胸腺嘧啶脫氧核苷酸4種。據(jù)圖還可以看出，嘌呤是雙環(huán)化合物占有空間大，嘧啶是單環(huán)化合物占有空間小。

設(shè)計意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生回憶所學(xué)內(nèi)容，將不同章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)整，促進(jìn)學(xué)生系統(tǒng)化、整體性地自主構(gòu)建知識體系，通過學(xué)生的動手實踐，培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析的能力，幫助學(xué)生深度理解知識，發(fā)展科學(xué)思維。

3.3還原史實，逐步推進(jìn)

教師提供資料1：已知DNA是由許多個脫氧核苷酸連接而成的長鏈。學(xué)生根據(jù)資料1，每小組連接一條脫氧核苷酸長鏈，備用。

教師提供資料2：1952年，英國科學(xué)家威爾金斯和富蘭克林應(yīng)用X衍射技術(shù)獲得了高質(zhì)量的DNA的衍射圖譜，該照片至今都被公認(rèn)為是所有X射線照片中最美之一。學(xué)生從資料2推測：照片中的X形清楚表明DNA是一個螺旋形分子。

教師追問，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步探究：1個DNA分子中含有幾條脫氧核苷酸長鏈？脫氧核苷酸鏈?zhǔn)钦蜻B接，還是反向連接？脫氧核苷酸鏈中的堿基排列在外側(cè)，還是排列在內(nèi)側(cè)？

教師提供資料3：1952年，富蘭克林進(jìn)行了更為詳細(xì)的圖片分析，將衍射圖像詮釋為分子中的各種化學(xué)鍵的鍵長、鍵角等結(jié)構(gòu)要素，提出DNA為雙螺旋，2條鏈向2個相反方向伸展。

資料4：堿基是疏水性基團，脫氧核糖和磷酸是親水性基團，細(xì)胞中的DNA處于液體環(huán)境中。

學(xué)生根據(jù)資料3、4以及生物膜磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)中親水性的頭部和疏水性的尾部的排列方式，明確將兩條脫氧核苷酸鏈連接起來，磷酸和脫氧核糖排列在外側(cè)，堿基排列在內(nèi)側(cè)。

教師提出問題：在動手實踐中，發(fā)現(xiàn)不同小組之間拼接而成的DNA分子出現(xiàn)新的問題，即兩條鏈中的堿基如何相連？

并提供資料5：嘌呤是雙環(huán)化合物，占有空間大，嘧啶是單環(huán)化合物，占有空間小，經(jīng)測定DNA螺旋的直徑是恒定的，約為2nm。

資料6：1951年查哥夫應(yīng)用紫外分光光度法結(jié)合紙層析等技術(shù)對不同生物細(xì)胞中的DNA做4種堿基定量分析，發(fā)現(xiàn)腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）數(shù)量相等，胞嘧啶（C）與鳥嘌呤（G）數(shù)量相等。

學(xué)生調(diào)整模型：根據(jù)數(shù)量關(guān)系將模型中的堿基對調(diào)整為A與T配對、G與C配對，而且A—T堿基對和G—C堿基對具有相同的形狀和直徑。這樣組成的DNA具有恒定的直徑，且能夠解釋A、T、G、C的數(shù)量關(guān)系。

教師講授：A與T通過2個氫鍵相連，G與C通過3個氫鍵相連。沃森和克里克提出了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)。并于1962年與威爾金斯共同獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。沃森和克里克提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型時還很年輕，與其他科學(xué)家相比，他們知識和經(jīng)驗相對缺乏，但他們卻成功構(gòu)建DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)，開啟了分子生物學(xué)時代。他們的這種工作方式給予你哪些啟發(fā)？學(xué)生交流，小組匯報學(xué)習(xí)心得體會。

設(shè)計意圖：教師通過還原歷史，引導(dǎo)學(xué)生嘗試著像科學(xué)家一樣發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，使學(xué)生體會科學(xué)發(fā)現(xiàn)是“建構(gòu)→否定→建構(gòu)→否定→......”循序漸進(jìn)的過程，懂得科學(xué)研究需要合作交流、默契配合、鍥而不舍的精神，以及求真務(wù)實、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度。

3.4構(gòu)建模型，啟發(fā)創(chuàng)新

學(xué)生將兩條脫氧核苷酸鏈按照堿基互補配對方式粘連，制作DNA分子結(jié)構(gòu)模型，在兩端各加一根硬的支撐物（支撐物可以是筷子或長的竹簽，也可以是A4紙卷成一個紙棒，用透明膠帶固定在模型的兩端）;借助鐵架臺和蝴蝶夾，展示平面結(jié)構(gòu)（圖2）和立體結(jié)構(gòu)（圖3）。注意：1DNA的結(jié)構(gòu)模型要比鐵架臺略微長一點，因為螺旋時DNA分子模型會縮短，這樣不會導(dǎo)致模型損壞;2蝴蝶夾有上、中、下三個支撐點，可以根據(jù)螺旋程度將模型放置于三個不同支撐點;3在鐵架臺的底座上左右分別扎上一條皮筋，用于固定模型底端的紙棒。

這樣構(gòu)建模型的優(yōu)點有：1取材環(huán)保方便，適合自制推廣。2借助鐵架臺和蝴蝶夾，既可以展示平面結(jié)構(gòu)，也可以呈現(xiàn)雙螺旋結(jié)構(gòu)，根據(jù)蝴蝶夾的3個高度，可以實現(xiàn)雙螺旋的程度，觀察靈活自由，學(xué)生可以欣賞DNA螺旋的動態(tài)美。3學(xué)生可以根據(jù)自己的需要，將磷酸結(jié)構(gòu)（圓圈）、脫氧核糖（五邊形）和磷酸二酯鍵用馬克筆配色上色。4可以將軟磁體剪成和磷酸大小一樣的圓形，軟磁鐵覆蓋在磷酸基團上，將其固定在黑板上，作為板書。

教師引導(dǎo)學(xué)生觀察DNA結(jié)構(gòu)模型圖，歸納DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要特點：將制成的DNA分子平面結(jié)構(gòu)與“梯子”進(jìn)行類比，組成“梯子”的“扶手”、“扶手”之間的“階梯”、連接階梯的化學(xué)鍵依次代表什么？與梯子不一樣的是，DNA分子中兩條脫氧核苷酸鏈在空間的走向呈反向平行，兩條鏈中一條鏈的5′→3′方向是自上而下，而另一條鏈的5′→3′方向是自下而上。教師將DNA結(jié)構(gòu)模型與學(xué)生熟悉的物體類比，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

設(shè)計意圖：DNA平面結(jié)構(gòu)與立體結(jié)構(gòu)模型之間的轉(zhuǎn)換可以使學(xué)生感受從抽象到形象，感受螺旋的動態(tài)美。教師改進(jìn)模型，為學(xué)生起到示范作用，使學(xué)生不再埋頭于做題，而是積極參與主動探究、創(chuàng)新創(chuàng)造，體現(xiàn)學(xué)科育人價值。

3.5情境回扣，遷移應(yīng)用

教師提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考：為什么從大熊貓細(xì)胞里提取出DNA，經(jīng)過分子生物學(xué)分析，就可以對大熊貓個體進(jìn)行準(zhǔn)確識別，統(tǒng)計野生大熊貓種群數(shù)量？

學(xué)生從DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)，DNA分子不同是由于其內(nèi)部堿基對排列順序不一樣。堿基對排列順序千變?nèi)f化使得DNA分子具有多樣性，每個特定的DNA分子都具有特定的堿基排列順序，使得DNA分子具有特異性。因此，可以根據(jù)DNA分子中蘊含的遺傳信息對大熊貓種群數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計。

教師呈現(xiàn)表示不同生物或生物不同器官（細(xì)胞）的DNA分子中（A+T）（/G+C）比值的柱形圖（圖4），引導(dǎo)學(xué)生分析：1為什么豬的不同組織細(xì)胞的DNA分子堿基比例大致相同？2哪種生物中的DNA分子熱穩(wěn)定性最強？3假設(shè)小麥DNA分子中（A+T）/（G+C）=1.1，那么（A+G）（/T+C）是多少？

設(shè)計意圖：教師回扣情境，從學(xué)生熟悉的生物入手，設(shè)置問題串，發(fā)展學(xué)生高階思維，使學(xué)生從習(xí)得的知識中獲得技能，實現(xiàn)知識的再應(yīng)用和再遷移，實現(xiàn)教學(xué)與核心素養(yǎng)目標(biāo)的對接。

3.6作業(yè)布置，課外延伸

教師以工程坊的形式布置作業(yè)，學(xué)生自主選擇：制作模型（要求材料易得、價廉，同時能較好地展示DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)特點）;繪畫，用畫筆繪制一幅DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)圖（注意色彩搭配，如果獲得評價較高，將會印制在班服上，作為班級標(biāo)志）;手工制作，在網(wǎng)絡(luò)尋找視頻學(xué)習(xí)，用紙折疊或用繩子編制DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型;寫一首詩，表達(dá)你對DNA的理解。形式多樣的作業(yè)發(fā)展了學(xué)生的創(chuàng)新思維，并激發(fā)了學(xué)生的興趣。

設(shè)計意圖：課堂教學(xué)是有限的，課后學(xué)習(xí)是無限的。形式多樣的作業(yè)可以讓學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中收獲快樂，在快樂中激發(fā)求知欲，使學(xué)習(xí)從課內(nèi)走向課外，實現(xiàn)教育的時間延伸，促進(jìn)終身學(xué)習(xí)的達(dá)成。

4教學(xué)反思

教師基于真實情境提出學(xué)習(xí)任務(wù)，有利于引發(fā)學(xué)生思考，引導(dǎo)學(xué)生利用已有知識經(jīng)驗參與探索新知的活動中?；趯W(xué)生學(xué)習(xí)知識重結(jié)論、輕過程的現(xiàn)狀，教師在教學(xué)中融入科學(xué)史資料，讓學(xué)生如科學(xué)家一般去探索，優(yōu)化學(xué)習(xí)過程，透過表象，深入理解。這種學(xué)習(xí)方式加大了學(xué)生的思考空間，發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維，使學(xué)生自主建構(gòu)起相對完整的知識體系。本節(jié)課在核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)目標(biāo)引領(lǐng)下，聚焦特定的教學(xué)情境，通過實驗數(shù)據(jù)分析、對同伴制作的模型加以評價、修正，培養(yǎng)了學(xué)生動手能力、溝通協(xié)調(diào)能力、思辨精神和創(chuàng)新創(chuàng)造精神。教師自制簡易DNA分子結(jié)構(gòu)，通過示范作用進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生探索實驗材料、模型建構(gòu)的意識，向?qū)W生傳達(dá)“既要立足課堂，更要走向課外”的觀念，落實作業(yè)的開放性、創(chuàng)新性，真正實現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)。

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