基于生物科学史构建论证式课堂

【摘要】本文以高中生物学必修2遗传与进化第3章第3节“DNA的复制”教学设计为例，论述基于生物科学史构建论证式高中生物学课堂的途径：在课程标准的指导下制订教学目标，收集和整理科学史，确定教学内容和容量，确定论证主题，设计论证模型框架，确定教学评价方案，旨在让学生经历科学家发现问题、提出问题、收集证据、提出观点、再进行支持或辩驳论证观点等一系列科学探究过程，加深对知识的理解，提高思维能力。

【关键词】生物科学史 论证式教学 高中生物学 DNA的复制

【中图分类号】G63 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2023）26-0132-05

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）指出，高中生物学课程既要让学生获得基础的生物学科学知识，又要让学生领悟生物学家在研究过程中所持有的观点以及解决问题的思路和方法，养成科学思维的习惯，形成积极的科学态度，发展终身学习及创新实践能力；提出高度关注生物学学科核心素养的达成，指出生物学学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任；建议教材编写重视科学探究活动的设计，建议注重生物科学史和科学本质的学习。

生物科学史不仅是记录生物学发展和研究过程的科学史实，而且还蕴含着推动学科发展的重要科学思想、科学思维、科学方法和科学精神，是生物学课程学习的优质教学素材和重要教学资源。在以往的课堂教学中，教师往往平铺直叙生物科学史，只注重传授知识，忽略在研究过程中渗透科学思想和科学方法，导致学生缺乏真实的科学探究体验，对科学本质的学习只停留在浅层思维水平，没能充分发挥科学史的科学教育价值。论证式教学是将科学研究的论证过程引入课堂的一种教学策略。在论证式课堂中，学生能够经历科学家发现问题、提出问题、收集资料证据、提出观点、再进行支持或辩驳论证观点，从而进一步完善观点的论证过程，加深对知识的理解，提升思维能力。

人教版高中生物学教材必修2遗传与进化第3章第3节“DNA的复制”，包含了丰富的科学史，本文以“DNA的复制”教学为例，聚焦学生的学习过程，以学生需要达到预定的学习目标为主线，把科学史作为学习内容并以资料信息的方式呈现，通过论证式教学方式，促使学生像科学家一样思考，培养学生的科学思维习惯。

一、教学分析

（一）教材分析

“DNA的复制”这一节包括“对DNA复制的推测”“DNA半保留复制的实验证据”“DNA复制的过程”等三部分，这三部分内容的编排顺序遵循科学史，体现了人类对DNA复制过程的认识历程，即基于DNA结构推测DNA复制的机制，然后通过实验证明DNA半保留复制机制的正确性，最后介绍DNA复制的具体过程。《课程标准》针对“模块2 遗传与进化”提出的“内容要求”包括“概述DNA分子通过半保留方式进行复制”，因此，让学生理解“DNA的复制是一种半保留复制”是本节教学的重难点。

（二）教学目标

通过分析科学史，认同DNA的复制方式为半保留复制，理解DNA复制的过程；能初步运用结构与功能观，说明DNA准确复制是遗传信息连续性的基础，发展生命观念素养；运用资料，培养分析问题、解决问题的综合能力，掌握假说—演绎法的应用，发展科学探究素养；通过分析科学家的探索历程，能认识到在提出主张的过程中，需要一定的证据作为支撑，且在研究中不断寻求新的证据以完善自己的主张，发展科学思维。

（三）教学重难点

通过本节内容的学习，结合资料分析，构建“DNA的复制”论证模型。

二、教学设计思路

“DNA的复制”的相关知识属于分子水平知识，比较抽象，在教学设计中，从知识的发生过程入手，引导学生自己去探索、观察、思考、分析、归纳、总结，为学生铺设符合其认知规律的思维轨道，从而发展学生的思维能力。教学设计思路框架如图1所示。

针对学生认知水平和思维特点，结合本节课教学对学科素养的培养要求，本节内容在论证式课堂构建方面，以论证的三大要素，即证据、推理和观点为主线，通过教师合理拓展和补充科学史作为证据呈现，引导学生层层深入，逐步理解关于“DNA的复制”过程的关键问题：是哪种复制方式？有何特点？過程如何？需要什么条件？其中主要的论证过程集中于“DNA复制的方式”和“DNA复制的特点”，论证过程如图2所示。以科学史分析为切入点，学生在论证过程中获取、分析证据，形成观点，补充并完善观点，促进学生准确理解“DNA的复制”概念的本质，达到教学目标。

三、教学过程

（一）创设情境，提出问题

新型冠状病毒感染疫情期间，同学们需要进行核酸检测。核酸检测中有一个重要的环节，即将采集的样本经逆转录之后，进行PCR扩增，然后确定检测结果。PCR扩增即体外DNA复制技术。那么，DNA的复制方式是什么？

【设计意图】以学生的真实体验导入，提高学生对本节课的学习兴趣。

（二）科学史引领，论证主张

资料1：沃森和克里克在阐述DNA双螺旋结构的那篇著名短文的结尾处写道：“值得注意的是，我们提出的这种碱基特异性配对方式，暗示着遗传物质进行复制的一种可能的机制。”

提问：DNA双螺旋的结构适合进行哪种复制方式？人们对DNA复制方式还有哪些推测？

【设计意图】通过抛出问题的方式，利用上一节课学生学习有关DNA结构的相关知识，鼓励学生针对科学研究进行大胆想象。

教师展示当时存在的三种可能的假设：半保留复制、全保留复制和弥散复制。学生根据自己的理解进行绘图（如图3所示）。

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图3 学生理解的DNA三种可能的复制方式

紧接着教师向学生明确，得出结论必须以确凿的证据为基础，生物学是一门建立在实验基础上的自然科学，生物学家需要在大量的实验中获取证据。教师展示梅塞尔森和斯塔尔经典实验中采用的两种实验方法和技术。

资料2：同位素标记法是生物学科中一种常用的技术，利用15N可以标记DNA分子中的含氮碱基；只含14N的DNA、只含15N的DNA以及既含14N又含15N的DNA的密度不同。

资料3：6 mol/L的CsCl（氯化铯）溶液密度大约是1.7 g/mL，将6 mol/L的CsCl溶液进行离心会形成1.65～1.75 g/mL的密度梯度，只含14N的DNA、只含15N的DNA以及既含14N又含15N的DNA在6 mol/L的CsCl溶液中离心后会进入到与自身密度相近溶液的区域，从而分散开来。这种科学方法称为密度梯度离心法。

接着，教师用图片展示梅塞尔森和斯塔尔的实验操作过程（如图4所示），引导学生分析梅塞尔森和斯塔尔的实验操作过程及两种技术方法的应用。

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图4 梅塞尔森和斯塔尔证明DNA复制方式的实验操作过程

学生分组讨论，明确小组合作学习任务：利用假说—演绎法，根据以上三种可能的复制方式对梅塞尔森和斯塔尔的实验结果进行预期，并在学案上将离心之后看到的条带结果绘制到试管的相应位置（如图5所示）。

图5 离心后的实验结果（预期）（学生绘制）

学生绘制完毕后，教师展示梅塞尔森和斯塔尔实际得到的实验结果（如图6所示）。学生对照、思考。

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图6 梅塞尔森和斯塔尔得到的实验结果

教师引导学生思考讨论。

1.第一代只出现一条居中的DNA条带，这个结果排除了哪种复制方式？

2.仅比较F1DNA的密度梯度离心结果，能否确定DNA是半保留复制？为什么？

3.综合分析：梅塞尔森和斯塔尔的实验结果支持了哪一主张？

资料4：加热升温可使DNA双链解旋并分开，如果再缓慢冷却，两条互补链会重新结合为双链。

教师引导学生进一步思考、讨论。

4.如果对F1DNA分子进行热处理之后，再進行密度梯度离心，能否通过实验结果确定DNA为半保留复制？请阐述你的依据。

【设计意图】设计的重点是突出假说、演绎、信息获取、收集并分析证据、知识迁移与应用等思维活动，使学生站在科学家的角度，通过分析实验现象与实验结论之间的关系，增强证据意识；通过推理分析，激发学生的深层次思考，让学习真实地发生，使学生真正成为学习活动的主动参与者。

（三）补充科学史，进一步完善观点

资料5：科学家泰勒用3H标记蚕豆根尖细胞的DNA的实验。用含放射性同位素3H的胸腺嘧啶脱氧核苷标记细胞染色体DNA双链；让细胞在不含3H的培养液中完成一个细胞周期；取其有丝分裂中期染色体，放射自显影显示每个染色体的2条单体都被标记；然后取第二个细胞周期的中期染色体，放射自显影显示每个染色体仅1条单体被标记。

教师引导学生思考：该实验结果能否证明DNA是半保留复制？请阐述理由。要求学生从已有的细胞增殖方面的知识储备入手进行分析，包括间期细胞的物质准备、有丝分裂过程中染色体、染色单体、DNA等相关知识，结合材料信息进行分析即可得出结论。

资料5：20世纪60年代初，科学家维诺格勒用放射性DNA前体标记正在复制过程中的DNA分子，得出环状DNA复制时的示意图（如图7所示）。

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图7 环状DNA复制时的自显影示意图

学生分析图片，从图中获取关键信息，即母链还未完全解旋，子链已经开始合成，从而得出DNA复制为半保留复制，且具有边解旋边复制的特点。

【设计意图】设计的重点是让学生明确证据的多重性与结论之间的关系。从实验材料角度分析，教材呈现梅塞尔森和斯塔尔开展的实验，选用的材料大肠杆菌为原核生物，而补充了泰勒用3H标记蚕豆根尖细胞的实验，从真核细胞的角度阐明DNA的复制也是一种半保留复制方式，加强学生的证据意识。通过训练学生读图能力，发展学生的观察能力、推理能力，从而培养学生良好的思维习惯。

资料6：1956年，美国生物化学家科恩伯格构建了DNA体外合成体系（如图8所示）。

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图8 DNA体外合成系统示意图

教师引导学生思考。

1.事先放入四种脱氧核苷酸起到什么作用？

2.加入DNA聚合酶起到什么作用？

3.加入ATP起到什么作用？

4.为什么要加入少量的DNA分子？

最后学生观看细胞内DNA复制过程的动态视频，通过填写表格梳理DNA复制过程的知识。

【设计意图】本环节依旧是从科学史出发，通过分析体外DNA人工合成系统，引导学生分析DNA复制所需的条件，为学习细胞内DNA复制的过程打下基础，从而更好地理解DNA的半保留复制过程及意义。

四、教学设计反思

从以上案例分析可知，基于科学史的论证式课堂教学，充分还原了科学研究的真实过程，结合了科学史和科学论证的共有特征，增强了学生的学习体验，对帮助学生更好地构建科学概念、理解科学本质有重要意义。人教版生物学教材必修2遗传与进化模块编写思路是以人类对基因、遗传物质的认识为主线展开，其中蕴含大量的科学史料，是开展论证式教学的丰富素材，如“基因在染色体上”一节，给出了摩尔根的果蝇眼色遗传实验的科学史；“DNA是主要的遗传物质”一节，给出了肺炎链球菌转化、噬菌体侵染细菌两个经典实验的科学史；“DNA的结构”一节，给出的是威尔金斯、富兰克林、查哥夫、沃森、克里克等科学家的研究过程系列科学史；学习“基因指导蛋白质合成”一节，研究遗传信息是如何由细胞核传递给核糖体进行蛋白质合成，也可以以梳理科学史的方式呈现史料，引导学生开展论证活动。这样的例子在生物学教材中并不局限于必修2模块，必修1甚至选择性必修模块中也有适合运用这种教学模式的内容，在此不再赘述。那么，如何设计基于科学史的论证式教学，笔者结合教学实践提出以下建议。

（一）以《课程标准》为指导，制订教学目标

《课程标准》是教师备课和实施教学的重要参考依据，也是教学质量评价的重要标准之一。《课程标准》明确提出了生物科学史在高中生物学教学中的重要作用，提倡教师在生物学课堂中充分利用科学史开展教学，同时对发展学生的论证能力和科学思维提出了相应的要求：要求学生通过生物学科的学习，了解科学的本质和知识的形成过程，同时增强收集信息、寻找证据的能力。因此，在进行基于科学史的论证式教学设计之前，教师要精心研读《课程标准》，了解生物学课程的性质与基本理念、学科核心素养与课程目标，明确生物科学史在课堂教学中充当的角色——是侧重科学史中具体的知识内容、方法和技能，还是关注科学史在帮助学生构建知识概念、理解科学本质的作用，或是利用科学史重在启发学生思维、培养探究精神等，明确了科学史的作用定位，再根据学生的实际情况和教学内容，制订符合发展学生学科核心素养的教学目标，从而为后续教学活动的设计和开展提供明确的方向，真正做到以学定教，实现教学相长。

（二）收集和整理科学史，确定教学内容和容量

与原人教版教材相比，2019版人教版高中生物学教材新增和完善了许多科学史的内容，目的是让学生在学习过程中亲历科学家的探索过程，在科学史学习过程中发展学科核心素养。因此，在基于生物科学史的论证式课堂教学中，教师是论证活动的引导者、科学史资料的提供者和补充者，教师在教学设计过程中，首先要关注、熟悉教材中相关科学史内容，明确科学发展的时间线，熟悉科学史故事的人物背景、事件发生的过程和結果，甚至是后续的研究等，并结合学生的认知水平进行适当的加工和补充，进而确定本节教学内容的容量和教学主线。值得注意的是，并不是所有科学史的内容都要引入课堂教学中，教师要根据教学目标进行取舍，挑选有教学意义的、有助于论证活动开展的且符合学生认知水平的科学史内容，用来作为完善论证式教学的证据和资料。

（三）确定论证主题，设计论证模型框架

论证活动的目的是发展和培养学生的论证能力。在基于生物科学史的论证式课堂教学中，教师在备课环节，需要针对课前整理好的科学史料确定论证主题，如上述案例的论证主题就是围绕“DNA的复制”的方式和特点来进行，所有的论证活动均围绕这个主题来构建论证框架，并在框架指导下开展教学活动。教师在确立论证框架后，就可以根据论证框架的思路来确定本节课的论证活动，设计具体的论证互动环节，并选择恰当的教学形式和教学方法来实施教学。

（四）确定教学评价方案，进一步优化教学设计

《课程标准》提倡“教—学—评”一体化，其中教学评价是反馈课堂教学质量和教学效果的主要手段，也是教师改进教学、优化教学设计的重要依据。以本案例为例，本节内容的学习是要求通过假说—演绎法推理DNA的半保留复制方式，以确定观点，建构围绕“DNA的复制是一种半保留复制方式，具有边解旋边复制的特点”的完整概念体系，因此，本节课的科学史的作用重在启发学生的科学思维，引导学生沿着科学家的探究思路学习解决问题、分析问题进而得出结论的研究方法，并在此过程中强调证据的获取与收集需要一定的技术支撑，从而认同科学技术的发展对学科发展的影响。那么，评价指标的确定重在学生的推理过程以及能否规范表达结果并与他人进行有效沟通与交流，从而形成完善的主张。教师可以根据学生的学习是否达到预期来对教学活动进行适当的调整和优化，以更好地实现教学目标。

参考文献

［1］中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］何嘉媛，刘恩山.论证式教学策略的发展及其在理科教学中的作用［J］.生物学通报，2012（5）.

［3］方艳.基于高中生物核心素养的论证式教学探索［J］.教师教育，2020（7）.

注：本文系桂林市教育科学“十四五”规划2022年度教育评价改革专项课题“‘双新’背景下高中生物学科持续性评价与作业设计实践研究”（2022Z-101）的研究成果。

作者简介：颜月莉（1973— ），广西桂林人，硕士，高级教师，主要研究方向为高中生物教育教学实践。

（责编 林 剑）