基于生物学学科核心素养的推理实验教学策略初探

董玉娟

摘 要 探讨在新课程理念指导下，运用假说—演绎法教学“DNA分子的复制”。 通过提出问题、作出 假设、演绎推理、验证推理和得出结论等环节，以推理实验的形式使学生经历探究过程，感悟生命观念;

利用思维导图，将零散知识系统化，有效培养学生的系统性思维，提升其生物学学科核心素养。关键词 核心素养  推理实验  教学策略  思维导图

中图分类号 G633.91                    文献标志码 B

1  教材分析及设计思路

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》指出：生物学课程要求学生主动地参与学习，在亲历提出问题、获取信息、寻找证据、检验假设、发现规律等过程中习得生物学知识，养成科学思维的习惯，形成积极的科学态度，发展终身学习以及实践能力。

“DNA分子的复制”是高中生物《必修2·遗传与进化》部分的一节内容。通过本节内容的学习，学生能够在分子水平上理解细胞的分裂过程及遗传和变异的本质，为理解生物的可遗传变异和生物进化打下基础;在了解DNA分子特定的双螺旋结构的基础上，进一步理解 DNA 分子通过复制传递遗传信息的功能。科学家通过生物学实验研究出DNA分子的复制方式，高中生物学实验室无法再现科学家的相关实验。讲述式教学会使学生无法深层次体验和理解科学家的思维过程、实验方法与研究结论，因此，下面以推理实验的形式呈现科学家的探究历程，在创设的实验情景中培养学生的批判性思维和创新精神。

教学中，教师引导学生通过假说—演绎法探讨、推测DNA分子的复制方式，培养学生的科学思维，提高学生的科学探究能力。教师首先呈现关于DNA 复制的生物学实验;再引导学生演绎、推理出不同复制方式，促进学生思考如何验证推理过程的正确性。在此过程中，教师用问题引领学生进行严密的逻辑思考，探究解决问题的科学方法，在科学的设计的实验中寻找证据，检验推理过程的合理性，以此培养学生的批判性思维、科学实验思维;以及对实验结果进行多种预测，通过对比、分析概括，得出科学结论的能力。最后，教师利用思维导图帮助学生建构生物学概念体系。

2  教学目标

（1）通过探讨、推测DNA 分子的复制方式，逐步形成批判性思维和科学探究能力。

（2）通过分析、比较、概括等高阶思维，自主构建出DNA分子复制的条件、过程和特点等知识体系，构建思维导图。

（3）通过探讨DNA分子复制的生物学意义，树立结构与功能观;从分子水平理解生命的本质，形成科学的自然观和世界观。

3  教学过程

3.1 创设问题情境，导入新课

教师引导学生回忆细胞分裂时DNA分子以亲代 DNA分子为模板合成子代DNA分子的过程。并提出问题：生物亲子代之间是通过遗传物质传递遗传信息的。那么，亲代的一份遗传物质如何传递给子代？新 产生的DNA分子是一个全新的DNA分子？ DNA 的复制是否像洗相片似的，用一张底片就可以洗出许多相片来？教师通过组织小组讨论，引导学生提出DNA分子的三种复制方式（图1）。

设计意图：教师创设问题情境，以学生的前概念为基础，引导学生思考：1 个 DNA 分子复制生成2 个 DNA分子的过程，究竟以什么样的方式进行？教师利用问题激发学生的学习兴趣和求知欲，鼓励学生大胆假设与严谨推测，锻炼学生的逻辑推理能力，培养学生实事求是的科学态度，进而引出本节课的学习内容。

3.2 假说—演绎法探究DNA 分子复制方式

教师提出问题：如何判断已提出的3种DNA分子的复制方式中哪一种是正确的？然后，引导学生利用假说—演绎法探究DNA分子的复制方式。教师要求学生在三种复制方式中选择一种最可能的复制方式，并提出假说，演绎推理出复制后的子一代和子二代 DNA分子的组成（图2）。

教师追问：如何直观地区分 DNA 分子中的母鏈和子链？学生思考、讨论后，得出：在放射性同位素标记法中，依据 DNA 分子的组成元素，假设将亲代 DNA 分子用15N 作标记的，放在14N 的环境中进行培养，则亲代、子一代、子二代 DNA 分子分别含有哪种氮元素？

之后，教师追问：如何验证演绎推理是正确的？并 引导学生复习探索遗传物质的过程，进一步思考：实验中，复制后的DNA分子通常是随机混合在一起的。如何区分出分亲代、子代DNA分子？学生经过小组讨论、交流，提出用密度梯度离心法进行区分，理由是：同位素标记后，含15N 的DNA分子质量大于含14N 的DNA分子。学生对离心后的DNA分子在试管中的条带分布进行预测，并思考：随着复制次数的递增试管中条带的宽窄如何变化？教师要求学生有理有据地提出假说，即通过实证来证明假说是否正确。在这样的推理实验假设情景中，学生反复进行演绎推理，并讨论推理过程是否严谨、合理。演绎推理过程以半保留复制为例。

设计意图：教师以问题和任务驱动学生根据已有的知识和经验，尝试解决实验设计中遇到的问题，使学生学会运用知识;通过让学生对实验结果进行预测，培养学生的批判性思维、深度思维，提高学生科学探究能力。教师将知识转换为层次鲜明、具有系统性的问题串，引导学生运用假说—演绎的科学方法进行自主探究。这样，教师的主导性和学生的主体性能够融为一体，有效培养了学生的自主探究能力和科学思维能力。

3.3 DNA 分子复制方式的推理实验证据

教师要求学生阅读教材中米西尔森和斯塔尔的实验示意图，探究DNA分子复制方式，回答以下问题：① 实验组中大肠杆菌首先放在什么培养基中培养？② 再将大肠杆菌转移到什么培养基中培养？③ 如果是半保留复制，离心后应该出现几种条带？④ 离心后，三种条带在试管中如何分布？⑤ 实验结论是什么？

设计意图：高中生物学教材中呈现的米西尔森和斯塔尔的实验是引导学生展开科学探究、形成科學思维的良好素材。教师通过资料呈现创设情境，设置任务、以问题串驱动学生主动展开思维探究，帮助学生逐步发展科学思维。

3.4 构建DNA 分子复制的相关知识体系

教师展示 DNA 分子的复制过程（图3），并引导学生讨论以下问题：① 解旋酶、DNA 聚合酶的作用？② 子链的合成需要提供哪些条件？合成过程遵循什么原则？③ 子代DNA分子的碱基序列与亲代DNA分子的是否完全相同？④ 如何理解半保留复制的生物学意义？

最后，教师以多媒体动画展示DNA分子的复制过程，帮助学生理解DNA 复制过程，形成动态的连续的系统，建构DNA分子复制的知识体系，自主建构思维导图（图4）。

设计意图：从分子水平探讨生命的本质涉及微观的抽象知识，而多媒体动画资源能够化抽象为具体，将微观知识转为宏观知识进行教学，帮助教师引导学生自主归纳 DNA 分子复制的条件、原则和特点等知识，形成结构化知识体系。教师利用思维导图这一工具直观地呈现出层次不同的概念体系，使学生学会分析、推理、概括、归纳等深度学习方法，更有利于引导学生进行系统及批判性思考。

4  教学反思

本节课教学立足于新课标，教师通过挖掘教材内容背后的科学研究史，以推理实验的形式，重点运用假说—演绎法教授“DNA分子的复制”。教学通过探究历程的再现、任务设置、问题驱动等形式，实现学生的自主探究学习，着重培养了学生的科学思维，帮助学生养成勇于质疑的精神，树立“大胆假设、小心求证”的科学态度，提高科学探究能力。教师通过引导学生探讨DNA分子复制的生物学意义，帮助学生感悟结构和功能观、遗传与进化观;应用思维导图构建生物学概念体系，从不同视角加深学生对知识的深入理解，提高学生对知识的整合归纳能力和系统性思维能力，提升学生的生物学学科核心素养。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 谢红舟.基于学科核心素养落实的“遗传信息的传递”教学设计[J].中学生物教学，2020，（1）：46-48.