从认知到建构：高中生物DNA双螺旋结构“模型”教学策略探析

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》提出教育质量根本标准是“促进人的全面发展、适应社会需要”，学生发展核心素养恰与标准指向相一致。模型认知是高中生物核心素养的重要组成部分。从学习认知已有的模型，再到根据学生的知识特点自主建构模型，更符合建构主义学习理论及生物核心素养倡导的学习方式的转变。而模型本身的运用是深化认知的必须的迁移阶段。

1.直面现状：生物教育界对“模型”的教与学关注较少

1.1教学方式局限性—疏忽模型观

以我校两校区为样本，投放关于“高中生物模型教学策略”的调查问卷，调查结果显示6%的教师持观望态度，对“模型”教学的思想方法缺乏深入的了解。38%的教师难以摆脱旧教材框架的局限和传统教育思维定势的影响，教学中出现了必修和选修教材一步到位，造成目标性拔高。47%的教师在计划教学活动时依然着重于教材中的知识结构，真实的教学情境中缺少模型观，忽视了从模型切入的引导，在教学中无法关注高于知识本身的学科核心素养。只有9%的教师通过引导学生建构模型，设计实验并进行有效探索，引导学生从“知识系统”向“多元能力”转化。

1.2学习方式单一化—缺乏系统性

学习不该是割裂的、片段的内容组成而应将系统性的认识论架构作为统筹的依据。因此，学习方式应避免单一化，强调综合性。

1.3运行评价简单化—忽视差异性

生物学习评价包括学业水平等级考试和日常学习评价。学业水平等级考试按照课程标准和等级划分进行考核。生物日常学习评价的基本途径和方法包括课堂提问与点评、练习与作业、复习与考试等。

课堂提问的设计应巧妙关注“模型认知”能力水平达成情况的诊断。例如：酶的课堂提问中，酶具有专一性，为什么有些酶能催化几种底物反应呢？可以通过实物模型展示酶的活性位点具有较广的包容性。教师在课堂实例中有意识地强调建构思维模型的重要作用，学生才能逐步把握论证证据与模型建立及其发展之间的关系。

教师应依据各主题的学业要求，精心编制试题，题目应具有一定的情境性和综合性。学生唯有将个人生活情境、先前知识与将要学习的知识联系，才能将所学到的相关科学知识类推应用到自己的生活情境之中。通过考试，教师也才可以较为准确地诊断达成情况，为有针对性地提出改进建议提供依据。

“模型”教学策略遵循模型认知规律，从引导学生认识模型到理解模型再到运用模型，最后建构模型。“模型”教学策略是教学内容和教学策略的合体。理解模型和进行模型建构活动是学生理解生物学的一把钥匙[1]，尤其在DNA双螺旋结构的学习中模型构建至关重要。

2.DNA双螺旋结构模型构建的过程

2.1认知前提

20世纪中叶，DNA被确认为遗传物质。富兰克林拍摄DNA的X射线衍射照片如图1表明，DNA是由两条长链组成的双螺旋，磷酸根在螺旋的外侧，碱基在螺旋内侧;美国生物化学家卡伽夫发现DNA中A和T的含量总是相等，G和C的含量也相等。

2.2关键助力

沃森和克里克意识卡伽夫法则重要性后，请格里菲斯计算出A+T的宽度与G+C的宽度相等。他们采用了富兰克林和威尔金斯的数据和判断，并加以补充：磷酸根在螺旋的外侧构成两条多核苷酸链的骨架，方向相反;碱基在螺旋内侧，两两对应。

2.3模型构建

科学规律往往隐蔽在生命现象的背后，并被纷繁复杂的、非本质的、无关的因素所掩盖。因此，模型的建立过程就必然是一个艰苦的探索、发现过程[2]。受缪勒关于遗传物质必须具有自催化、异催化和突变三重性的观念影响下，沃森和克里克坚信DNA是遗传物质，并且理解遗传物质应该有什么样的特性。这是沃森和克里克最终能够在DNA分子结构揭秘的竞赛中胜出的原因之一。

3.基于生物学科核心素养的对DNA双螺旋结构的再认知

以培养学生生物学素养为原则，部分化学数量特征如各种化学键的键长、键能不做要求。对空间结构的数量特征比如每个核苷酸单体长度、链宽、沟宽不做要求。

描述DNA结构时，DNA两条单链反向平行与接下来DNA复制的方向、转录的方向有关，碱基配对并以氢键连接，关系到DNA分子结构的稳定性，需要让学生准确掌握。

卡伽夫法则和碱基互补配对原则与遗传信息的传递和表达关系密切，需要学生熟练掌握和运用。

4.基于高中生物学生的DNA结构模型的再建构

高中生观察能力很强，抽象思维等能力有一定的基础，从发展学生核心素养及方便后续遗传物质稳定性、遗传信息的传递和表达等知识点的需要出发，用平面模型来讲解如图3的DNA结构模型更加适宜。

4.1空间结构

稳定的双螺旋结构，两条单链反向平行，根据磷酸基团连接脱氧核糖的位置分为5’端到3’端和3’端到5’端的两条单链。

4.2基本骨架

磷酸和脱氧核糖交替连接排列在外侧，形成稳定的支架。

4.3碱基互补配对

A和T配对，G和C配对，以氢键连接形成碱基对，A、T之间两个氢键，C、G之间三个氢键;并推导出两条单链（1链和2链）之间A1=T2，C1=G2，T1=A2，G1=C2。

4.4数量关系

根据卡伽夫法则，双链DNA分子中A=T，C=G，并推导出很多的数量关系，如A+C=T+G，A+G=T+C等。

5.实践运用

学生的科学探究、科学思维能力是在解决具体问题的过程中培养出来的，要基于此来发展学生的生命观念和社会责任[3]。我们构建模型的初衷，在掌握规律、解决具体问题以外，更重要的是培养核心素养。

例题1：某真核生物DNA片段的结构示意图如下。下列叙述正确的是

A.①的形成需要DNA聚合酶催化

B.②表示腺嘌呤脱氧核苷

C.③的形成只能发生在细胞核

D.若α链中A+T占48%，则DNA分子中G占26%

解析 ①氢键的形成不需要DNA聚合酶催化;②是腺嘌呤;③是磷酸二酯键，合成DNA的场所还可能是线粒体、叶绿体，所以A、B、C均错;α链中A+T=48%，则DNA分子中A+T=48%，G占26%，D正确。

从例题看出，通过模型我们将DNA分子结构稳定性与遗传多样性统一起来，运用旧知识分析新情境，解决新问题[4]。

可见，“模型”教学策略能够逐步引导学生从教材、课堂中获悉生物知识里巨观、中观与符号之间的关系，并从中逐步修正既有的心智模式使其趋于正确的生物模型。减少生物本身在教学过程中的抽象性，学生需要建立模型观，“模型”教学策略可以为学生们提供形象、直观的教学感受。建构概念模型有利于培养学生的归纳能力和语言表述能力，使学生的知识结构化而得以简化，有助于培养学生的创造性思维。

参考文献

[1]谭永平.高中生物学新课程中的模型、模型方法及模型建构[J].生物学教学，2009，34（1），10-12

[2]蒋丹.模型与模型建构在高中生物学教学中的价值[J].生物学教学，2010，35（12），23-24

[3]尹濤，张佳艺，朱梅.基于模型建构的高中遗传学生物试题-以2017年高考理综全国卷第32题为例[J].基础教育论坛，2018（11），55-56

[4]顾颉刚，张旭.科学史在DNA的复制一节教学中的应用[J].生物学通报，2014，49（8）27-29

作者简介：陈德坤，性别：男，职称：一级教师，学校：杭州第十四中学，研究方向：中学生物教育和教学