指向科学思维培养的高中生物学教学设计

摘    要：科学思维是高中生物学教学中需要渗透和培养的关键能力和学科核心素养之一。教师要重视发展学生的科学思维，在教学设计中就要突出以学生为主体的理念，思考如何设计问题以引导学生进行探究性学习，真实经历并体验知识的获得过程，从而“知其然，亦知其所以然”。教师要重视情境的趣味性、科学性及与所学知识的联系性，使学生在兴趣的激发中，逐步自主深入地探讨知识、构建模型、分析评论，以此提升科学思维核心素养。

关键词：科学思维；高中生物学；教学设计；《DNA的结构》

当前，高中生物学教学中“传递—接受”式教学模式较为普遍，过于重视知识技能传授和结论的获取，忽视过程的探索和科学方法的教育。学生处于被动接受状态，对知识的内化效果不佳，更谈不上分析问题、解决问题等科学思维能力的培养。这与《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》指出的发展学生的学科核心素养、充分体现课程的学科特点和育人价值不符。下面，笔者以科学思维培养为指向，对人教版普通高中教科书《生物学》必修2第3章第2节《DNA的结构》进行教学设计。

一、教学内容研究和教学目标分析

《DNA的结构》一节由“DNA双螺旋结构模型的构建”和“DNA的结构”两部分构成，为DNA复制、基因指导蛋白质合成、基因突变、基因工程、PCR技术等内容打下知识基础。DNA独特的双螺旋结构是生物多样性、特异性以及物种稳定性的前提，但对脱氧核苷酸是如何组成DNA分子的，学生没有直观的认识，所以这节课重点应落在DNA分子的双螺旋结构模型的构建上，以此突破DNA分子结构的学习，达成以下教学目标：（1）概述DNA分子结构的基本要点和特点；（2）尝试利用教师提供的线索，制作DNA双螺旋结构模型；（3）在模型构建过程中发展科学思维，体验模型构建在生物学研究中的作用。

二、教学思路

新课标理念下的高中生物学教学，既要在面向全体学生的基础上，重视探究性学习和知识的获得过程，培养学生的动手能力，又要注重培养学生的科学思维、科学方法和科学精神。基于此，笔者确定了这节课的教学思路（1课时完成）。

【情境导入】以刑侦手段中的DNA指纹技术为情境，导入课堂。

【提出课题】DNA分子的结构。

【分析资料线索，构建DNA的结构模型】重温沃森和克里克曲折的探究历程：（1）通过线索1得出DNA的组成单位（学生已有知识）；（2）通过线索2得出脱氧核苷酸连接成长链（学生已有知识，学生活动1）；（3）通过线索3得出脱氧核苷酸长链呈螺旋状，提出可能的双链模型；（4）通过线索4否定模型一（碱基位于螺旋结构外部）；（5）通过线索5否定模型二（碱基位于螺旋结构内部，相同碱基配对）；（6）通过线索6，构建脱氧核苷酸的双链模型，展示模型三、模型四（学生活动2）；（7）通过线索7否定模型三（两条脱氧核苷酸链正向排列）；（8）小结探究历程，构建DNA双螺旋结构模型（学生活动3）。

【DNA的结构】（1）根据构建的模型，分析DNA的结构；（2）根据DNA的结构，提出DNA的特性——稳定性、多样性和特异性，由DNA特异性解释导入环节中提到的DNA指纹技术可以确认罪犯的原因。

【课堂小结和练习】DNA的结构模型构建；DNA 的结构和特性。

三、教学过程

课前准备多媒体课件（其二维码详见图1），卡纸剪出脱氧核糖、磷酸和含氮碱基等模型构件若干。

（一）情境导入，激发兴趣

师：（展示图片，创设情境）我们经常在影视剧中看到公安刑警在犯罪现场采集血液或者头发等证据，这有何目的？

（学生应能说出：这是为了获得凶手的细胞DNA，进行DNA鉴定和比对，找出凶手）

师：（提出DNA指纹技术，展示DNA指纹图，引导学生确认凶手，然后设置悬念，引出新课的学习）为什么通过DNA鉴定与比对能确认凶手？这与DNA的结构有什么关系？

设计意图：创设情境，激发学生的学习兴趣，引出课题“DNA的结构”；提示“线索—结论”的科学思维在学习中的重要性。

（二）DNA双螺旋结构模型的构建

师：让我们跟着DNA结构模型的构建者——美国生物学家沃森和英国物理学家克里克，一起重温那段曲折的探究历程。

1.构建脱氧核苷酸单链模型

师：（提出线索1）20世纪30年代，科学家认识到组成DNA分子的基本单位是脱氧核苷酸。［展示脱氧核苷酸的卡纸模型］

（学生应能根据线索1，回答脱氧核苷酸的分子组成以及脱氧核苷酸的种类）

师：脱氧核苷酸如何形成DNA分子呢？（提出线索2）1951年，波林发现蛋白质的长链结构。（启发学生）DNA是由多个脱氧核苷酸脱水缩合连接而成的长链。（引导学生开展活动1）用给定材料构建一条脱氧核苷酸长链。

（学生应能回忆出已有知识，并用给定材料构建一条脱氧核苷酸长链模型）

设计意图：引导学生回顾所学知识，掌握脱氧核苷酸通过脱水缩合形成3′-5′磷酸二酯键的方式连接成核苷酸长链。

2.感受DNA的螺旋结构

师：脱氧核苷酸长链呈怎样的空间结构呢？（提出线索3）1951年，英国科学家威尔金斯和富兰克林提供了DNA的X射线衍射图谱，表明DNA分子呈螺旋状结构。用激光笔和弹簧进行课堂小实验（微信扫描图1获取实验视频）。

设计意图：通过课堂演示小实验，让学生感受、认同DNA呈螺旋结构。

3.构建脱氧核苷酸双链模型

师：脱氧核苷酸的单链和三链结构不够稳定，那么其双链模型有无可能？

（学生应能提出一些可能的双链模型）

师：（展示模型一，提出线索4）DNA在细胞内始终处于水环境中，而碱基疏水，脱氧核糖和磷酸亲水。

（学生应能根据线索4，否定模型一，并说明原因）

师：（展示模型二，提出线索5）嘧啶是单环化合物，体积小；嘌呤是双环化合物，体积大。研究发现DNA有固定直径。

（学生应能根据线索5，否定模型二，并说明原因）

师：（提出线索6）奥地利著名生物化学家查哥夫研究得出：腺嘌呤（A）的量总是等于胸腺嘧啶（T）的量（A=T），鸟嘌呤（G）的量总是等于胞嘧啶（C）的量（G=C）。

（学生应能小组合作完成活动2“用给定材料构建脱氧核苷酸双链结构模型”，派小组代表展示模型三和模型四，说明构建的依据，并对模型三和模型四产生争议）

师：（提出线索7）一个碱基上的H原子和与之配对的碱基上的电负性强的N原子或O原子之间存在一定的吸引力，形成氢键。［展示碱基互补配对图］

（学生应能据图说出碱基互补配对形成氢键的机理，说出模型四两条脱氧核苷酸链反向排列时碱基A与碱基T、碱基C与碱基G能牢固形成氢键。如果两条脱氧核苷酸链正向排列，碱基C与碱基G之间不能形成较多的氢键，就会造成结构不稳定，以此否定模型三）

设计意图：引出DNA双链结构，启发学生思考可能的模型类型，并根据教师提出的线索质疑、修正模型，使其在批判、争论和修正过程中培养分析问题、解决问题的能力，发展科学思维，在动手构建模型中培养动手操作能力。

4.构建DNA双螺旋结构模型

师：两条脱氧核苷酸链反向排列，才能完美地形成氢键，牢固地结合在一起，正因为如此，DNA分子才呈现出双螺旋结构。［小结沃森和克里克的研究，引导学生认同科学研究的曲折和艰辛，完成活动3“DNA双螺旋结构模型的制作”］

（学生应能说出：将脱氧核苷酸双链模型扭转一定角度，即可完成双螺旋结构模型的构建，但由于各组脱氧核苷酸双链模型不够长，扭转效果不好。在教师提示下，学生应能进一步说出：可以将全班同学的模型连接在一起，然后进行扭转操作）

设计意图：激发学生积极思考、乐于合作的意识。

（三）DNA的结构

［教师展示DNA双螺旋结构模型］

（学生应能说出DNA分子结构的要点：DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸链形成的双螺旋结构；亲水磷酸和脱氧核糖交替连接排在外侧，形成基本骨架；疏水碱基通过氢键相连排在内侧。然后由此提出DNA分子结构具有稳定性）

师：为什么通过DNA的鉴定与比对能确认凶手？这与DNA的结构有什么关系呢？

（学生应能说出：DNA分子碱基对排列顺序千变万化，能储存大量的遗传信息，即DNA分子具有多样性；每种DNA分子都有区别于其他DNA分子的特定的碱基排列顺序，即DNA分子具有特异性）

设计意图：根据DNA分子的结构模型，归纳DNA分子的结构要点和特性，培养学生的语言表达能力；引导学生利用所学知识来解释“科学·技术·社会”问题，落实学科核心素养的培育。

四、教学反思

在对上述教学设计进行实践后，笔者有以下几点反思。

成功点：（1）教学过程中充分发挥了多媒体的功能，使知识更加生动、便于理解；（2）将众多的科学史以线索串的方式呈现，层层递进，引导学生分析并自主构建DNA的结构模型，达到了使学生“知其然，亦知其所以然”的效果；（3）学生通过构建实物模型，加深了对DNA结构要点和特性的理解。

不足点：受材料的限制，卡纸构建的DNA模型未能很好地表示单个脱氧核苷酸的空间结构。

感悟：课堂不是教师的一言堂，学生的每一个观点都应受到尊重，每一点努力都应受到赏识。教师要始终体现学生的主体地位，关注每一个学生的发展，注重学生对知识的获取过程，注重培养学生分析问题、解决问题的思维习惯和能力，注重培养学生实事求是的科学态度、敢于创新与合作的精神。总之，科学思维的培养比科学知识的学习更加重要。