論科學史與情景創設的探究式教學

柳彩葉

【摘要】本文利用“DNA復制實驗證據”科學史為探究背景，設計假說演繹法流程探究DNA復制機制，并通過生活實例和科技資料創設情景探究DNA復制的條件、過程、特點，最終使學生形成DNA復制的概念，多方位培養學生的核心素養。

【關鍵詞】DNA復制;科學史;探究;資料分析

一、課例分析及教學思路

DNA的復制是《遺傳與進化》第3章第三節的內容，這一節課涉及了DNA分子復制的推測、DNA半保留復制的實驗證明和DNA分子復制的具體過程。

在學習DNA復制的理論推測和DNA半保留復制的實驗證明時，先進行沃森和克里克的DNA雙螺旋模型構建科學史學習，再進一步探究學習，自然激發學生探究的動力，跟著科學家的思路思考： DNA分子是如何復制的？這是一份優秀的科學史探究課程素材。DNA復制過程的研究體現了假說—演繹法的科學研究方法，在課堂上以沃森和克里克關于DNA復制推測的論文為材料背景，指導學生運用提出假說-演繹推理-設計實驗-實施實驗-得出結論，從而認識DNA的半保留復制機理，另課程中同時運用模型構建模擬DNA復制的假說內容和演繹結果，讓復雜的知識形象化，學生更容易理解深奧的實驗原理和結果分析。

在數字DNA分子的復制過程時，通過創設核酸檢測PCR擴增技術的背景來探究DNA復制的條件，以DNA復制速度的科普資料探究DNA復制的特點。

通過科學史與情景創設的探究設計，提升學生的探究能力，并通過科學史的學習體驗科學家對知識不斷探索的精神，全面培訓學生的核心素養。

二、教學過程

（一）創設科學資料情景，導入新課

展示沃森和克里克發表的DNA雙螺旋結構論文中關于DNA復制的思考。引發學生思考：堿基的配對原則暗示DNA復制的可能機制是什么？而科學家用可能這一詞反映科學研究有什么特點？由此引出本節課的內容。

設計意圖：自然延續上節課內容，以科技文章創設背景，激發學生探究興趣，培養科技文章閱讀興趣，養成關注科學發展的習慣，并體會科學研究中大膽想象，但結論又必須建立在確鑿的證據上的求實精神。

（二）假說-演繹法探究

1.提出問題：DNA復制的機制是什么？

2.作出假說：展示沃森和沃森及科學家提出的關于DNA全保留和半保留復制的論文和圖例，引導讓學生提出假說：半保留復制和全保留復制，并以此分為兩組開展探究活動。

設計意圖：以科學家的研究讓學生自然提出兩種假說，并通過分組活動提高課堂效率。

3.演繹推理：

創設活動1：讓全班學生分為兩個組，每組畫出兩種假說復制產生的子一代DNA和子二代DNA的DNA鏈組成，每組安排一位代表到黑板上進行展示（用兩條紅色帶磁鐵的紙條表示DNA的母鏈，提供數條帶磁鐵的白色紙條代表新子鏈）。

設計意圖：采用模擬模型構建系統，將抽象的知識更加形象化，更便于學習者掌握。

提出啟發性問題：如何用實驗證明DNA是半保留還是全保留復制？在實驗中跟蹤物質的變化，可以利用哪種科學技術？引導學生想到同位素標記法。

創設活動2：模擬密度梯度實驗的原理，教師將不同數目鋼釘的三種泡沫條放入裝有氯仿、水、食用油的燒杯，可觀察到燒杯中三種泡沫條分為上中下三層。

提出啟發性問題1：為什么會出現分層現象？ 跟什么有關？學生在仔細觀察后看出鋼釘數量不同導致分層現象，穿鋼釘數目較低的泡沫條處于最上層，穿鋼釘數目最高的泡沫條處于最下層，穿鋼釘數目居中的處于中間層。問題2：如果鋼釘重量就代表DNA的分子量大小，不同分子量的DNA分子如何分布？教師指出： 氯仿、水、食用油的密度依次減小，即燒杯中的液體密度從上到下依次增加，這樣就形成了密度梯度。指導學生得出結論：分子量較小的DNA分子漂在密度較低的溶液上（上層），分子量較大的DNA分子飄在密度較大的溶液（下層）上，而分子量居中的會處于在中層。

老師再以科學知識解釋利用同位素技術和離心技術在試管中分辨含有不同N元素的DNA的實驗原理。

設計意圖：通過教具模擬密度梯度離心法，讓深奧的科學技術更加淺顯易懂。

創設活動3：在學生已理解密度梯度離心技術的原理后，展示背景活動：假設親代大腸桿菌的DNA雙鏈被15N標記，用含14NHCl的培養液對大腸桿菌進行培養，再提取子一代和子二代的DNA進行梯度離心處理，請用橫線表示出離心后DNA分子分布在試管中的位置。學生完成后，每個組選一個代表到黑板上展示。

設計意圖：結合掌握的背景知識，演繹推理出實驗原理，為下一步的設計實驗提供思路和依據。

4.設計實驗

創設活動四：提供以下材料：被15N標記的大腸桿菌DNA、含14NHCl的培養液，請設計實驗探究DNA復制的方式。請寫出實驗設計的思路和預期實驗結果。 學生在學案中完成后，老師在希沃展示臺上展示完成情況，并做點評。

設計意圖：訓練學生的實驗設計能力及文字表達的規范化。

5.實施實驗驗證假說

課件展示實際實驗過程和實驗結果，驗證假說。

6.得出結論

實驗結果與半保留復制假說的內容符合，師生共同得出結論：DNA是半保留的方式進行復制。

7.進一步探究

引導學生提出下一問題：DAN復制需要什么條件？有什么特點？過渡下一個內容。

設計意圖：把復雜的科學史作為探究背景材料，引導學生用假說演繹法，引導學生進一步運用探究實驗程序得出結論，讓學生領悟假說演繹法的科學研究方法的應用和生物學的實證要求特點

（三）DNA的復制

1.創設生活情景探究DNA復制的條件

資料一：以某病毒核酸檢測為情景，通過核酸檢測的原理視頻，展示包含病毒樣本（咽、鼻拭子）（下轉第頁）（上接第頁）經裂解提純后得到病毒RNA，經逆轉錄獲得cDNA，再經PCR體外擴增得到大量DNA，而后進行DNA探針熒光檢測的過程。并展示了核酸檢測試劑盒中的四種成分（4種游離的脫氧核苷酸、緩沖體系、DNA聚合酶）和PCR反應流程（變形、退火、延伸），讓學生由此概括細胞中DNA分子復制的條件：原料、模板、酶。

設計意圖：通過熱門生活實例，培養學生關心生物科技與生活的聯系，提升社會責任意識。

資料二：展示關于DNA體外復制時需要添加少量DNA引子和ATP能量原料才能復制的科學實驗材料，引導學生思考DNA復制的條件：除了原料、模板、酶，還需要ATP提供能量和引子。

2.創設資料背景探究DNA復制的特點

展示資料1：DNA完全解旋需要7小時，再加入原料合成子代需要8小時，但如果條件齊備，完成復制只需要7.5小時。展示資料2：人類腫瘤細胞DNA復制的時間資料。引導學生明白多起點復制的特點，通過兩則資料，得出結論：DNA是邊解旋邊復制、多起點復制的特點。

3.以DNA復制的動畫，驗證分析的結論

播放DNA復制的動畫，師生一起總結DNA復制的三大步驟：解旋-合成子鏈-復旋。

（四）歸納總結，形成概念

通過實驗探究、資料分析、動畫展示，學生已經掌握了DNA復制的機制、DNA復制的條件、DNA復制的過程和特點。此時引導學生歸納總結DNA復制的概念。并利用已學知識，結合細胞分裂、細胞結構，對DNA復制知識點進行梳理和總結，表格中列出：復制的時期、場所、基本條件、過程、準確性的原因、準確復制的意義。學生們通過表格歸納填寫。

最后，老師再重新梳理本節內容，引導學生歸納DNA復制的概念。

設計意圖：通過圖表，培養學生的歸納能力，同時構建了DNA復制的概念。

三、教學反思

（一）本節課利用DNA復制的科學史作為探究實驗的背景材料，以探究式學習過程，結合模擬模型構建，用教具實驗模擬復雜科學實驗的原理，學生設計實驗等方式讓探究性學習過程更加真實和有意義，而不是停留在探究流程，讓科學探究能力真實內化到學生的科學思維中，落實核心素養的培養關鍵。

（二）通過對科學史的學習，使學生感受科學家們勇于提出質疑，但也追求確鑿實驗證據上的求實精神，培養學生核心素養中的社會責任精神。

（三）通過資料層層構建DNA復制的概念，有利于學生對知識的深入理解和應用，同時有利于發展學生的生命觀念。

（四）以核酸檢測作為資料材料，科學進步與生活息息相關，讓學生認識生物學習與社會發展的密切關系，是生物學核心素養培養的重要內容。

【本文系廣東省教育科學規劃課題“核心素養導向的高中生物實驗探究式學習研究”（課題批準號2019YQJK317）資助】

參考文獻：

[1]楊君.“DNA的復制”一節的探究式教學設計[J].生物學教學，2015，40（8）：3.

[2]劉本舉.“DNA的復制”基于科學史探究的教學[J].生物學教學， 2008（3）：3.