基于关键能力培养的高三生物学复习课教学策略——以“DNA的复制”为例

卢燕梅

(无锡市第三高级中学 江苏无锡 214028)

1 关键能力的培养路径

关键能力是指即将进入高等学校的学习者在面对与学科相关的生活实践或学习探索问题情境时,高质量地认识问题、分析问题、解决问题所必须具备的能力。关键能力是时代要求高水平人才掌握的能力,是以必备知识的学习探究为载体培养出来的,是发展核心素养的重要支撑和前提,是高考考查内容“四层”(核心价值、学科素养、关键能力、必备知识)的重心。“四层”内容相互独立又密切联系,其中关键能力必须以学科素养为导向确立。根据以上关键能力地位,结合高中生物学学科核心素养,确定了在生物学教学过程中落实关键能力培养的基本路径(图1),即以核心素养为导向、以关键能力培养为核心、以学科知识为载体、以实验及模型建构为主轴、以问题驱动为抓手,提高学生知识与能力获取效率,促进其对所掌握知识和能力的有效运用。

图1 关键能力培养路径

2 生物学学科关键能力的测评

高考评价体系依据考试评价规律,确立了三个方面的关键能力群,分别是知识获取、实践操作和思维认知能力群,每一能力群拥有具体的能力表现。因学科间的差异,能力群在不同学科间的侧重点有所不同(图2)。关键能力的考查是多维度的,三组能力群能相互叠加、组合成多种可能,通常一道考题考查多个能力或多组能力群。为此,在“DNA 复制”高三复习课中,将多组能力群分散后进行细化,依次对应本节复习的重要学科知识,重组后融入高中生物学教学(表1)。

表1 具体关键能力与学科知识对应关系

图2 生物学学科关键能力群

在实践操作过程中,教师需处理好关键能力与核心素养的关系:关键能力以学科核心素养为导向,学科核心素养也在关键能力的培养中获得落实与体现。由于学生个体差异不同,其关键能力的发展也大相径庭,因此,在生物学课堂教学中又将关键能力水平划为以下四个不同层级(图3)。

图3 生物学科关键能力水平层级

为了实现“教-学-评”一致性,通过对多组能力群进行有效整合,结合问题情境、模型建构、实验探究设计高三复习课教学,转变高三复习教学模式,实现指导学生应用学科必备知识的同时提升关键能力、发展核心素养。据此,绘制“DNA的复制”一课的关键能力测评表(表2),明确学生通过本节内容的学习后应达到关键能力的具体表现,以及学生个体所能达到的关键能力水平层级。通过评价及时调整教学内容和方式,促进学生关键能力的有效落地。

表2 “DNA的复制”一课的关键能力测评表

3 关键能力培养下的生物学课堂教学

3.1 依托问题情境,提升信息整理和抽象思维能力

高三复习不应仅限于对知识进行简单重复的回忆、理解,而应引导学生内化知识,将碎片化的知识进行进一步梳理,构建整体化知识框架。为此,教师通过对学生知识储备和存在的问题进行预判,在课堂设置新的问题情境——将DNA 复制与细胞分裂中染色体标记这一难点相融合,通过引导学生透视问题的内在本质、明确问题,借助情境信息提供解题条件,指导学生解决问题。

【教学片段1】

教师提供情境资料1:在含有BrdU(5-溴尿嘧啶脱氧核苷酸,胸腺嘧啶核苷类似物)的培养液中进行DNA 复制时,BrdU 会取代T 掺到新合成的链中,形成BrdU 标记链。用Giemsa 染料对复制后的染色体进行染色,DNA 分子的双链都含有BrdU 的染色单体呈浅蓝色,只有一条链含BrdU 的染色体呈深蓝色。情境资料2:提供Giemsa 染料对复制后的染色体染色后的显微镜下第二次有丝分裂中期图像。教师提出:请判断有丝分裂过程中DNA 复制是否遵循半保留复制原则。

教师指导学生分步解决问题,先获取信息“BrdU标记DNA”;再借助相关已知信息“核DNA 在染色体上”,透视问题本质,明确问题;最后认知整合,构建逻辑链“BrdU——DNA 单链——DNA 分子——染色单体——染色体”,解决问题。教师利用模式图将问题简化,通过学生自行构建模式图可知,若是遵循半保留复制原则,第二次有丝分裂中期一条染色体上的两条染色单体经Giemsa 染料处理后,一条深蓝色另一条浅蓝色。

3.2 创设模型建构,强化演绎推理和实验设计能力

教师必须注意学生头脑中已有的前概念,特别是那些与科学概念相抵触的错误概念。课堂教学活动要帮助学生消除错误概念,建立科学概念。在DNA 复制过程中,多数同学默认两条子链的延伸是同时发生且相向而行。因此,在学生脑海中,知识间相互割裂状态严峻且存在错误概念。为此,教师可通过引申书本知识构建认知冲突,分步提出问题,指点帮助学生搭建思维阶梯并有效递进,最终构建DNA 半不连续复制模型,以期协助学生将零散知识结构化并重建科学概念。

【教学片段2】

教师提问引发学生认知冲突:DNA 复制时,两条子链能否同时相向并连续复制? 部分学生立即回答可以。但另一部分学生提出异议,他们认为子链的延伸方向只能5′-3′,因此在DNA 复制过程中其中一条子链延伸方向与子链解旋方向相反,需要解旋一段时间后才能延伸。教师继续追问,引导学生探究:DNA复制时,两条子链的延伸是否存在时间差。针对教师提出的“如何观察复制后的子链长短?”问题,学生提出利用同位素标记的脱氧核苷酸作为DNA 复制原料,通过提取不同处理时间的DNA 并观察DNA 中子链的长短进行判断。学生讨论后优化实验设计:方案①提取不同处理时间的DNA 后使其变性,再通过密度梯度离心观察DNA 中子链长短。方案②提取不同处理时间的DNA 后使其变性,利用凝胶电泳实验对DNA 单链进行大小分析。

教师展示日本学者冈崎等人1968年的实验过程及结果,并对学生设计的实验方案给予认同,两种方案同学均能应用所学的学科知识和技能,肯定方案②的同学能够依据科技发展提出不同设计。学生依据上述实验推测DNA 复制需DNA 连接酶。随即教师提供实验资料“用DNA 连接酶温度敏感突变株进行实验,在连接酶不起作用的温度下,可以观察到有大量小DNA 片段的累积。”通过实验学生分析得出DNA复制过程中需要有DNA 连接酶作用并完善DNA 半不连续复制模型。

3.3 结合实验探究,发展关键能力群

在备课时,教师创设具有紧密联系且能解决问题的引导性资料,设置具有层次性和开放性的问题。在课堂中,材料与问题能更好地促使学生思考,培养学生获取信息的能力。学生不再是简单的对书本内容进行刻板复述,而是通过对资料中现象的分析讨论,共同设计实验,探究问题的结果,在整个过程中深化对知识的理解。同时,教师留予学生足够的时间进行思考探究,仅在其探究存在瓶颈时进行具有针对性地引导和点拨。

【教学片段3】

教师提供情境资料1:人体细胞某DNA 的长度为200×10-9m,复制速度为5×10-9m/s,但经检测却发现此DNA的复制只需5s 的时间。据此,教师提出问题1:理论上40 s 完成的复制,为何能缩短到5 s? 学生推测可能有多个点共同进行DNA 复制。教师提供果蝇的DNA 电镜照片,并提问:果蝇DNA 形成多个复制泡的原因? 学生认为多点同时进行可以更快地完成DNA 复制。

教师继续提问:复制泡的复制方向是单向还是双向? 并要求学生阐述理由。学生答案不一,回答单向的同学认为依照学习的DNA 复制模型,应该是形成一个复制叉单向移动。另一部分同学猜测双向进行可以更快地完成复制,单位时间内复制出更多DNA片段。教师引导学生设计实验对“复制泡的复制方向”问题进行探究。学生讨论后提出先用少量不含放射性的脱氧核苷酸作为DNA 复制原料,一段时间后再添加放射性同位素标记脱氧核苷酸继续进行实验,随后检测放射性同位素出现的位置。

教师提供情境资料3:将枯草杆菌先放入一个放射性较低的培养基中进行培养,一段时间后再转移至放射性强度高的培养基中培养,并要求学生推测实验结果。接着,呈现上述实验的放射性自显影照片。学生分析资料可知枯草杆菌复制泡的复制方向是双向。最后,学生构建DNA 上复制泡的复制模型。

综上所述,基于关键能力培养的高三复习课教学,能着力发展学生生物学学科核心素养;借助复杂问题情境、问题串、实验设计与探究,能深化学生对学科必备知识的理解与应用;通过学生积极、主动的探寻,完善相关知识的模型建构,能使学生的关键能力锻炼得以落实。