基于STEM理念的生物学项目式教学

张健慧 李艳梅

[摘要] STEM教育作为将科学、技术、工程与数学相结合的教育理念，能够促进学生科学实践的真实发生。在STEM理念下进行“DNA分子的结构”项目式教学的课例研究，通过创设文化情境进行项目引导，依据回眸科学历史和构建差异模型对项目进行逐级分解教学，从而提出了STEM项目教学要整体分解、逐级沉潜，注重项目式教学中学习材料适切性的操作性建议。

[关键词] STEM;项目式教学;DNA分子的结构;科学史

美国国家科学基金会于1986年提出的STEM教育理念，正逐步引领着各国科学教育的关注方向由科学探究转向更为具身体验、深度学习的科学实践。STEM作为科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的缩写，凸显了科学技术的抽象凝练需要数理的概括表达，以及其生产实践需要工程学的应用方能为人类服务这一基本理念[1]。STEM教育的理念并不是四个学科的简单拼凑，其强调在教学中应当以真实情境为媒介、现实问题为引领，让学生在学科间的有机融合中进行能动学习。与此同时，项目式教学是依据教学目标与内容，由教师创设教学情境，以问题的生成、探究与应用来培养学生创新实践能力的教学模式。早在2011年，相关学者的研究表明项目式教学开展STEM教育，会促进学生STEM认知和行为意向的提高，进而通过这两个方面积极改善其学习行为[2]。正因如此，研究者尝试了“DNA分子的结构”一节的课例研究，旨在明确生物学项目式教学中践行STEM理念的基本方略。

一、STEM课例研究过程

（一）课例选择及目标

“DNA分子的结构”一节的课程设置中蕴含着科学史、模型与建模等方面的教学内容，且涉及科学、技术、工程和数学4门学科，是便于开展项目式教学、深化STEM教育理念的选题。因而，本文以“DNA分子的结构”项目为例，探索STEM理念下的项目式教学。此外，根据新版课程标准的相关要求，为培育学生的生物学学科核心素养。研究者确定了以下教学目标：第一，搜集DNA分子结构模型建立过程的科学史料，培养学生提取、分析、整合信息的能力;第二，构建DNA分子双螺旋结构模型，掌握科学研究的方法，提高科学探究能力，发展科学思维;第三，分析DNA分子的特性和蕴含遗传信息的功能，初步形成结构和功能相适应的观点，树立生命观念。

（二）课例实践策略

1.阅古今，晓来源

通过文献法，搜集DNA分子结构模型建立过程的资料，以沃森和克里克构建的3个DNA分子模型为主线，阐明从错误模型到正确模型的修正过程，在构建、修正的过程中，沃森和克里克借鉴了不同科学家的研究方法和成果：采用了化学家鲍林的“模型构建法”，从物理学家富兰克林和威尔金斯的DNA晶体的X射线衍射照片中意识到DNA主链的数目、位置和方向，吸收了生物化学家查伽夫和数学家格里菲斯的研究成果，形成了碱基互补配对思想。

2.建模型，悟观念

学生在之前必修1的学习中已经制作过“真核细胞的模型”，初步具备了建构模型的基本能力[3]。此处，教师应利用学生已有经验与能力，引导其利用A4打印纸、太空泥、聚乳酸等多种材料构建模型。通过分别构建DNA分子结构的折纸模型、太空泥模型和3D打印模型，在进一步的修正、完善与对比中，理解DNA分子的结构层次，总结DNA分子双螺旋结构的基本特点。最后，通过比较各组DNA模型的碱基排列顺序，理解DNA分子碱基的排列顺序与遗传信息多样性之间的关系，进而体悟结构和功能相适应的生命观念。

二、课例教学过程及分析

（一）以文化渗透引导项目开展

实际教学开始时，教师先拿出中华文化中的人类始祖形象——《伏羲女娲交尾图》，并给予学生大致的DNA双螺旋结构的图像。通过对比后学生可以发现，DNA作为化生万物的遗传物质，它的双螺旋结构竟然与《伏羲女娲交尾图》非常相似。此外，教师给学生讲述因发现了DNA分子的双螺旋结构而获得了诺贝尔生理学或医学奖的科学家——克里克，在他看到中国的《伏羲女娲交尾图》后，都认为是中国人发明的DNA双螺旋结构图。通过上文所述的文化渗透教学过程，激发学生的探究兴趣，让学生自主、能动地踏上科学探究的历程，去揭开DNA分子的神秘面纱。

（二）以历史回眸促使项目深入

科学研究的创新发现往往是众多科学家在合作与竞争中造就的。在DNA结构发现的过程中贡献较大的3个研究组有：一是美国加州理工大学量子化学家鲍林的研究组，二是伦敦英王学院的威尔金斯和富兰克林研究组，三是英国卡文迪什实验室的沃森和克里克研究组。教师引导学生通过上网和阅读相关书籍的方式，以小组合作的形式搜集DNA分子结构模型建立过程的文献资料，分析、整理出参与DNA结构研究的每个科学家的贡献。教师通过引导学生课上展示，将主要科学家的贡献绘制成思維导图（见图1）。

1.沃森和克里克构建的3个DNA分子模型

自1951年开始，沃森和克里克先后建立了3个DNA分子模型，分别是三螺旋结构模型、“碱基同配”的错误双螺旋结构模型与正确的双螺旋结构模型。他们在建立模型时，不只是考虑其结构，还要始终联系DNA的功能和信息。他们要求建立的模型既要满足物理、化学、数学研究的最新事实，如X射线衍射结果、碱基配对的力学要求，还要满足生化知识，如酮型、氢键、键角等，更要使DNA能解释遗传学和代谢理论等。

2.沃森和克里克成功背后的6个英雄

虽然沃森和克里克摘得了桂冠，但是他们借鉴、吸纳了很多位科学家的研究成果。第一位是奥地利物理学家埃尔温·薛定谔，其在《生命是什么？》一书中非常清楚地表达了一个信念：生命的基本特征就是能够储存和传递信息，亦即遗传密码能够代代相传。基因是活细胞的关键组成部分，要懂得什么是生命，就必须知道基因是如何发挥作用的。正是这部书引导着沃森、克里克去寻找基因的奥秘。第二位则是英国X射线晶体衍射技术专家罗莎琳德·弗兰克林，她拍摄的DNA晶体的X射线衍射照片是发现DNA结构的关键，提示了主链的数目、位置和方向。第三位是美国著名化学家鲍林，其通过X衍射技术和搭建模型方式研究蛋白质分子的结构，为DNA双螺旋结构的解析提供了方法论支持。第四位是威尔金斯，其根据DNA晶体的X射线衍射图推算出，只有2条或3条链的DNA直径才可能满足电子显微镜测定出的

2 nm。第五位是奥地利生物化学家查伽夫，他及其同事发明用色层分析法测量DNA内部的各种碱基的含量，并作了精细的分析。结果表明：腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T），鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）比值接近1：1，这就是现在众所周知的DNA分子的“碱基配对”原则。第六位是英国数学家格里菲斯，其为沃森和克里克计算了一个DNA分子内碱基的相互吸引力（弱的相互作用），使沃森和克里克茅塞顿开，走出了“相同碱基相互吸引”的误区，最终走向成功。

（三）以模型构建挖掘项目意义

DNA因微观无法直接观察，学生一般很难体验其分子结构的精妙。课前预习时，教师可以引导项目式学习小组的同学用A4打印纸、太空泥、聚乳酸（PLA）等材料制作DNA分子结构模型。之后，再以小组为单位从选材、制作方法、模型的优点和不足等方面进行展示，教师录制成视频，便于以后回顾。学生制作模型的同时要书写制作报告。然后在教师的引导下，全班学生一起对制作的典型模型进行比较（见表1）。

因材料选择和制作方法的不同，表1中的模型各有优缺点。在稳固性方面，3D打印模型（见图6）优于折纸模型（见图2）和太空泥模型（见图3、4、5），不易变形，可以长期保存;但在科学性方面，3D打印模型和折纸模型比太空泥模型稍逊一筹，它们只呈现出了DNA双螺旋结构的大体轮廓，没有体现出基本单位4种脱氧核苷酸和它们之间的连接方式，以及4种碱基的配对方式，可能导致学生无法体验DNA分子结构的精妙;同时在制作难度方面，3D打印技术门槛相对比较高，挑战大，学生需要经过专业老师的培训，才可以操作。由于对DNA双螺旋结构知识认识不够全面，学生极有可能将DNA双螺旋打印成DNA左手螺旋模型，而目前发现的DNA大多是右手螺旋。教师在此刻要适时引导学生做出调整，从而使学生成功打印出右手螺旋模型，并对2个模型进行比较，加深了对螺旋方向的理解。总之，所有的模型都还不够完美，还需项目组博采众长、取长补短，继续修正完善。

三、教学反思与建议

DNA双螺旋结构的发现是20世纪自然科学最重要的三大发现之一。对于那段激荡人心的历史，教材因受篇幅限制未能详细描述。以如此复杂且伟大的成果作为STEM项目教学时，必然不能够一下子全盘抛出，应当采用整体分解、逐级沉潜的方式进行教学。因此，项目教学的任务分解为了回眸历史、建构模型等。可见，生物学项目式教学也有不拘泥于学科本身，而应当直面现实的问题，以其灵活的“身段”[4]，促使STEM理念在学科教学中得以落地。此外，学生通过不同材料动手制作模型，体验到了DNA分子结构的精巧奇妙。而教师则会发现用不同材料制作出的模型会导致学生对学习的感受有所不同。可见，基于STEM理念进行项目式教学还需要注重学习材料的适切性，方能实现预设的教学目标。

[本文系山东省教育科学“十三五”规划2019年度一般课题“STEM+视域下普通高中传统文化教育实施策略研究”（项目编号：YC2019176）、淄博市教育科学“十三五”重点课题“基于名师工作室的教师专业发展实践研究”（项目编号：2018ZJZ001）阶段性研究成果]

[参考文献]

[1]Kennedy T J，Odell M R L.Engaging Students In STEM Education[J].Science Education International，2014，25：246-258.

[2]Lou S J，Liu Y H，Shih R C，et al.The senior high school studentslearning behavioral model of STEM in PBL[J]. International Journal of Technology&Design Education，2011，21（2）：161-183.

[3]魏偉.指向深度学习的生物科学史教学[J].生物学教学，2017，42（9）：12.

[4]李艳梅. STEM理念下的项目式教学——以“眼见为实的细胞”为例[J].中学生物教学，2018（15）：10-13.

张健慧   山东省淄博实验中学。

李艳梅   山东省淄博实验中学，正高级教师、特级教师。