基于核心素养的事实性知识的教学设计——“DNA的结构”

王娟 1 张小勇 2

摘要：本文以“DNA的结构”为例，以2017版普通高中课程标准中倡导的核心素养为教学理念,以DNA的探索为指导,指导学生学习,并有机地穿插制作DNA双螺旋结构模型的活动,通过合作讨论，逐步培养学生的创新意识,有效地实施核心素养。

关键词：核心素养、科学史、模型建构

随着教育改革的不断进行，我国越来越重视核心素养的培养。现阶段生物学科知识主要由事实、概念、规律三部分组成，而要真正落实核心素养中的生命观念，就需要首先把握事实性知识，并能熟练掌握事实性知识，在此基础上去深化概念、规律，才能有效提升素养和能力^[1]。笔者以“DNA的结构”事实为例，通过介绍科学史有效地调动学生的学习兴趣和自主性，并在模型建构中让重要概念活起来，让学生在自我创造中理解获取DNA分子结构的知识。

一、教材分析及学情分析

“ DNA的结构”位于遗传和进化模块的第3章第二节，该模块是生物学的必修模块，它是普通高中课程的标准实验教科书。本节包括三个部分：DNA双螺旋结构模型的构建，DNA的结构和DNA双螺旋结构模型的产生。 在得知DNA是主要的遗传物质之后，基因与染色体之间的关系在学习了DNA是主要的遗传物质、基因和染色体的关系，以及必修一学习的DNA分子的组成的基础上，结合教材中通过对科学史的探索学习、DNA模型的制作，进一步理解DNA的双螺旋结构。不仅巩固了第一节中学习的为何DNA有遗传作用及遗传的本质，也培养了学生的生命观念，结构适应功能；也为后面章节学习的DNA复制、基因的表达等重要内容奠定了坚实的基础^[2]。

本节课针对于高一学生，高一学生在高一上已经学习过了DNA分子的组成，同时也在必修二前面章节中对于遗传因子的发现、基因与染色体的关系，具有一定的知识基础。但是，由于DNA的双螺旋结构相对抽象，学生缺乏相应的感性知识，尤其对于细节知识的认知不够深刻，例如碱基配对原则的运算、DNA的两条链为何是‘反向平行’等，因此需要教师在教学中做适当引导^[2]。

二、教学目标

①概述DNA分子结构的主要特点。

②尝试制作DNA双螺旋结构模型以培养学生的动手能力和科学思维。

③通过科学史的学习来探索并逐步构建DNA的双螺旋结构，使学生认同科学是在实验和争论中前进，培养学生像科学家合作交流、不懈努力、大胆尝试的科研精神。

④通过科学·技术·社会栏目学习，让学生关注DNA在生活中的实际应用，认同科学技术的重要价值，建立社会的责任和意识。

三、教学方法

采用讨论法、自主合作，模型建构，启发法，帮助学生学习DNA的结构^[3]。了解其主要特征和碱基配对原则，引导学生积极参与教学过程，激发学生的独立思考和创新意识，培养科学思维，并努力在学生活动中实施和增强生物核心素养。

一、教学过程设计

(一)教学过程设计思路

1.以科学史为主线，带领学生学习，思考每位科学家探索的结果、原因，尝试说出DNA的结构特点。

2.让学生通过自主思考和动手操作来制作DNA双螺旋结构的模型，深刻理解DNA的结构构成方式，在模型构建中培养学生的批评性思维。

3.展示DNA双螺旋结构模型的直观教具，使学生从抽象理解上升到感性认知，带领学生理解细节知识：碱基配对原则、两条链为什么是“反向平行”，并在习题中进一步深化，落实教学目标^[3]。

(

提前布置学习任务

二)教学流程

复习导入

复习蛋白质形成过程，类比思考DNA的结构

回眸历史，构建DNA模型

呈现五则相关资料，引导学生自主构建

模型分析

培养科学思维

科学探究

归纳总结，思维拓展

(三)教学过程

DNA的结构教学过程
教师活动	学生活动	设计意图
布置课前任务，让学生通过网络查找关于有关DNA的最新研究和应用，丰富感性认识。 环节一：复习导入，温故而知新 正如已经学习过的氨基酸小分子，种类尽管只有20种的氨基酸是如何构成空间结构多样的蛋白质呢？同学们回忆思考下。 (氨基酸→二肽→三肽→。。→多肽→一条多肽链盘曲折叠形成蛋白质→多条肽链盘曲折叠形成蛋白质。)带领同学一起构建此知识概念图，并通过多媒体展示这一变化过程。同时，提出问题：同学们复习了蛋白质的形成，那可以通过类比的方法尝试构建DNA的结构吗？其内部构造如何呢？为什么能起遗传作用？	提前进行课前预习，避免陌生感。 回忆并尝试写出氨基酸形成蛋白质的过程。 通过“问题串”方式激发学生思考。	教学前教师应认真解读课标，确定教学重难点，结合学生实际情况，给与学生课前任务，进行准备，而不是让学生空着脑袋进入学习中，始终秉持着：凡事预则立，不预则废——先学后教。防止学生在教学过程中处于被动学习状态。 通过复习导入，使学生降低对其结构的陌生感，通过类比蛋白质的形成过程，让学生尝试大胆猜想DNA的结构，激发求知欲，同时利于发散学生思维，使学生走进思考。
环节二：回眸历史，构建DNA模型 DNA的探索历程 展 示资料1，1911年美国生物化学家莱文和琼斯确定：DNA的基本单位——脱氧核苷酸。并给学生播放关于脱氧核苷酸的微课。通过微课学习学生了解脱氧核苷酸有4种，A、T、C、G。 资料2,1951年科学界普遍认为：DNA是有四种脱氧核苷酸构成的长链。并提出思考：脱氧核苷酸是怎么样连成一条链的呢？ 资料3,1951年后，英国生物物理学家威尔金斯和物理学家富兰克林发现DNA衍射图谱。同时为学生播放关于X光衍射技术的微课进行学习。并提出思考：通过观看视频以及DNA衍射图谱，想一想DNA是由几条脱氧核苷酸构成的呢? 资料4,1952年生物学家沃森和物理学家克里克构建DNA双螺旋结构模型，让学生大胆尝试构建。(答案多种) 同学们答案不一，思维非常发散开阔。 向同学们播放碱基配对原则的微课进行学习。 播放完毕，给同学们呈现两则资料,并让学生们把之前构建的模型进行比较。 资料分析①：请结合磷脂双分子层的排布方式思考，碱基排列在外部的模型为什么会被否定? 资料分析②:已知X衍射照片显示，DNA双链之间的距离是一定的。请结合以上资料思考，为什么相同碱基配对的模型也会被否定？ 同学们思考后尝试在第一次构建模型中进行再修改，并呈现科学资料5,1952年奥地利生物化学家查哥夫碱基数据表。 请同学们大胆猜测，应是哪几种碱基配对? 结合五个资料，修正后的模型： 观察：两个模型有何区别？ 同学们我们回眸历史可以得出沃森和克里克的成功取决于不懈努力、大胆尝试、热情、执着科研的精神。所以我们要将这种精神发扬到学习中，刻苦钻研。 环节三：模型分析 通过自己制作的模型，同学们根据以下思考可以得出DNA分子结构的特点吗？ (1)DNA是由几条链构成的?它具有怎样的立体结构? (2) DNA的基本骨架是由哪些物质组成的?它们分别位于DNA的什么部位呢?碱基位于DNA的什么部位? (3)DNA中的碱基是如何配对的? 请同学们思考以下问题: 比较不同组的DNA模型有什么不同？ DNA中的遗传信息蕴藏在哪？ 碱基对数量n和碱基对排列方式的关系？ 同学们可以从上述知识得出DNA分子的特性有哪些吗？	【模型建构1】脱氧核苷酸 磷 酸 【模型建构2】一条脱氧核苷酸链 【模型构建3】DNA分子呈双螺旋结构 合作学习。 每个小组利用教师提供的资料，以及制作模型的材料开始第一次建模，同学们兴趣大增。 回答是碱基互补配对：A-T，C-G。 回答DNA的两条链是反向平行的关系。 DNA分子结构 ◆DNA分子是有2条链组成,反向平行盘旋成双螺旋结构。 ◆脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧构成基本骨架;碱基对排列在内侧。 ◆碱基通过氢键连接成碱基对，并遵循 碱基互补配对原则(A与T、C与G配对)。 碱基对的排列顺序不同 碱基对的排列顺序中 4n(n代表碱基对数) 小组展开讨论，得出具有特异性、稳定性以及多样性。	通过呈现科学史，学生能够逐步了解DNA分子结构的发展历史，进而慢慢尝试构建DNA结构模型，对于学生掌握有很大的好处，利于学生自我思考，拓展自己思维得出结论，避免教师直接提出答案，这不利于学生的整体发展，也不符合新的课程概念。 整个教学基于科学探究的历史，将教材中开展的培养科学思维的活动：制作DNA结构模型穿插其中，非常有易于学生真正理解DNA为何是这样建构的，在制作模型时我们应该注意哪些。对于学生的科学思维培养确实是有效和正确的。 利用学生在尝试建模中遇到的问题，教师用来之前所学知识联系起来比较，利于学生加深印象，也利于学生把握，同时也体现出教学重点。 在教学过程中播放相关微课视频，学生不仅容易理解知识，更有利于学生开阔眼界。增加知识储备，同时还渗透科学技术社会的思想，培养学生关注社会意识，联系生活实际。 通过设置问题串的方式激发学生思考，激发学习动机，创造问题情境，将学生带入教学过程，并培养学生的问题意识。 通过师生互动，师生互动，提升学生表达交流与合作的能力。增进师生友好关系，培养同学间合作默契。
环节四：课堂反馈 练习课后习题1、2、3 环节五：归纳总结，思维拓展 请同学们通过思考以下几个问题来回顾今天所学知识点 DNA的化学元素组成是什么？ DNA的基本组成单位有几种，你能说出具体名称吗，如何表示呢？ DNA的空间结构有何特征呢？ DNA分子结构的特性有哪些呢？ 【思维拓展】 有关碱基规律的计算	同学们认真回顾今天所学内容，学习热情高涨，并分小组回答以下思考问题。 C、H、O、N、P 四种脱氧核苷酸，A、T、C、G 一分子含氮碱基、一分子磷酸、一分子脱氧核糖 稳定性、多样性、特异性。 学生举一反三，积极练习相关习题	设置习题，利于学生巩固知识点，加深印象，避免听懂不会转换的现象，同时给与教师反馈，了解同学是否清楚知识点，真正掌握要点。 通过小结归纳带领同学回顾知识点，强化学习。 发散学生思维，给学生创造最近发展区，将这个计算可留作同学课后思考，作为下一课时讲解重点。

二、教学反思

本节课的教学重视在学习科学史的同时尝试构建DNA结构模型过程中培养学生科学思维和科学探究能力。在教学中通过设置问题串、播放微课视频等来使学生学会自主思考，避免思维固势，同时增加学生知识储备，关注科学技术发展，并给予学生充足时间思考交流、讨论得出最终结论。在模型制作中充分发挥学生主体性，将课堂完全还给学生，尝试建模并修正模型。同时，在学生回答问题过程中，教师要及时给予肯定，在模型制作中出现错误时，教师要及时指正，帮助学生改进建立学生的自信心，促进他们的全面发展，并有效地实施核心素养。

参考文献：

[1]李雪莹. 以化学核心素养为导向的高中化学事实性知识的教学策略研究[D].哈尔滨师范大学,2019.

[2]王磊,陈燕. “DNA分子的结构”一节教学案例和分析[J]. 中学生物教学,2019(10):60-62.

[3]杨旭. 基于生物学科核心素养导向的“DNA分子的结构”教学案例[J]. 中学生物教学,2018(10):63-64.