基于科学史的论证式教学设计

吕茜

摘 要 以科学史为依托，以“CER模型”为论证体系对“DNA分子的结构”进行探索；融入“模型建构”的方法，为学生提供思维载体，促进科学思维的发展，进一步明确遗传信息的本质，促进学生结构与功能观、信息观等生命观念的形成和发展。

关键词 论证式教学 科学史 模型建构

中图分类号 Ｇ633. 91 文献标志码 B

1 教学分析和设计思路

本节教学内容选自人教版生物学《必修2·遗传与进化》第三章第二节， 《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》明确指出其对应的次位概念为：概述DNA分子是由四种脱氧核苷酸构成，通常由两条碱基互补配对的反向平行长链形成双螺旋结构。结合上位的重要概念和大概念（图1），进一步确定如下教学目标：学生通过掌握DNA分子的结构进而理解遗传信息的本质。教材提供的科学史和模型制作活动为学生全面理解DNA分子结构探索历程，以及发展科学思维提供了良好的教学资源和思路，为明晰DNA分子结构、理解DNA复制和基因的表达等奠定了基础。从知识和能力角度分析学生的学习难点主要包括：① DNA分子结构属于抽象的微观结构，学生难以理解其内涵。② 高一学生缺乏有机化学基础知识，难以理解有机大分子的结构。③ DNA分子结构涉及多学科内容的融合，难度较大，对学生的思维要求较高。

针对学生的认知和思维障碍，结合发展学生学科核心素养的教学要求，本节课使用“论证式教学”方法主导教学过程的推进，以包含证据（Evidence）、推理（Reasoning）和主张（Claim）三个核心要素，同时融入“补充或修正”模块形成的“CER”复合模型（图2）作为本节课的科学论证模型。教师在合理拓展科学史资料的基础上，以问题串形式构建主脉络，引导学生通过科学论证层层深入，逐步解决DNA分子结构探索过程中的诸多问题：① DNA分子的基本单位是什么？② DNA中的脱氧核苷酸如何相连？③ 如何确定DNA中脱氧核苷酸链的数量？④ 如何确定脱氧核苷酸链之间的连接方式？其中主要的论证过程集中于“DNA中的脱氧核苷酸如何相连”和“如何确定脱氧核苷酸链之间的连接方式”这两个问题，其论证过程分别如图3和图4所示。以“模型建构”为手段，通过建构“DNA 的基本单位-脱氧核苷酸长链-DNA的平面结构-DNA的双螺旋结构”等一系列自下而上的物理模型，将抽象的 DNA 分子具象化，促进学生准确理解 DNA 分子的结构特点以及遗传信息的本质。

2 教学目标

① 通过分析科学史资料，能够运用科学论证的方法，全面认识DNA分子的双螺旋结构，进一步形成结构与功能观等生命观念，发展质疑、实证等科学思维能力。

② 运用“模型建构”的方法构建DNA分子的物理模型，深入认识DNA分子的双螺旋结构，发展“模型与建模”的科学思维。

③ 通过分析DNA双螺旋结构模型准确掌握DNA分子的结构特点，理解遗传信息的本质，奠定信息观基础。

3 教学过程

3.1 温故启新，奠定科学论证的基础

教师以“‘打拐DNA信息库的建立”为情境，指向对遗传信息本质的思考和探索，再以结构与功能相适应的观点引出对DNA分子结构的探究。

教师通过列举“有丝分裂中亲子代细胞形态、结构基本相同”和“自然界生物形态结构多种多样”等事实，引导学生认识遗传物质的稳定性和多样性，为开展科学论证奠定思维基础。再回顾脱氧核苷酸的结构，为学生探究DNA分子的结构奠定知识基础。学生利用軟磁片、双面胶等材料分小组完成脱氧核苷酸模型的制作，为后续探究搭建思维载体。

设计意图：教师通过真实情境的创设，激发学生的学习兴趣；同时通过引导学生认识遗传物质的稳定性和多样性，以及回顾脱氧核苷酸的结构并制作模型等活动奠定科学论证和探究活动的知识和思维基础。

3.2 以“史”论证，探究DNA分子的结构

3.2.1 论证脱氧核苷酸连接方式

教师提问：①DNA中含有多少脱氧核苷酸？②DNA中的脱氧核苷酸又如何相连？经提问激发学生思考兴趣后，教师提供资料1：20世纪20年代，化学家列文提出“四核苷酸”假说（图5）。引导学生评价模型，并得出结论： “四核苷酸”结构不满足遗传物质多样性的特点。

接着，教师提供资料2：1938年，化学家列文测得DNA的分子量可达200000-1000000D，确定DNA为大分子化合物。基于实验数据，引发学生思考并提出质疑： “四核苷酸”结构无法形成大分子化合物。借此，教师展示了由列文构建的DNA结构修正模型：DNA分子是由相同的“四核苷酸”单元聚合而成的高分子化合物（图6）。但经学生分析，发现该聚合结构仍存有不足，即“修正模型不能满足遗传物质具有多样性的要求”。

为解决学生疑惑并进一步明确DNA的结构，教师提供资料3：1951年，化学家托德认为核苷酸之间通过磷酸二酯键进行连接。学生分析资料，分小组进行脱氧核苷酸链状结构的模型构建，并展开生生互评和纠错活动。最后，学生总结出“DNA是由4种脱氧核苷酸形成的呈链状结构的大分子化合物”。

设计意图：本环节通过补充“四核苷酸”假说和“磷酸二酯键”的发现过程，帮助学生全面了解脱氧核苷酸连接方式。据此，学生经历对核心问题的探索、对主张的质疑和修正，体会求实创新的科学精神，为后续探索奠定基础。

3.2.2 论证DNA中脱氧核苷酸链的数量

教师提问：DNA具有几条脱氧核苷酸链？并提供资料4：① 1938年，科学家由DNA的密度推算出DNA中含有的脱氧核苷酸链数不少于2条，不多于4条。② 物理学家威尔金斯分析DNA分子发现：每个DNA结构单位有22个脱氧核苷酸，每条链上有11个脱氧核苷酸。学生总结：DNA分子由两条脱氧核苷酸长链构成。

设计意图：通过补充科学史资料，以具体数据论证双链结构的合理性，强化知识的获得过程。

3.2.3 论证DNA分子中两条脱氧核苷酸长链的连接方式

教师通过陈述“沃森和克里克受到启发，着手构建DNA双链结构模型”的科学史实，鼓励同学们积极动手，尝试搭建DNA分子的结构模型，并引导学生将首要问题聚焦于“双链的位置关系如何？”。学生分小组开展模型建构活动，最终获得多种连接方式存在差异的模型，包括“碱基-碱基相连”“碱基-磷酸相连”和“磷酸-磷酸相连”等。

针对不同的建构结果，教师继续提供资料5：磷酸和脱氧核糖亲水，碱基疏水。学生联系“DNA存在于水溶液中”的事实进行论证与讨论，达成“DNA双链中碱基与碱基相连”的共识，即碱基位于双链结构的内侧，而脱氧核糖和磷酸在外侧，并与同伴配合完成模型修正。

随后，教师展示多个DNA双链片段，引导学生观察模型间的差异，并鼓励其对碱基连接方式进行讨论：双链碱基是同型相连（如A-A）还是异型相连（如A-T、A-G等）？教师通过碱基结构存在共性与差异等事实引导学生认识到“双链碱基连接必然存在某种规律以支持 DNA 分子结构的稳定”，说明科学实验分为定性实验和定量实验，启发学生提出测定DNA碱基含量的研究方法，以此明确碱基连接方式的研究思路。

接着，教师提供资料6：数学家格里菲斯发现腺嘌呤吸引胸腺嘧啶，鸟嘌呤吸引胞嘧啶，且相互吸引的碱基边缘相接；生化学家查戈夫通过实验发现腺嘌呤与胸腺嘧啶含量相等，鸟嘌呤与胞嘧啶含量相等。基于资料，引导学生总结、获得碱基互补配对原则的实质，即A与T配对，G与C配对。教师通过展示碱基对的结构式，明确指出碱基对之间存在氢键，并引导学生观察碱基对的长度，基于长度相等的事实，促进学生对DNA双链呈平行关系的理解。依据上述认识，学生分组构建DNA双链平面结构模型，并进行组间互评，学生发现DNA双链存在正向和反向平行两种模型，从而产生质疑。

教师补充资料7：科学家佩鲁兹对DNA进行晶体分析发现DNA的双链呈相反方向排列。学生依据资料，修正、完成DNA双链平面结构的模型制作。待学生完成模型修正后，教师再提出质疑，激发学生认知冲突：DNA只有平面结构吗？通过展示资料8“1951年，沃森和克里克以DNA衍射图谱的数据为基础，推算出DNA呈螺旋结构”和DNA双螺旋的立体结构模型，促使学生对DNA平行、反向、立体的双螺旋的结构形成直观认识。

接着，教师继续追问此时DNA双螺旋模型能否认定为科学事实。学生讨论后提出“模型还未经过验证”的回答，教师通过引导学生思考验证模型合理性的方法，鼓励其发散思维。为解决这一问题，教师提供资料9指出威尔金斯详细分析了沃森-克里克的双螺旋模型与DNA的X衍射数据之间的对应关系，证明了DNA双螺旋结构的合理性。

設计意图：通过合理补充科学史，引导学生结合物理模型对双链中碱基分布位置、碱基连接方式等关键问题进行论证，同时加入模型验证环节，以此加深学生对DNA结构的认识和对科学探索精神的感悟，强化逻辑自洽在科学论证过程中的重要性。

3.3 由“表”及里，揭示遗传信息的本质

教师首先引导学生用表格归纳“DNA分子的结构要点”，进而引导学生比较不同DNA分子的片段，寻找DNA双链中的“变与不变”，归纳DNA的结构特性（表1），明确遗传信息的本质。

学生总结：遗传信息就蕴藏在DNA分子碱基对的排列顺序中。

设计意图：通过比较和分析DNA分子中“变”和“不变”的结构，学生明确DNA的结构特点决定其功能特性 — — “稳定性、多样性和特异性”，揭示遗传信息的本质，帮助学生形成结构与功能观、信息观等生命观念。

4 教学反思

（1）合理利用科学史进行“论证式”教学，发展学生的科学思维

本节内容涉及的科学史极为丰富，并且涉及生物学、物理学和化学等多学科的交叉融合，因此需要精心选择科学史料并做适度加工，以求史实资料符合高一学生的思维特点和认知水平，力求在不增加思维障碍点的基础上启发学生进行科学论证。通过科学论证使每一个结论都有证据支撑，在此过程中，学生既能学习科学探究的方法，提升科学思维能力；又能感悟求真、创新、务实的科学精神，提升科学素养。

（2）利用“模型建构”教学，为科学论证提供载体

学生在课堂上表现出了对模型建构活动的极大兴趣，通过小组合作讨论的方式建构DNA双链物理模型，使抽象的内容具象化，既加深学生理解，也促进思考，为其进行科学论证提供了良好的思维载体，也使学生认识到“模型与建模”是科学探究中的重要思维方法。