基于科学史完成模型建构发展学生科学思维的教学设计 ——以“遗传信息的携带者-核酸”为例

发表时间:2020/8/20   来源:《中小学教育》2020年第9期   作者:贾筹
[导读] 本文以“遗传信息的携带者-核酸”为例,阐述以科学史为教学素材,
        摘要:本文以“遗传信息的携带者-核酸”为例,阐述以科学史为教学素材,引导学生进行科学史分析,完成模型建构,发展学生的科学思维的教学模式。
关键词:科学史 核酸 模型建构 科学思维 核心素养

1 教材分析
        科学思维是生物学核心素养的内容,是指尊重事实和证据,崇尚严谨和务实的求知态度,运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力,包括归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维等,学习生物科学史能使学生沿着科学家探索生物世界的道路,理解科学的本质和科学研究的思路和方法。[1] 因此学生利用科学史进行分析归纳,从而完成对模型的建构,是发展学生科学思维的有效途径。
        “遗传信息的携带者—核酸“是人教版高中《生物·必修1·分子与细胞》第二章第三节的内容。本节课内容主要包括核酸的单体及分类,核酸的结构、核酸的分布,是学生理解生物界遗传现象的基础,是学生理解生命的物质性的基础。核酸的分布这部分内容需要进行实验操作操作,因此单独安排一课时,本节课主要完成核酸的单体及分类、核酸的结构的教学。课本中这部分的内容仅以文字和图片形式对知识点直接进行阐述,而科学家对核酸成分的探究是建立在一系列化学实验和化学分析的基础上的,因此教学中可先由教师提出目标问题,并提供核酸的研究历程相关科学史,学生通过对科学史的分析,归纳核酸的组成元素、基本单位、分类及结构,并利用手工制作的道具,完成对核苷酸及核酸结构的构建,从而理解核酸的作用。
2 教学目标
        依据课程标准,围绕发展学生核心素养的要求,制定如下教学目标:
        (1)通过分析科学史建构核酸的基本单位及核苷酸、核酸的结构相关知识,利用道具建构核苷酸与核酸的结构模型,初步认识核酸能够携带遗传信息的原因,发展科学思维和生命观念。
        (2)通过分析核酸的研究历程相关科学史,认识到对真理是在不断的探究中完成的;通过实例分析,应用核酸相关知识解决实际问题,发展科学思维和社会责任。
3 教学过程
        课前要求学生利用硬纸板、泡沫板等材料,按要求剪裁出大小相同的圆形、大小相同的五边形、大小相同的长方形若干,圆形代表磷酸,五边形可用两种颜色剪裁,代表两种五碳糖,长方形可用五种颜色的材料剪裁,分别代表五种碱基。用卡纸剪出细长矩形,代表化学键。准备别针或小图钉,用于固定。
3.1  创设情境,引入新课,初步认识核酸的功能
        播放白银连环杀人案介绍视频,在案件侦破的过程中,犯罪嫌疑人高承勇的一名亲属因违法犯罪被采集到血样,比对DNA发现白银系列凶杀案嫌犯线索,结束了28年的漫漫追凶路,教师提问:为什么通过DNA比对能够确定犯罪嫌疑人?学生结合初中所学知识及生活经验回答:因为DNA可以储存遗传信息。教师总结DNA能储存遗传信息,是一种大分子有机物,是核酸的一种,引出本节课内容。
        设计意图:通过最近社会广泛关注的白银连环杀人案的视频资料,创设情境,联系学生已掌握的知识和切身生活经验,激发学生学习兴趣,提高学生课堂参与的积极性。
3.2  基于科学史,完成核酸的基本单位及分类知识的建构
3.2.1建构核酸的组成元素
        教师提问:核酸是一种大分子有机物,那么组成核酸的元素有哪些?
        教师提供科学史资料:①1868-1869年间,瑞士青年科学家米歇尔以外科诊所里被人抛弃的手术绷带上的脓细胞为研究材料,,从其细胞核中提取出一种含磷量很高的酸性化合物,米歇尔判断它是一种新的细胞成分,将其命名为“核素”,[2]后更名为“核酸”。②1879年,德国科学家科赛尔将核酸水解得到了一些含氮的小分子化合物,称为碱基。③1911年至1929年,科赛尔的学生列文从核酸中提取出了两种五碳糖—核糖和脱氧核糖,脱氧核糖的2号碳位上比核糖少了一个氧。④19世纪时,科学家已经测定出糖类由C、H、O三种元素构成。
        学生分析科学史资料,并提出:核酸是由C、H、O、N、P五种元素构成的,P元素存在于磷酸中,N元素存在于碱基中。
3.2.2建构核酸的单体结构
        教师提问:核酸是一种大分子化合物,大分子化合物是由基本单位组成的,那么核酸的基本单位是什么?
        教师提供科学史资料:①经过多年的核酸分解实验,1934年,列文得出结论:一分子碱基(嘌呤或嘧啶)加上一分子核糖或脱氧核糖组成一个核苷,核苷再加上一分子磷酸,组成一个核苷酸,连接顺序为碱基、核糖、磷酸。[2]②研究发现,五碳糖1、3、5号碳位上的羟基性质活泼,1号碳上的羟基能与碱基缩合形成核苷,5号碳上的羟基能与磷酸发生酯化。
        学生分析科学史,并提出:核酸的单体是核苷酸,由1分子磷酸、1分子核糖和1分子碱基连接而成。
        学生利用课前准备好的道具,完成核苷酸结构的建构,并请学生将自制模型进行展示,其他小组对模型进行评价。
3.2.3从单体组成角度,建构核酸的类别
        教师提问:核酸是怎样分类的?从核苷酸的角度考虑,不同类型的核酸有什么区别?
        教师提供科学史资料:①1924年19世纪末20世纪初,科赛尔以胸腺和酵母作为研究材料时发现,发现核酸分为两种,核糖核酸(即RNA)和脱氧核糖核酸(即DNA),核酸两种核酸水解后都含有A(腺嘌呤)、G(鸟嘌呤)、C(胞嘧啶)三种碱基,DNA中的第四种碱基为T(胸腺嘧啶),RNA中的第四种碱基为U(尿嘧啶)。②1909~1930年列文发现核酸内含有核糖及脱氧核糖,含两种不同糖分子的核酸分别称为“脱氧核糖核酸”(DNA)与“核糖核酸”(RNA)。[3]
        学生分析科学史完成,下列表格:
  
        学生根据表格内容,分别用两种不同颜色的五边形代表核糖与脱氧核糖,用五种颜色的长方形代表A、T、C、G、U五种碱基,完成脱氧核苷酸和核糖核苷酸模型的建构,并在教师的引导下,完成不同核苷酸的命名,如含有A和脱氧核糖的核苷酸命名为腺嘌呤脱氧核糖核苷酸。
3.3基于科学史,建构核酸的结构模型,体会核酸的功能
        教师提问:核苷酸作为核酸的单体是如何构成大分子物质核酸的呢?
        教师提供科学史资料:①1953年,沃森和克里克发表论文提出,DNA分子的结构是由两条链组成的双螺旋结构,外侧为磷酸和脱氧核糖交替链接形成的骨架,两条链的碱基相互配对,位于内侧,配对规则为A与T配对,G与C配对。②核苷酸中五碳糖的3号碳上的羟基性质活跃,可与磷酸酯化。③研究发现,RNA为单链结构。
        学生分析科学史,并提出:核苷酸相互连接成链状,组成生物大分子核酸。DNA为双链结构,RNA为单链结构。
        学生分析科学史资料,小组合作,利用构建好的核苷酸模型,完成核酸平面结构的建构,进行小组成果展示,其他小组进行模型的评价,最终完善核酸的结构模型。
        教师提出问题:自然界中不同生物有不同的特征,同一种生物不同个体的特征也不尽相同,说明不同个体的遗传信息是不相同的,核酸为什么能够储存遗传信息呢?
        教师组织各小组将建构的核酸模型中的碱基序列写在黑板上,学生观察分析碱基序列并提出:不同核酸碱基序列长度不同,碱基的排列顺序不同,导致不同核酸当中储存的遗传信息不同。
3.4 解决实际问题,培养社会责任
        播放被拐32年的毛寅与母亲李静芝相认的视频,提问:如何确定毛寅和李静芝的亲子关系?学生根据本节课所学知识回答:可提取两人的生物样本,进行DNA亲子鉴定。教师布置课后作业,查阅DNA相关技术在不同领域有何应用,能解决哪些实际问题,下节课请同学进行交流,并交流对生物技术发展的看法。
        设计意图:通过关注社会热点问题中DNA相关技术的应用,培养学生的辩证思维,引导学生关注社会问题。
4 教学反思
        生物学科学史发展历程本身就具有事情发展的逻辑性,以科学史为材料,完成对知识的模型构建,发展学生科学思维,是提高课堂教学的有效方法。本节课,先创设情境,激发学生学习兴趣,再以科学史为素材,学生通过对科学史资料的分析,完成知识模型的建构,最终将课堂内容内化为生物学学科核心素养。


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)[M].北京:人民教育出版社,2018:60.
[2]翁屹,张翮.如何发现DNA是生命的遗传物质[J].哈尔滨工业大学学报(社会科学版),2010,12(02):1-7.
[3]靳俊峰,陈玉川,成建定.DNA研究历程及其在法医学中的应用[J].解剖学研究,2005(01):66-68.
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