例谈建模过程对概念生成的作用

徐丁辉

【摘 要】本文以“DNA分子结构”一节的教学为例，阐述构建模型对于抽象概念的简单化、形象化、具体化的作用，通过讨论模型建构历程，引导学生借助物理模型展开探究，主动构建核心知识。

【关键词】模型建构；DNA分子结构；构建历程

模型作为一种认识手段和思维方式，是科学认识过程中抽象化与具体化的辩证统一。建立模型的过程，是一个思维与行为相统一的过程。在现代生物学研究中经常使用模型方法，通过寻找变量之间的关系，构建模型，然后依据模型进行推导、计算，作出预测。借助模型开展教学，不仅可以将陌生的、非直观的和不确定的事物及思想转换为熟悉的、直观的、确定的东西，从而形成科学概念。DNA双螺旋结构的发现过程就是一个非常典型的例子。

笔者结合科学家构建DNA双螺旋结构模型的故事，沿着科学家的历程，阐述采用建模方法进行教学的设计思路和体会。

1.教材分析

“DNA分子结构”位于人教版必修二第三章第2节。在构建模型的探究活动中，教师要引导学生开展分组学习、合作学习，积极参加讨论交流，不断发现问题和解决问题，让学生在自我创造中获取DNA分子结构的特点和DNA分子的特性。为学生理解DNA分子的稳定性，学习DNA复制、基因的表达、基因突变、基因工程等知识打下坚实的基础，因此，本节内容在高中生物知识体系中起着承上启下的作用。

2.学情分析

根据皮亚杰的儿童认知发展阶段论，高中学生思维达到了一定的抽象逻辑推理水平，具备较好的认知能力、观察分析能力及自主学习能力。通过《生物膜流动镶嵌模型》《酶本质探索》《光合作用的探究历程》等科学史的学习，学生已经基本具备从材料中分析、获取信息的能力；《尝试制作真核细胞的三维结构模型》《建立减数分裂中染色体变化的模型》等模型的构建学习训练了学生的动手能力，拓展迁移的能力，因此，借助一些素材，搭建模型，对学生进一步提高这些能力有莫大的帮助。

3.构建活动的设计及意图

为培养学生的理性思维，减轻其认知负荷，帮助其理解得出DNA双螺旋结构的抽象过程，有效建构模型，体现“以学论教”的生本原则，本课的教学策略设计如下：①通过以DNA双螺旋结构的科学过程为主线，用分析资料、提问、讲授并结合多媒体演示的方法，得出结论，根据得出的结论一步步构建DNA双螺旋结构的物理模型，在科学史实与抽象概念之间架设桥梁，有效突破生物核心概念的教学。②在搭建DNA双螺旋结构模型时，通过分组探究活动（4-5个人一组）对DNA的结构分析，锻炼团队协作探究的能力，从而改变教师的“一讲到底”，学生积极参与，较好地提高了课堂教学的效率。

4.教学过程

4.1情景创设，开启探究。展示“DNA鉴定究竟有多神奇”的视频，了解DNA鉴定过程中人体哪些部位或代谢物能作为DNA鉴定的材料，不仅能引发学生的兴趣，增加基础生活常识，让知识应用于生活，亦能成功地引发前概念，为迅速思考问题做好准备。设疑：DNA的功能是由什么决定的？引出本节课的主题：“DNA的结构”。

4.2模型建构一：展示资料1：20世纪30年代，科学家认识到：组成DNA分子的基本单位是什么？学生阅读并回答：1分子脱氧核糖核苷酸=1分子磷酸+1分子脱氧核糖+1分子含氮碱基。学生画出一个脱氧核糖核苷酸的结构图。教师展示正确结构图，并对照材料说明，让学生分组搭建单个脱氧核糖核苷酸，继而搭建多个。结束后教师还可通过提问补充如5号碳等知识。

设计意图：通过让学生回顾已学内容“DNA分子的基本单位”，通过先画简图，再利用材料搭建基本单位，在搭建过程中，不同组学生搭建可能会有错误，通过展示，认识错误并修正。

4.3模型建构二：展示资料：DNA是由许多个脱氧核糖核苷酸连接而成的长链。教师可继续设置问题：刚才的这些脱氧核糖核苷酸如何连接成单链呢？同学们是否可以尝试拼接DNA的一条单链？比一比哪组连得最快？等问题来激起学生兴趣。

设计意图：放手让学生自行搭建，由于每一位学生都是一个独立的理想体，这也就意味着学生构建的DNA单链会有所不同，可先不点明，为后面DNA结构的多样性埋下伏笔。还有的组的学生已经将两条DNA链都搭建好了，教师也不必指出，进一步构建过程中学生自然会发现有的两条链无法配对，允许犯错，知识的记忆才会更深刻。

4.4模型建构三：先展示资料：沃森和克里克以威尔金斯和其同事富兰克林提供的DNA衍射图谱有关数据为基础，推算出DNA分子呈螺旋结构。

继续设疑：哪种螺旋结构呢？教师可接着展示DNA双螺旋结构的构建过程预习单，让学生自主阅读书本，小组讨论，完成预习单。然后让学生分组讨论得到的信息，去搭建完整模型。搭建完成后，由幾组上台展示自己的成果，总结自己组构建模型的想法，并尝试结合模型描述DNA双螺旋结构的主要特点。

设计意图：①双螺旋结构的构建过程中，主要是想放手让学生更多地参与活动，所以不必多讲，让学生在不断的发现错误，不断修正模型的过程中形成正确的知识点，组合出DNA结构的主要特点。②在整个教学过程，尤其是构建空间结构这个教学环节，有关DNA分子结构的相关知识都由小组讨论得出，留给每个组更多空间，更多自我展示的时间，能够够充分体现学生的主体地位。在一组学生讲，另一组学生的补充修正中，核心概念的印象会更深，且不容易遗忘。在充满成就感、和谐的课堂氛围中，在老师的鼓励和同学的欣赏中找到自信，体验了成功的乐趣，加强了学习生物的兴趣。

5.教学反思

在整个教学中，笔者将DNA结构模型的建构过程分解，以科学家的探索历程为主线，从“基本单位—单链—平面双链—立体空间结构”逐步探究深入，由简单到复杂，符合学习的认知规律，学生学起来有层次，有章法，有利于学生构建脱氧核苷酸的结构和DNA的结构的核心概念。

在搭建模型过程中，学生就会自然的了解DNA分子双螺旋结构的主要特点，等模型建构完后，由小组内分析讨论得出，将原来一节教师讲授为主的课变为学生的自己发现，自己概括，学生既动手又动脑，印象深刻。

该套模型模型教具颜色丰富，可操作性强，具有很强的趣味性，可较好地引起学生兴趣，一改往常对生物学教具兴趣缺乏的现象。该套教具的不足之处是，脱氧核糖的模型最好能制作出5号碳的位置，以便于学生理解识记。

通过以科学探究活动为支撑点的建模过程，是落实生物学科核心素养培养的一条有效途径，可以帮助学生从感性知识上升到理论分析，构建科学概念，并能对照模型阐述DNA结构的特点。将这一本身较为抽象的知识，通过模型建构的形式展示出来，学生在拼接模型的过程中，获取属于自己的直观性经验，更容易让学生记忆深刻，在体验中获得的知识才能融入自己的知识体系中去。

【参考文献】

[1]邢红军.论科学教育中的模型方法教育.教育研究，1997年第7期1997：53～56

[2]陶睿.可拼接DNA教具的制作.生物学教学，2018（2）：35