生物科学史及模型建构融合实践研究——以“核酸是遗传信息的携带者”为例

高 箐

(福建省同安第一中学 福建厦门 361100)

生物学科核心素养是生物学教学育人价值的集中体现,更是实现立德树人目标的重要途径。 《普通高中生物学课程标准(2017 年版)》(以下简称《课程标准》)提出,运用模型与建模的方法,引导学生主动参与到科学探究过程中,逐步培养学生收集和处理科学信息的能力、分析和解决问题的能力,发展科学思维。 在实施建议部分,提倡利用科学史创设真实的探究情境,让学生在真实的情境中亲历科学探究的过程,理解科学本质,掌握科学探究的方法和思路。

科学史学习和建构物理模型均是发展学生生物学学科核心素养的重要方法,而科学史与模型建构的有机结合,既能让学生体验真实的科学研究历程,也可培养学生运用模型解决生物学问题的能力,有助于学生将来利用建模思维解决真实的科学问题。 因此,教师以“核酸是遗传信息的携带者”一节的课堂教学为例,将生物科学史与模型建构相融合,培养学生的学科核心素养。

1 教材分析

本节课的主要教学内容是阐明DNA 与RNA 的区别与联系,概述生物大分子以碳链为骨架的结构特点,从而使学生构建“核酸是核苷酸聚合而成,是储存与传递遗传信息的生物大分子”的重要概念。 本节内容既衔接了蛋白质的结构与功能,也为以后学习DNA的分子结构打下基础。

2 教学设计思路

通过创设“核酸发现史”的情境,教师让学生跟随科学家的脚步探索核酸的发现历程,激发学生对核酸结构的兴趣,在引导学生分析科学史材料的过程中,提高学生分析资料、提取关键信息以及演绎推理的能力。 通过“核苷酸及核苷酸长链”的模型构建,学生可增强对核苷酸结构的感性认识,更直观地认识到核酸由核苷酸聚合而成。 在比较小组间的核苷酸链模型时,教师引导学生思考:DNA 如何储存大量的遗传信息? 为什么DNA 可以为案件侦查提供证据? 从而培养学生运用模型建构思维解决生活中实际问题的能力,增强学生运用科学知识解释生命现象的社会责任感。

3 教学目标

(1) 通过核苷酸以及核苷酸链模型的构建,阐明核酸由核苷酸聚合而成,生物大分子以碳链为骨架。

(2) 对核酸发现史进行讨论分析,概述核苷酸的结构,归纳比较DNA 与RNA 的区别和联系。

(3) 解释DNA 在刑侦案件中的作用,揭露核酸保健品的内幕,向周围民众传播正确的生物学知识。

4 教学过程

4.1 创设情境,激发探究欲望

在教学开始时,教师播放《鉴证实录》电视剧中的一段剧情,剧情展示了警察通过现场DNA 判断犯罪嫌疑人,从而引入探究问题:为什么DNA 可以提供犯罪嫌疑人的遗传信息? 电视剧的剧情激发了学生的探究欲望,学生热情高涨,对DNA 的结构产生兴趣,并主动参与到“探索细胞中DNA 的结构与功能”这一主线任务中来。

4.2 以科学史为主线,培养科学探究精神

“核酸是遗传信息的携带者”这节内容需要落实的核心问题是:① DNA 和RNA 在化学组成上有什么异同点? ② 核苷酸的排列顺序与遗传信息有什么关系? ③ 为什么说生物大分子以碳链为骨架? 其中,核心问题①可以通过科学史的学习来解决。

教师串联科学史料,逐步构建核酸的结构。 首先,教师通过史料1 和史料2 得出核酸由磷酸、碱基与糖类三部分组成。 接着,教师拆分核酸的三个组分,利用史料3 和史料4 逐个突破碱基、糖类的概念。 最后,教师通过史料5 引入核酸的基本单位核苷酸,并利用逐步构建的概念图归纳总结DNA 和RNA 的异同。

史料1:米舍尔将绷带的脓血洗脱下来,先用酒精把细胞中的脂肪性物质去除,再用猪胃黏膜的酸性提取液(能够去除蛋白质的胃蛋白酶粗制品)进行处理,对细胞核进行化学分析发现一种含磷量很高、对蛋白酶有耐受性的强有机酸,他将该物质命名为“核素”。 学生分析史料1,提取关键信息,推测核素的化学组成含有磷酸。

史料2:科塞尔发现核素是蛋白质和核酸的复合物。 他水解核酸后,得到核酸的基本成分是鸟嘌呤、腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶,还有糖类物质和磷酸。 学生分析史料2,验证了核素中含有磷酸的猜测,确定核酸的组成包括磷酸、碱基和糖类,这体现了科学研究不仅需要大胆推测,更需要小心求证。 通过分析核酸的组成成分,学生总结出核酸的组成元素包括C、H、O、N、P,并小组讨论,进一步总结了DNA 和RNA 在碱基方面的异同点。

史料3:列文证明核酸所含的糖类由5 个碳原子组成,将其命名为核糖。 他发现构成两种核酸的糖类有两种,另一种糖类比核糖少一个氧原子,命名为脱氧核糖。 在展示史料3 的同时,教师呈现了两种五碳糖的化学结构图片,化抽象为具体,使学生认识脱氧核糖和核糖的结构差异。

史料4:哈马斯顿等人证明,DNA 是一种高分子量的长链结构,其分子量约在5×105-106之间。 学生运用类比推理法,结合已学的蛋白质结构特点,推测出核酸也具有小分子单位。

史料5:斯托伊德尔发现单糖、每种嘌呤或嘧啶碱基、磷酸的比例为1 ∶1 ∶1。 1934 年,列文发现核酸可被分解成含有一个嘌呤、一个核糖或脱氧核糖和一个磷酸的片段,这种组合被称为核苷酸。 学生通过分析资料5,得出DNA 和RNA 的基本单位是核苷酸,并认识了核苷酸的基本组分及其碳原子的分布位置。 同时,教师结合板书对DNA 和RNA 的异同点进行总结,从而突破核心问题①,使学生构建核酸是生物大分子的生命观念。

4.3 建构模型,培养科学思维

教师展示建构核苷酸模型的材料(图1),说明每种卡片代表的含义。 绿色和黄色的五边形卡片分别代表核糖和脱氧核糖;不同颜色的长方形卡片代表5种碱基;圆形卡片代表磷酸;黑色长条代表化学键。教师提供连接卡片和长条的双面胶,学生前后桌4 人为一组,以小组合作的形式,按任务要求构建相应模型,完成后由小组代表展示模型。

图1 核苷酸模型材料

任务1:构建含有脱氧核糖和腺嘌呤A 的核苷酸模型。 根据学生展示的模型,教师可以对学生的认知误差进行修正,使学生能够清楚地认识到脱氧核糖5个碳原子的位置,明确碱基是连接在1 号碳原子上,磷酸是连接在5 号碳原子上,对核苷酸的结构有更深刻的理解。

任务2:构建所有的脱氧核苷酸模型以及核糖核苷酸模型,说明脱氧核苷酸、核糖核苷酸、核苷酸、碱基分别有几种,并依据这些模型的不同之处,尝试对模型进行命名。 学生小组内分工合作,自主构建所有的核苷酸模型,并通过小组互评的方式,对错误的模型进行修正和完善,最终可得出4 种脱氧核苷酸模型和4 种核糖核苷酸模型,共8 种核苷酸模型,以及5种碱基。 学生小组代表总结模型制作过程,从碱基和五碳糖的角度对模型进行命名,得出命名规则为:碱基名称+五碳糖名称+核苷酸。 通过模型制作,学生更加深刻地认识了核苷酸的各个化学组分,能更清晰地辨别DNA 与RNA 的异同点。

任务3:参照书本中的核苷酸链图片,将脱氧核苷酸模型连接成脱氧核苷酸长链模型,并说明连接的位置。 学生将核苷酸连成长链,能够指出磷酸与脱氧核糖的3 号碳原子和5 号碳原子交替连接,更加深刻地认识了核苷酸链的结构,从而为其接下来学习DNA分子的结构奠定了知识基础。

任务4:小组间合作,比较两组的脱氧核苷酸长链模型有何不同。 教师让两组学生展示各自的脱氧核苷酸长链模型,并请小组代表说明两组模型的不同之处,由此回归到最初设置的情境中:为什么DNA 能够鉴定犯罪嫌疑人的信息? 学生能够用自己的语言解释遗传信息存储在脱氧核苷酸的排列顺序中。

4.4 展示单体结构,培养生命观念

教师分别展示葡萄糖、缬氨酸和腺嘌呤脱氧核糖核苷酸的化学分子式(图2),学生能够自主发现这些物质均以碳链为骨架。 通过运用不完全归纳法,学生总结出生物大分子单体的特点,并结合课本中生物大分子的信息,构建出生物大分子以碳链为骨架的重要概念。

图2 单体结构图

4.5 学以致用,培养社会责任

教师展示习题,小组内学生自由讨论,并由小组代表分享讨论结果。

【例题】随着生活水平的提高,人们对营养保健食品日益关注。 一些厂家在核酸保健品的广告中用到类似的宣传语:一切疾病都与基因受损有关;基因是核酸片段;补充某些特定的核酸,可增强基因的修复能力。

(1) 请对上述三段广告宣传语作出评析,指出其中的逻辑漏洞。

(2) 如果有人向你推销核酸保健品,你将如何回应?

学生通过构建核酸结构、功能的相关概念,能够将所学知识应用在实际生活中,解决真实问题,从而增强传播生物学知识的社会责任。

5 教学反思

本节课中,教师挖掘教参“核酸的发现”中相关的教学资源,围绕核酸的结构设计教学活动,还原了核酸结构的形成过程,引导学生逐步构建核酸的概念。这让学生对核酸的兴趣空前高涨,有学生在课后提出“科学家采取什么方法来提取核酸”等问题。 生物学教材有很多科学史内容,教师充分挖掘、筛选、串联科学史内容能够激发学生的探究热情,让学生体验科学探究的乐趣、掌握科学探究的方法和学习科学家的探究精神。 在构建核苷酸模型的过程中,学生产生了“磷酸与五碳糖如何连接”等生成性问题,最终小组成员通过讨论交流得出解决方案,充分发挥了团队协作的力量。 学生亲自动手构建生物模型,既增强了动手能力,也在构建过程中发展了抽象思维。 学生在小组合作讨论中产生思维碰撞、进行协作交流,发展了团队合作意识,提高了表达交流能力。