论科学史与情景创设的探究式教学

柳彩叶

【摘要】本文利用“DNA复制实验证据”科学史为探究背景，设计假说演绎法流程探究DNA复制机制，并通过生活实例和科技资料创设情景探究DNA复制的条件、过程、特点，最终使学生形成DNA复制的概念，多方位培养学生的核心素养。

【关键词】DNA复制;科学史;探究;资料分析

一、课例分析及教学思路

DNA的复制是《遗传与进化》第3章第三节的内容，这一节课涉及了DNA分子复制的推测、DNA半保留复制的实验证明和DNA分子复制的具体过程。

在学习DNA复制的理论推测和DNA半保留复制的实验证明时，先进行沃森和克里克的DNA双螺旋模型构建科学史学习，再进一步探究学习，自然激发学生探究的动力，跟着科学家的思路思考： DNA分子是如何复制的？这是一份优秀的科学史探究课程素材。DNA复制过程的研究体现了假说—演绎法的科学研究方法，在课堂上以沃森和克里克关于DNA复制推测的论文为材料背景，指导学生运用提出假说-演绎推理-设计实验-实施实验-得出结论，从而认识DNA的半保留复制机理，另课程中同时运用模型构建模拟DNA复制的假说内容和演绎结果，让复杂的知识形象化，学生更容易理解深奥的实验原理和结果分析。

在数字DNA分子的复制过程時，通过创设核酸检测PCR扩增技术的背景来探究DNA复制的条件，以DNA复制速度的科普资料探究DNA复制的特点。

通过科学史与情景创设的探究设计，提升学生的探究能力，并通过科学史的学习体验科学家对知识不断探索的精神，全面培训学生的核心素养。

二、教学过程

（一）创设科学资料情景，导入新课

展示沃森和克里克发表的DNA双螺旋结构论文中关于DNA复制的思考。引发学生思考：碱基的配对原则暗示DNA复制的可能机制是什么？而科学家用可能这一词反映科学研究有什么特点？由此引出本节课的内容。

设计意图：自然延续上节课内容，以科技文章创设背景，激发学生探究兴趣，培养科技文章阅读兴趣，养成关注科学发展的习惯，并体会科学研究中大胆想象，但结论又必须建立在确凿的证据上的求实精神。

（二）假说-演绎法探究

1.提出问题：DNA复制的机制是什么？

2.作出假说：展示沃森和沃森及科学家提出的关于DNA全保留和半保留复制的论文和图例，引导让学生提出假说：半保留复制和全保留复制，并以此分为两组开展探究活动。

设计意图：以科学家的研究让学生自然提出两种假说，并通过分组活动提高课堂效率。

3.演绎推理：

创设活动1：让全班学生分为两个组，每组画出两种假说复制产生的子一代DNA和子二代DNA的DNA链组成，每组安排一位代表到黑板上进行展示（用两条红色带磁铁的纸条表示DNA的母链，提供数条带磁铁的白色纸条代表新子链）。

设计意图：采用模拟模型构建系统，将抽象的知识更加形象化，更便于学习者掌握。

提出启发性问题：如何用实验证明DNA是半保留还是全保留复制？在实验中跟踪物质的变化，可以利用哪种科学技术？引导学生想到同位素标记法。

创设活动2：模拟密度梯度实验的原理，教师将不同数目钢钉的三种泡沫条放入装有氯仿、水、食用油的烧杯，可观察到烧杯中三种泡沫条分为上中下三层。

提出启发性问题1：为什么会出现分层现象？ 跟什么有关？学生在仔细观察后看出钢钉数量不同导致分层现象，穿钢钉数目较低的泡沫条处于最上层，穿钢钉数目最高的泡沫条处于最下层，穿钢钉数目居中的处于中间层。问题2：如果钢钉重量就代表DNA的分子量大小，不同分子量的DNA分子如何分布？教师指出： 氯仿、水、食用油的密度依次减小，即烧杯中的液体密度从上到下依次增加，这样就形成了密度梯度。指导学生得出结论：分子量较小的DNA分子漂在密度较低的溶液上（上层），分子量较大的DNA分子飘在密度较大的溶液（下层）上，而分子量居中的会处于在中层。

老师再以科学知识解释利用同位素技术和离心技术在试管中分辨含有不同N元素的DNA的实验原理。

设计意图：通过教具模拟密度梯度离心法，让深奥的科学技术更加浅显易懂。

创设活动3：在学生已理解密度梯度离心技术的原理后，展示背景活动：假设亲代大肠杆菌的DNA双链被15N标记，用含14NHCl的培养液对大肠杆菌进行培养，再提取子一代和子二代的DNA进行梯度离心处理，请用横线表示出离心后DNA分子分布在试管中的位置。学生完成后，每个组选一个代表到黑板上展示。

设计意图：结合掌握的背景知识，演绎推理出实验原理，为下一步的设计实验提供思路和依据。

4.设计实验

创设活动四：提供以下材料：被15N标记的大肠杆菌DNA、含14NHCl的培养液，请设计实验探究DNA复制的方式。请写出实验设计的思路和预期实验结果。 学生在学案中完成后，老师在希沃展示台上展示完成情况，并做点评。

设计意图：训练学生的实验设计能力及文字表达的规范化。

5.实施实验验证假说

课件展示实际实验过程和实验结果，验证假说。

6.得出结论

实验结果与半保留复制假说的内容符合，师生共同得出结论：DNA是半保留的方式进行复制。

7.进一步探究

引导学生提出下一问题：DAN复制需要什么条件？有什么特点？过渡下一个内容。

设计意图：把复杂的科学史作为探究背景材料，引导学生用假说演绎法，引导学生进一步运用探究实验程序得出结论，让学生领悟假说演绎法的科学研究方法的应用和生物学的实证要求特点

（三）DNA的复制

1.创设生活情景探究DNA复制的条件

资料一：以某病毒核酸检测为情景，通过核酸检测的原理视频，展示包含病毒样本（咽、鼻拭子）（下转第页）（上接第页）经裂解提纯后得到病毒RNA，经逆转录获得cDNA，再经PCR体外扩增得到大量DNA，而后进行DNA探针荧光检测的过程。并展示了核酸检测试剂盒中的四种成分（4种游离的脱氧核苷酸、缓冲体系、DNA聚合酶）和PCR反应流程（变形、退火、延伸），让学生由此概括细胞中DNA分子复制的条件：原料、模板、酶。

设计意图：通过热门生活实例，培养学生关心生物科技与生活的联系，提升社会责任意识。

资料二：展示关于DNA体外复制时需要添加少量DNA引子和ATP能量原料才能复制的科学实验材料，引导学生思考DNA复制的条件：除了原料、模板、酶，还需要ATP提供能量和引子。

2.创设资料背景探究DNA复制的特点

展示资料1：DNA完全解旋需要7小时，再加入原料合成子代需要8小时，但如果条件齐备，完成复制只需要7.5小时。展示资料2：人类肿瘤细胞DNA复制的时间资料。引导学生明白多起点复制的特点，通过两则资料，得出结论：DNA是边解旋边复制、多起点复制的特点。

3.以DNA复制的动画，验证分析的结论

播放DNA复制的动画，师生一起总结DNA复制的三大步骤：解旋-合成子链-复旋。

（四）归纳总结，形成概念

通过实验探究、资料分析、动画展示，学生已经掌握了DNA复制的机制、DNA复制的條件、DNA复制的过程和特点。此时引导学生归纳总结DNA复制的概念。并利用已学知识，结合细胞分裂、细胞结构，对DNA复制知识点进行梳理和总结，表格中列出：复制的时期、场所、基本条件、过程、准确性的原因、准确复制的意义。学生们通过表格归纳填写。

最后，老师再重新梳理本节内容，引导学生归纳DNA复制的概念。

设计意图：通过图表，培养学生的归纳能力，同时构建了DNA复制的概念。

三、教学反思

（一）本节课利用DNA复制的科学史作为探究实验的背景材料，以探究式学习过程，结合模拟模型构建，用教具实验模拟复杂科学实验的原理，学生设计实验等方式让探究性学习过程更加真实和有意义，而不是停留在探究流程，让科学探究能力真实内化到学生的科学思维中，落实核心素养的培养关键。

（二）通过对科学史的学习，使学生感受科学家们勇于提出质疑，但也追求确凿实验证据上的求实精神，培养学生核心素养中的社会责任精神。

（三）通过资料层层构建DNA复制的概念，有利于学生对知识的深入理解和应用，同时有利于发展学生的生命观念。

（四）以核酸检测作为资料材料，科学进步与生活息息相关，让学生认识生物学习与社会发展的密切关系，是生物学核心素养培养的重要内容。

【本文系广东省教育科学规划课题“核心素养导向的高中生物实验探究式学习研究”（课题批准号2019YQJK317）资助】

参考文献：

[1]杨君.“DNA的复制”一节的探究式教学设计[J].生物学教学，2015，40（8）：3.

[2]刘本举.“DNA的复制”基于科学史探究的教学[J].生物学教学， 2008（3）：3.