基于科学史构建“DNA结构”模型的论证式教学研究

田敏

摘 要 以“DNA 的结构”为例，采用论证式教学模式，对相关科学史资源进行论证，引导学生逐步构建并完善DNA 的双螺旋结构，确立结构与功能相适应观，发展学生的科学思维和科学探究能力。

关键词 科学史  模型与建模  论证式教学   DNA 的结构

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

高中教育阶段的生物学课程是科学领域的重要学科课程之一。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订版）》（以下简称《课程标准》）提出，既要让学生获得基础的生物学知识，又要让学生领悟生物学家在研究过程中所持有的观点以及解决问题的思路和方法，养成理性思维的习惯，形成积极的科学态度，发展终身学习及创新实践的能力。论证式教学作为探究式教学的一种模式，是将科学研究领域中论证的过程引入课堂，使学生经历类似科学家提出问题，收集资料证据，得出观点猜想，再进行支持与辩驳从而得出正确结论的论证过程，以促进学生理解科学概念和科学本质，提高学生的科学思维与科学探究的能力。可见，论证式教学与《课程标准》的基本理念和改革指导方向高度一致。在新教材、新课标的背景下，下面以“DNA分子的结构”一课的教学为例，根据相关的科学史，采用论证式教学策略进行DNA模型构建。

1  教材分析

本节是选自人教版（2019年版）高中生物学《必修2·遗传与进化》第三章第二节。在学习本节课之前，学生已初步掌握核酸的组成种类及其单体的结构等，同时在前一节课中学生也已通过格里菲斯等科学史学习得出了DNA是主要的遗传物质。在此基础上，教师可采用知识迁移方法，使学生进一步通过对科学史的论证，深入学习DNA 的结构。本节课也为后续学习 DNA 复制、基因的本质、基因的表达和基因工程等奠定了基础，在高中生物学中有着重要的地位。

2  教学目标

①通过科学史资料论证，能运用结构与功能相适应观，解释DNA能作为遗传物质的原因。

②通过科学史资料论证，运用归纳与概括，演绎与推理、模型与建模的方法，构建并解释DNA 的双螺旋结构，形成批判性和创造性的科學思维。

③能基于科学史材料，运用科学思维展开论证，小组合作动手建构、完善并制作DNA双螺旋的模型，培养动手能力和团队协作能力。

④了解科学家对DNA 结构探究的一般过程，认识到科学技术的进步对认识生命科学的重要性，养成不惧权威的科学精神和实事求是的科学态度。

3  教学过程

3.1 创设情境，导入新课

教师播放电影《长津湖》的片段，使学生感受人民军队的爱国情怀，并提出问题：自2014年，国家多次迎接在外烈士遗骸归国，如何利用生物学技术确认烈士的身份呢？为什么鉴定 DNA 可以确认烈士身份呢？ DNA 具有怎样的结构才能够储存如此强大的遗传信息呢？一系列的问题引发学生思考，激起学生兴趣，推测DNA储存遗传信息的功能与其结构的关系。继而，教师展开本节课，使学生跟随科学家的脚步解密 DNA 的结构，并暗示本节课的教学思路仍然为论证式教学，为学生主动参与课堂做好积极的准备。

3.2 构建多核苷酸链

DNA储存遗传信息的功能与其结构相适应。探究DNA结构前，教师引导学生先回顾必修1 中有关核酸物质组成的内容。教师展示科学史1 和科学史2，引导学生构建模型：先构建DNA 的组成单位脱氧核苷酸的结构模型;再构建由四种所含碱基不同的脱氧核苷酸通过磷酸基团连接起来的，每一个核苷酸的脱氧核糖与另一个核苷酸的磷酸连接在一起的多核苷酸链。教师提示：关于DNA 的单链结构仅仅是科学家的推理分析，要进一步通过实验验证。教师展示科学史3和富兰克林拍摄的DNA分子X射线衍射图谱，引导学生分析图谱的特征，找出DNA并非单条链状结构的证据，得出DNA具有双螺旋的结构。教师从学生已知的DNA 组成成分和单体结构切入，先构建DNA 单体脱氧核苷酸的结构，再构建由脱氧核苷酸形成的单链 DNA结构，从简单到复杂，以循序渐进的方式展开，更有助于培养学生模型与建模的科学思维（图2）。

3.3 构建DNA 双螺旋结构

3.3.1 探究磷酸和碱基的排列方式

教师提出问题：磷酸和碱基作为脱氧核苷酸的两侧，在双链DNA 中磷酸和碱基是如何排列的？教师展示科学史4，提出科学家当时的猜想。教师可提问学生对磷酸和碱基排列方式的猜想，促进学生主动构建出其猜想的模型：一种为碱基在两条链的内侧;一种是磷酸在两条链的内侧。教师请分别支持两种不同猜想的学生代表发言表达观点，再出示科学家对物质性质的研究结果支持了碱基在内的猜想。在细胞膜一节内容中，学生对“磷脂分子头部磷酸亲水、尾部疏水”有一定的认识，因而，教师可采用类比推理法引导学生构建“磷酸在螺旋的外侧构成两条多核苷酸链的骨架，碱基在螺旋内侧”，帮助学生理解“碱基在内侧，磷酸在外侧”的DNA结构特点。探究磷酸和碱基的排列方式的论证过程如图3所示。

3.3.2 探究碱基之间的配对方式

明确了DNA双螺旋结构中碱基排列在内侧后，教师继续引导学生探究在DNA 内侧四种碱基的配对方式。教师展示科学史5、科学史6以及四种碱基的结构式图片，引导学生从DNA 的直径和碱基的结构式分析，提出猜想A 与T 互补配对、C 与G之间互补配对。教师继续展示科学史7和科学史8，支持前面提出的猜想A 与T、C与G碱基互补配对，并进一步引导学生得出： A 与T之间由两个氢键，C与G之间由三个氢键连接，维系了DNA双链结构的稳定。学生动手按照碱基互补配对的原则修正制作的DNA模型，并用小材料作为氢键将两个配对的碱基连接起来。教师利用科学史和分子结构图，帮助学生认识到物质的含量和结构特点决定了物质间的关系（图4）。

3.3.3 探究DNA双链的方向性

教师提出问题： DNA 由两条链形成，每条链都有一定的方向，两条链的5′端和3′端是同一方向吗？针 对这个问题，学生提出不同的猜想。教师出示科学史9：富兰克林曾描述 DNA 晶体对称特性，如果把 DNA 晶体上下颠倒，其X衍射图谱看起来仍然是一样的。学生根据科学史分析，得出结论DNA 的两条链是反向平行的关系，一条链是5′端到3′端，另一条互补链是3′端到5′端。在教师的指导下，学生动手修正制作的 DNA模型，并将两条平面的 DNA 双链形成右螺旋的 DNA双螺旋结构。探究DNA双链方向性的论证过程如圖5所示。

教师通过一系列的科学史资料论证，积极引导学生去分析、讨论和质疑。在该过程中，学生根据得出的新结论不断去修正DNA模型，不仅有助于科学思维的养成，而且还培养了科学实践能力，真正成为了课堂的主体。

3.4 明确结构与功能相适应观

构建完成DNA双螺旋结构后，教师提问：每个小组的DNA结构是否相同？哪里不同？学生通过观察、分析，得出：碱基对的排列顺序存在差异。DNA 的碱基排列顺序千变万化，因此能够储存大量的遗传信息，并且不同生物的碱基对排列顺序也不相同。学生得出DNA 具有多样性和特异性，从而解释了DNA可以确定烈士遗骸身份的原因，解决了上课伊始的问题。

4  教学反思

普通高中生物人教版新教材中多个单元是基于科学史展开教学内容。科学史资料为学生理解科学本质和规律、建构概念和培养科学思维提供了良好的素材。《课程标准》强调：内容聚焦大概念，学生通过深度学习，深刻理解和应用重要的生物学概念。本节课上，教师引导学生基于DNA 结构研究的科学史资料，采用论证式的科学思维，尝试通过假说-演绎、资料分析来提出观点猜想，寻找证据对观点猜想开展论证，再提供资料支持或推翻，不断建立、修正，最终建构出 DNA结构模型，形成DNA结构的次位概念，培养了学生的建模思维、论证思维和批判性思维等科学思维。

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2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2] 林建春.论证式教学在高中生物学科学史教学中的应用——以"细胞膜控制细胞与周围环境的联系"为例[J].中学生物教学，2021，（4）：4.

[3] 向义和.DNA 纤维的X射线衍射分析与双螺旋结构的发现[J].大学物理，2005，24（1）：50-58.

[4] 黄仙保.利用生物科学史培养学生学科核心素养的研究[J].中学生物学，2019，35（10）：2.