基于实验活动构建生物学概念的教学实践研究——以“DNA分子具有双螺旋结构”的概念构建为例

潘 炜

（浙江省桐庐中学 浙江桐庐 311500）

概念是对事物的高度概括和抽象。在概念学习中，学生若不能真正把握其含义和使用知识，就会产生一些思维障碍及各种错误。概念是不能直接给予的,根本原因在于每个人的知识都必须经历一个形成发展的过程。由于教学的时间有限，经历常不可能是真实充分的，但无论如何，一个缩略的过程也是必要的。这个缩略过程的设计就是概念教学设计的主要内容［1］。美国心理学家布鲁纳曾提出：“教学生学习任何科目,绝不是向学生心灵中灌输一些固定的知识,而是启发引导主动去求取知识与组织知识”。建构主义心理学家还认为，在大脑中的知识结构不是直线型的层次结构，而是围绕着一些关键概念所构成的网络［2］。

如何将客观的概念变得让学生感觉亲近，应引导学生理解概念的“来历”，即要回到学科的范畴，回到学科研究事物的某些属性上去［3］。这就需要教师转变教学方式，学生转变学习方式。实验活动是促进学生构建生物学概念很好的“脚手架”，可帮助学生在真实情境中体验实验现象的抽象和概括，逐步建立生物学重要概念的知识框架，从而有利于学生的学习和知识的迁移运用,也将很好地落实生物学科核心素养。

1 通过实验活动构建概念的教学实践

2016年11月22日笔者有幸作为评委参与了本地区的优质课比赛，评比内容是“DNA 分子的结构和特点”。参赛教师充分挖掘和演绎了DNA结构的科学发现过程，多位教师将“DNA 分子结构和特点”与“制作DNA 双螺旋结构模型”相结合进行教学,让学生在实验活动中构建概念——DNA 分子具有双螺旋结构。

1.1 教学分析 本节内容包括DNA 分子结构和制作DNA 分子结构模型。教学重点是DNA 分子结构的主要特点和制作DNA 分子双螺旋结构模型。教学难点是DNA 分子结构的主要特点,其中制作DNA 平面结构模型是制作模型中的难点。本节内容是浙科版教材选修2《遗传与进化》中承前启后的重要内容，只有明确了DNA 分子结构，才能明确DNA为什么作为生物的主要遗传物质、DNA 的半保留复制机制、DNA 如何指导蛋白质的合成和如何变异。所涉教学内容的所在章节的概念体系见图1。

图1 本节课程所在章节的概念体系

从概念层次分析,本节课最重要的概念是DNA 分子具有规则的双螺旋结构,具有多样性、稳定性和特异性等。从结构与功能的角度看，DNA的双螺旋结构决定了DNA 分子的功能（DNA 具有携带遗传信息和传递遗传信息的作用），同时二者又一起支撑了重要概念（3.1 亲代传递给子代的遗传信息主要编码在DNA 分子上）［4］,进而支撑了大概念（概念3 遗传信息控制生物性状，并代代相传）［4］。大概念作为学科核心的概念，是通过深入探究而得到的来之不易的结果,是各领域专家的思考和感知问题的方式［1］。磷酸、脱氧核糖、4种碱基、脱氧核苷酸、脱氧核苷酸链等是一般概念，又支撑着本节最重要的概念——次位概念（概念3.1.2 概述DNA 分子是由4 种脱氧核苷酸构成的长链,一般由2 条反向平行的长链上的碱基互补配对形成双螺旋结构,碱基的排列顺序编码了遗传信息）［4］,即DNA 分子具有规则的双螺旋结构，具有多样性、稳定性和特异性等。

通过本节课学习，达成的学习目标，即预期结果是：学生应知道DNA 的结构特点、脱氧核苷酸的组成，理解脱氧核苷酸的连接方式、碱基互补配对原则和卡伽夫法则。学习收获，即评估证据是：制作出脱氧核苷酸模型、脱氧核苷酸链模型、DNA 的平面结构模型和双螺旋结构模型和能利用DNA 双螺旋结构模型分析DNA 分子的特性。在制作模型过程中科学探究DNA 的双螺旋结构模型,帮助学生形成结构与功能观的生命观念，能用生命观念认识生物的多样性、统一性、独特性和复杂性；在互动中相互评价、质疑与探讨，运用模型与建模、批判思维等方法，促进理性思维的深入与发展。

本文以本校一位参赛教师的教学案例进行分析说明。

1.2 教学过程

1.2.1 创设概念学习的情境 创设概念的学习情境，可引导学生进入学习概念的情境，激发学生学习的兴趣和好奇心。本节课中授课教师展示自己的家庭亲子照,提出问题串：①你是否认识他们？②照片中3 人是什么关系？③如何证明夫妻关系或亲子关系？

这样从身边的事件（教师的家庭）出发，贴近学生的生活，学生很快进入情境想到DNA 及亲子鉴定。

教师展示DNA 亲子鉴定原理,引出：DNA 如此重要，它到底是一个怎样的分子？学生带着好奇心进入了学习DNA 分子结构概念的情境。

1.2.2 突破概念学习的难点 DNA 分子是看不见、摸不着的事物，其结构对于大多数人来说抽象且难以感受到。因此，DNA 分子结构是本节学习的难点。如何让抽象的事物被学生感受到并理解？

1.2.2.1 明示要素，构建脱氧核苷酸模型 要了解DNA 的结构，必须要知道其基本结构单位——脱氧核苷酸，而要构建脱氧核苷酸，必须明确脱氧核苷酸构件的组成。因此，此部分内容学习要引导学生分析资料知道脱氧核苷酸组成,同时教师还要交待模型构件的组成要素,使学生将抽象的脱氧核苷酸的组成部分与模型的各构件建立起对应关系，否则将会直接影响后续实验的深入开展。

展示资料1：20 世纪初莱文和琼斯（美）发现DNA 由6 种小分子组成：脱氧核糖、磷酸和4 种碱基（A、G、T、C）。

提问：DNA 的基本单位是什么？它是由什么组成的？学生根据已有知识和阅读资料1 回答。通过脱氧核苷酸结构式的分析,学生能理解脱氧核糖的1、3、5 号碳位（图2），为制作DNA 分子模型做好准备。教师对照模型组成介绍模型构件和需要注意的事项。所用模型组成是球棍插接模型，强调各部件分别代表什么组成部分。

图2 2-脱氧核糖［5］

教师再提示：3 种物质是如何构成基本单位的？学生明白脱氧核苷酸组成后，自己动手尝试制作。要求每位学生至少构建2 个脱氧核苷酸模型，然后在小组内展示并讨论所制作的模型,教师巡视并及时纠错,师生一起观察展示4 种脱氧核苷酸，讨论并纠错。

1.2.2.2 小组合作，构建脱氧核苷酸链模型 学生构建好脱氧核苷酸模型,有了构建DNA 分子结构的基本单位，教师可引导学生继续构建DNA 分子。

教师引导：脱氧核苷酸是如何连接成一个DNA 分子的？（提示：联系蛋白质的形成）学生思考后知道一个氨基酸的羧基上的羟基与另一个氨基酸的氨基上的氢通过脱水缩合形成肽链,联想到DNA 应该是由脱氧核苷酸间相互反应形成核苷酸链。

展示资料2：1951年，英国化学家托德提出了核苷酸分子之间的化学连接方式。他认为核苷酸与核苷酸之间是通过磷酸二酯键（脱氧核糖的3位碳原子与相邻核苷酸的磷酸发生化学反应形成的化学键）连接的。

教师展示2 个脱氧核苷酸的结构模型,再提示：磷酸基团很容易与脱氧核糖上的羟基反应，让学生分析基本单位之间的连接方式。这样学生就会很快明白脱氧核苷酸间的连接方式。然后，教师要求每个小组利用刚才完成的脱氧核苷酸模型，连接一条脱氧核苷酸单链。各小组展示成果，进行组与组间、师生间共同评价，及时纠正连接错误，得到正确的脱氧核苷酸单链。再通过观察，认同磷酸与脱氧核糖的交替连接的排列方式。

1.2.2.3 尝试探究,构建DNA 空间结构模型有了脱氧核苷酸链后，又如何构成DNA 分子？教师引导提问：4 种脱氧核苷酸通过3′，5′-磷酸二酯键相连，就形成了一条脱氧核苷酸链。DNA 分子就是这样一条核苷酸链吗？它们如何组合构成完整的DNA 分子？

展示资料3：1952年5月，富兰克林利用X 射线晶体衍射技术获得了DNA 分子照片（图3），并指出了DNA 是由2 条长链组成的双螺旋结构，螺旋直径为2 nm。

图3 富兰克林获得的DNA 分子X-衍射照片［6］

教师讲述：沃森和克里克分析威尔金斯和富兰克林提供了DNA 的衍射图谱和相关数据，推断出DNA 是一个螺旋体。但DNA 究竟是由几条链组成的螺旋体？当时有的知名科学家曾提出DNA的3 链、4 链模型，但都被科学界否定了。后来联想到生命现象中常出现成对的结构,例如同源染色体等，沃森和克里克开始构建DNA 的双链结构模型，提出了如下构想1：将核糖和磷酸组成的骨架在螺旋的外面，里面是碱基对。要求学生按小组利用脱氧核苷酸在KT 板上构建DNA 双链结构（此处教学环节又选用了4 种脱氧核苷酸的平面剪纸图，而不用球棍插接模型。因为球棍模型在碱基间的3 个或2 个插接会提示学生,而平面剪纸图没有提示,可增加学生探究的机会和暴露错误的思维）。学生尝试进行构建，有的组A 与A、T 与T、G 与G、C 与C 配对,有的组A 与T、G 与C 配对。引导提问，学生思考：碱基如何结合？任意结合吗？能稳定存在吗？

教师讲述：沃森和克里克提出了如下构想2：将相同的碱基进行配对,即A 与A 配对、T 与T配对、G 与G 配对、C 与C 配对。但A 与A 配对、T与T 配对,又被化学家否定。展示学生中同型配对的模型,提问：为什么被否定？学生观察并讨论,发现这样形成的脱氧核苷酸对的直径有大有小，脱氧核苷酸就很难连接另一条脱氧核苷酸链。

展示资料4：奥地利生物化学家卡伽夫测定部分生物的DNA 的分子组成,发现DNA 中的4种碱基的含量如表1。1952年他访问卡文迪什实验室时，向克里克详细解释了其中的规律。

表1 奥地利生物化学家卡伽夫测定的部分生物的DNA 分子组成

引导提问：根据这则资料，你能得到哪些信息？学生回答说出：A 含量∶T 含量接近1∶1；G 含量∶C 含量接近1∶1。教师讲述卡伽夫研究的结论：几乎所有的DNA，其腺嘌呤含量与胸腺嘧啶含量相同,即A＝T；鸟嘌呤含量与胞嘧啶含量相等，即G＝C，总的嘌呤含量与总的嘧啶含量相等，即A+G＝T+C。提问：根据这个发现，大家可推断碱基是如何进行连接的吗？学生很容易说出：A 与T 配对，C 与G 配对。

展示资料5：美国化学家多诺休提供的正确的A、T、G、C 4 种碱基分子结构图。由此，学生明白了A、G 为双环结构，T、C 为单环结构,同型配对得到的DNA 模型不规则。

教师讲述：A 与T 配对，C 与G 配对,成功地解释了DNA 分子的碱基数量关系。事实也正是如此，在之后的研究中，沃森和克里克发现A—T 碱基对与G—C 碱基对具有相同的形状和直径，碱基间通过氢键连在一起,而且A 与T 有2 个氢键，G与C 有3 个氢键,这样组成的DNA 分子呈规则的双链结构，具有稳定的直径，提出A 与T、G 与C 配对的碱基互补配对原则，碱基间以氢键相连。

要求学生再尝试根据结论修正刚才的模型，并用笔在KT 板的碱基对间画出氢键。在学生构建好DNA 分子的平面结构后,要求学生用球棍插件模型完成构建DNA 分子结构模型。教师巡查指导，及时发现各小组制作中存在的问题。这时主要出现了2 种结果：一种是不能形成螺旋结构，另一种是形成了螺旋结构。通过展示2 种模型，师生共同讨论分析，达成共识：2 条链间是反向平行连接的。

1.2.2.4 利用模型,明确DNA 分子结构特点制作完成DNA 分子结构模型，至此也完成了将抽象DNA 分子转换为直观DNA 分子的过程。

教师展示DNA 分子结构模型，引导学生观察并进行小组讨论。师生共同讨论问题，进行小结。问题：①DNA 分子中，外侧由什么连接而成？内侧是什么？②2 条链之间碱基的连接有什么规律？③构成DNA 的2 条链有怎样的关系？

利用模型，小结DNA 分子结构的主要特点。至此，DNA 分子的双螺旋结构从“点”（脱氧核苷酸）到“线”（DNA 单链）到“面”（DNA 平面结构）再到“体”（DNA 空间结构），就被完全构建起来了。在这样的“尝试→犯错→讨论→纠错”过程中，学生对DNA 分子的结构有了深刻的感性认识。

1.2.3 尝试概念学习的迁移 大概念是一种概念性的工具，用于强化思维，连接不同的知识片段，使学生具备应用和迁移的能力［1］。布鲁姆（1981）等提出迁移是大概念的本质和价值所在［1］。

教师展示不同小组的模型,引导学生观察讨论：比较不同组的DNA 模型有何异同？学生通过比较观察,得出不同组模型的差异是碱基对的数量和排列顺序不同，从而明确遗传信息是指DNA中的碱基排列顺序。同时也解决了本节课开始的问题：为什么DNA 分子可用于亲子鉴定以确定一个人的身份。因为每个人体内的DNA 的碱基排列顺序是不同的，所以遗传信息是不同的。

学生通过比较分析不同小组的模型,分析知道了碱基对的数量和排列顺序的差异,由此知道DNA 分子有多种多样,从而可推理得出DNA 分子具有多样性的特性。比较观察每一小组的DNA结构模型各不相同，学生明白每个DNA 分子都是独特的，从而可推理得出DNA 分子具有特异性的特性。通过比较相同之处，知道DNA 分子都是由4 种脱氧核苷酸组成,碱基对通过氢键连接且配对遵循碱基互补配对原则,外侧都是由磷酸基团和脱氧核糖交替连接组成。由此，学生可推理得出DNA 分子具有稳定性的特性（表2）。

表2 DNA 分子的组成、结构及其特性

最后要求学生完成概念图（图4）。

图4 要求学生完成的概念图示意图

通过利用模型分析，学生在尝试中迁移解决了DNA 分子蕴藏着丰富的遗传信息及DNA 分子具有多样性、特异性和稳定性的特性。最后完成概念图的构建,又让学生从具体的DNA 模型结构迁移回归到抽象的DNA 分子结构,学生从而在概念的螺旋上升学习中真正理解了DNA 分子的结构特点。

2 通过实验活动构建概念的教学策略

2.1 教学的逆向设计 在教学设计上,进行了教学的逆向设计。教师在开展“教”与“学”活动之前，先要努力思考此类学习要达到的目标是什么，以及哪些证据能表明学习达到了目的，能培养学生什么核心素养。逆向设计的3 个阶段：确定预期结果→确定合适的评估证据→设计学习体验和教学［1］。

首先,本节课教师确定了预期结果是学生学习后达成知道DNA 的结构特点、脱氧核苷酸的组成，理解脱氧核苷酸的连接方式、碱基互补配对原则和卡伽夫法则的目标。在学习过程中进行在合作探究中相互交流、互相评价，有意识地培养演绎与推理、模型与建模等科学的思维习惯与方法，帮助学生逐渐形成结构与功能观的生命观念。

其次，为了达成学习目标和落实核心素养，确定了合适的评估证据是学生学习中制作出脱氧核苷酸模型、脱氧核苷酸链模型、DNA 的平面结构模型和双螺旋结构模型，完善概念图。

最后,根据确定的预期结果和合适的评估证据，设计了概念学习的情境引入学习，设计了在合作探究、纠错分析、共同评价中体验了科学家的探索过程，在构建“基本单位—单链结构—平面结构—空间结构”模型过程中逐步深入，最后形成了概念——DNA 分子具有双螺旋的结构。

这样逆向设计的概念建模教学中,可围绕教学预期的结果寻找合适的评估证据,然后设计学习体验和教学。这样的教学设计,教学路径更明确，教学效益更有效，教学目标更有利于达成，核心素养的落实更有效。由此可知，逆向设计是一种追求理解的设计。

2.2 教学的合作探究 在教学组织上，采用小组合作讨论、实验探究方式。获得一个学科的核心大概念有时会非常缓慢,学生需要通过教师引导探究学习和反思才能获得［1］。

本节课在“尝试→犯错→讨论→纠错”的过程中，学生主动参与，在由“点”（脱氧核苷酸）到“线”（DNA 单链）到“面”（DNA 平面结构）再到“体”（DNA 空间结构）的合作讨论和科学探究过程中，运用科学思维中的演绎与推理、模型与建模等方法，逐步构建DNA 分子结构模型，理解DNA 分子结构特点。这也充分体现了概念的获得是一个习得过程。同时，在概念习得过程中很好地培养了学生的生物学学科核心素养。

2.3 教学的互动评价 “评价是日常教学过程中不可或缺的重要环节，是教师了解教学过程、调控教和学的行为、提高教学质量的重要手段”“评价应指向学生生物学科核心素养的发展”［4］。本节课在评价形式上,进行了生生互评和师生互评的方式。在互动评价活动中，教师通过评价得到反馈，有利于教师对活动的调控；学生在活动中通过评价得到反馈，有利于激励自我，同时各种理性思维在互动评价中得到培养和提升,各级概念在互动评价中理解深化并习得。

在教学中，模型不仅是教学工具，更是学生分析和思考的素材。以DNA 模型为载体的建构学习中，学生既体验了模型构建的科学研究方法，又很好地培养了动手能力和空间想象能力。在这样的“尝试→犯错→讨论→纠错”过程中，充分发挥了学生主体性,也在充分暴露学生的错误思维方式中,通过生生互动评价和师生互动评价中不断螺旋上升，从而有效地培养了学生的批判性思维、创新思维等理性思维。这样也使抽象知识得到具体化，客观的概念变得让学生觉得有亲近感，增加了学科味，使学生学得更轻松。

总之，生物学中有较多的大概念，例如，细胞是生物体的基本结构与功能单位、DNA 分子具有双螺旋结构等,这些概念的产生都是逐步发展建立起来的。因此，要让学生对生物学的学习有“学科味”，要让概念的学习回到学科范畴，在教学中就应优化概念教学。生物学是一门实验学科，生物学事实、概念和规律大都是科学家通过实验探索发现的。可见实验是研究生物学规律、学习生物学知识和构建生物学概念的重要方法,也由此可知实验活动中构建概念是优化概念教学和落实生物学学科核心素养的重要方式之一。