劉曉菊 李玉娜 (河北省盧龍縣中學(xué) 河北秦皇島 066400)
體驗(yàn)式學(xué)習(xí)注重為學(xué)習(xí)者提供真實(shí)或模擬真實(shí)的環(huán)境,通過設(shè)計(jì)模擬活動(dòng),讓學(xué)習(xí)者通過個(gè)人在活動(dòng)中充分“參與”來(lái)獲得個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)、感受、覺悟,然后進(jìn)行交流和分享,并通過反思再總結(jié)提升為理論成果,最后將理論成果放到實(shí)踐應(yīng)用中去檢驗(yàn)。體驗(yàn)式教學(xué)注重學(xué)習(xí)者主觀能動(dòng)性的發(fā)揮,并使其學(xué)習(xí)能力得到提升,因而體驗(yàn)式教學(xué)在新課改中被廣泛應(yīng)用。而對(duì)于生物學(xué)這門與實(shí)際生產(chǎn)、生活聯(lián)系緊密的學(xué)科,體驗(yàn)式教學(xué)更容易使學(xué)習(xí)者抓住知識(shí)的內(nèi)涵,理解知識(shí)的形成過程及運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題,使知識(shí)內(nèi)化成學(xué)習(xí)者可把握的“點(diǎn)”和“面”。筆者以“DNA分子的結(jié)構(gòu)”一節(jié)課為例,著重實(shí)施了引導(dǎo)學(xué)生“體驗(yàn)”并“學(xué)習(xí)”DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)。
DNA分子的結(jié)構(gòu)是對(duì)前面已學(xué)習(xí)的孟德爾遺傳定律和減數(shù)分裂知識(shí)進(jìn)一步的深化理解,也是學(xué)習(xí)整個(gè)遺傳模塊的基礎(chǔ)。它與必修1中所學(xué)的核酸和細(xì)胞的增殖等知識(shí)相聯(lián)系,同時(shí)也是學(xué)習(xí)DNA的復(fù)制、基因的表達(dá)、基因突變等知識(shí)及選修3中基因工程的基礎(chǔ)。
學(xué)生已經(jīng)掌握核酸的種類、元素組成及其基本組成單位,認(rèn)識(shí)了有絲分裂、減數(shù)分裂和受精作用等生物學(xué)基礎(chǔ),掌握了生物的生殖過程、染色體的化學(xué)組成等相關(guān)知識(shí),懂得DNA是主要的遺傳物質(zhì),這為新知識(shí)的學(xué)習(xí)奠定了認(rèn)知基礎(chǔ)。
(1)了解DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建的科學(xué)史;概述DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn);制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型,總結(jié)DNA分子的特性。
(2)通過動(dòng)手制作模型,培養(yǎng)觀察分析能力、動(dòng)手能力,結(jié)合資料分析DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的科學(xué)性,反思建模過程,體會(huì)建模的思想,提高建模能力。
(3)體驗(yàn)科學(xué)家建立DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的艱辛與曲折,體驗(yàn)科學(xué)家的堅(jiān)持不懈、團(tuán)結(jié)合作的精神,形成勇于創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度與為科學(xué)獻(xiàn)身的精神。
教師展示北京中關(guān)村高科技園區(qū)的DNA雕塑圖片、雅典奧運(yùn)會(huì)上“DNA的燈光秀”經(jīng)典場(chǎng)景。師生達(dá)成共識(shí):DNA分子已經(jīng)成為現(xiàn)代高科技的標(biāo)志和象征。
教師繼續(xù)展示兇殺案圖片,并說(shuō)明:這起兇殺案的案情撲朔迷離,犯罪嫌疑人卻提供了不在現(xiàn)場(chǎng)的證據(jù)。這時(shí),法醫(yī)在現(xiàn)場(chǎng)找到了留在被害人指甲中的一些皮膚組織,警方應(yīng)該如何破案?學(xué)生思考后回答:從被害人指甲中的皮膚細(xì)胞中提取到DNA,利用DNA鑒定技術(shù)協(xié)助破案 。
設(shè)計(jì)意圖:通過播放與社會(huì)熱點(diǎn)相聯(lián)系的圖片,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,促進(jìn)學(xué)生回憶已有生物學(xué)相關(guān)知識(shí)。
教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀人教版教材P47-48科學(xué)家建構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的故事,要求學(xué)生:總結(jié)每位科學(xué)家所做出的貢獻(xiàn),并談?wù)勀闶艿降膯l(fā)。
第1組學(xué)生代表回答:威爾金斯和富蘭克林的貢獻(xiàn)是獲得了DNA衍射圖譜;查哥夫提供了非常有用的信息:A的數(shù)量等于T,C的數(shù)量等于G;沃森和克里克構(gòu)建了“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”。我們小組得到啟示:科學(xué)研究的過程可能是曲折的,最后的成果是建立在前人研究成果之上的,因此科學(xué)成果是科學(xué)家堅(jiān)持不懈、團(tuán)隊(duì)合作的成果。
設(shè)計(jì)意圖:教師引導(dǎo)學(xué)生了解DNA分子模型構(gòu)建中的關(guān)鍵要點(diǎn):堿基數(shù)目規(guī)律(A=T,C=G)。通過設(shè)問引導(dǎo)學(xué)生樹立科研志向,培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí),使學(xué)生形成勇于創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度與為科學(xué)獻(xiàn)身的正確的價(jià)值觀。
3.3.1 模型建構(gòu)1:一個(gè)“脫氧核苷酸”
教師引導(dǎo)學(xué)生回顧人教版必修1“核酸”有關(guān)的內(nèi)容,組成DNA分子的基本組成單位是什么?是由哪些成分構(gòu)成?教師提示學(xué)生拿出課前分發(fā)到每個(gè)小組的相關(guān)教具(圖1),學(xué)生以小組為單位活動(dòng),用相關(guān)教具組裝DNA基本組成單位的模型(脫氧核苷酸)。在學(xué)生分組制作模型的過程中,教師引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)五碳糖的5個(gè)碳原子的位置。
5 min后,第2組學(xué)生代表展示模型并講解分析:DNA分子的基本組成單位是脫氧核苷酸,一分子脫氧核苷酸是由一分子含氮堿基、一分子脫氧核糖、一分子磷酸基團(tuán)構(gòu)成。我們組構(gòu)建了4種脫氧核苷酸模型,字母A代表腺嘌呤,該模型代表“腺嘌呤脫氧核苷酸”,展示模型(圖2)。
圖1 模型構(gòu)建所需教具
圖2 第2組學(xué)生制作“腺嘌呤脫氧核苷酸”模型
設(shè)計(jì)意圖:讓學(xué)生動(dòng)手制作并區(qū)分4種“脫氧核苷酸模型”,并認(rèn)識(shí)各“元件”所代表的成分,為下一步制作“脫氧核苷酸鏈”模型做準(zhǔn)備。這樣可以分散難點(diǎn),使學(xué)生學(xué)習(xí)循序漸進(jìn)。
3.3.2 模型建構(gòu)2:一條“脫氧核苷酸鏈”
教師繼續(xù)設(shè)問,一條脫氧核苷酸鏈中脫氧核苷酸之間是在什么部位相互連接的?通過什么化學(xué)鍵連接的?學(xué)生分小組活動(dòng),用不同顏色的導(dǎo)線作為新形成的化學(xué)鍵,使單個(gè)脫氧核苷酸形成脫氧核苷酸長(zhǎng)鏈,第3組學(xué)生代表展示模型并做出相應(yīng)板畫(圖3)。
第3組學(xué)生代表根據(jù)板畫講解分析:一個(gè)脫氧核苷酸的3′碳原子上的-OH與另一個(gè)脫氧核苷酸的磷酸基團(tuán)通過反應(yīng),形成3′5′—磷酸二酯鍵,使兩個(gè)“脫氧核苷酸”連接起來(lái),依此類推便可形成脫氧核苷酸長(zhǎng)鏈,并展示模型(圖4)。教師對(duì)形成3′5′—磷酸二酯鍵過程進(jìn)行拓展:一個(gè)脫氧核苷酸的3′羥基失去H原子,另一個(gè)脫氧核苷酸5′碳原子上的磷酸基失去H、O兩個(gè)原子,完成脫水縮合形成3′5′—磷酸二酯鍵。
圖3 第3組學(xué)生脫氧核苷酸鏈的板畫
圖4 第3組學(xué)生制作“脫氧核苷酸長(zhǎng)鏈”模型
設(shè)計(jì)意圖:學(xué)生通過自己動(dòng)手制作,演示單個(gè)脫氧核苷酸形成脫氧核苷酸長(zhǎng)鏈的過程,就更加清楚脫氧核苷酸長(zhǎng)鏈中與磷酸基團(tuán)所連的兩個(gè)化學(xué)鍵中哪個(gè)是后形成的磷酸二酯鍵,哪個(gè)是一個(gè)“脫氧核苷酸單位”內(nèi)部的化學(xué)鍵,幫助學(xué)生區(qū)分容易混淆的知識(shí)點(diǎn)。通過模型制作活動(dòng)中學(xué)生的親自動(dòng)手操作,結(jié)合思考與小組內(nèi)討論以及展示活動(dòng)中生與生之間交流、師生交流的深入,化解了知識(shí)難點(diǎn),訓(xùn)練了學(xué)生的科學(xué)思維,符合中學(xué)生物教學(xué)的核心素養(yǎng)提升目標(biāo)。
3.3.3 模型建構(gòu)3:DNA分子的平面結(jié)構(gòu)模型
教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生分析以下問題:①DNA分子是由兩條脫氧核苷酸鏈構(gòu)成,這兩條鏈通過什么化學(xué)鍵結(jié)合在一起?②空間結(jié)構(gòu)中兩鏈位置關(guān)系如何?如何體現(xiàn)出來(lái)?然后,教師組織學(xué)生分組活動(dòng),要求學(xué)生用教具制作出另一條鏈,并把兩條鏈連接起來(lái)。教師提示學(xué)生可參考人教版教材P51練習(xí)里基礎(chǔ)題的第1題內(nèi)容。
幾分鐘后小組活動(dòng)完成,第4組學(xué)生代表甲在第3組學(xué)生所做板畫基礎(chǔ)之上完成兩條脫氧核苷酸鏈的連接(圖5),并著重展示分析堿基互補(bǔ)配對(duì)原則、堿基對(duì)、氫鍵等重要概念。
第4組學(xué)生代表乙根據(jù)板畫進(jìn)行補(bǔ)充分析:DNA分子的兩條鏈位置關(guān)系為反向平行(在板畫上標(biāo)出兩鏈的3'端和5'端),中間的“堿基對(duì)”以氫鍵相連,其中A與T配對(duì),G與C配對(duì),A與T之間為兩條氫鍵,圖上用兩條虛線表示,C與G之間三條氫鍵,用三條虛線表示。同時(shí)展示本小組建構(gòu)的模型(圖6),模型中不同的顏色代表不同的堿基,氫鍵的條數(shù)用導(dǎo)線的條數(shù)表示。
圖5 第四組同學(xué)完成兩條脫氧抗苷酸鏈的連接
圖6 “DNA分子平面結(jié)構(gòu)模型”
設(shè)計(jì)意圖:學(xué)生通過觀察DNA分子結(jié)構(gòu)模式圖,制作模型,并在討論和相互糾錯(cuò)中更能直觀地、深刻地理解DNA兩條脫氧核苷酸鏈的反向平行,并且對(duì)不同“堿基對(duì)”之間的氫鍵數(shù)目等細(xì)節(jié)知識(shí)形成“深刻記憶”。教師展示講解環(huán)節(jié),訓(xùn)練了學(xué)生對(duì)概念及專業(yè)術(shù)語(yǔ)的學(xué)習(xí)和恰當(dāng)表述。
3.3.4 模型建構(gòu)4:DNA分子規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型
教師再次展示DNA雕塑圖片,引導(dǎo)學(xué)生觀察DNA分子的螺旋結(jié)構(gòu),引出螺旋的方向討論。學(xué)生用2段銅芯導(dǎo)線代替DNA的兩條鏈,制作螺旋模型,小組間相互評(píng)價(jià)。
第5組學(xué)生展示模型并講解分析:指出生物體內(nèi)天然DNA分子大多為“右手螺旋”,展示本組制作的導(dǎo)線模型(圖7)。
圖7 “DNA右手螺旋”模型
教師展示問題串,總結(jié)知識(shí),并要求學(xué)生補(bǔ)充:(1)穩(wěn)定性:DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)是相對(duì)穩(wěn)定的,原因有:①內(nèi)側(cè)堿基通過_____形成堿基對(duì)。②堿基間縱向的堆積力加固了穩(wěn)定性。③______平行的雙鏈結(jié)構(gòu),磷酸和脫氧核糖交替連接,排列在外側(cè)構(gòu)成_____。(2)多樣性:DNA分子只含有4種脫氧核苷酸,它如何能夠儲(chǔ)存足夠多的遺傳信息?DNA分子的____千變?nèi)f化。例如:一個(gè)具有n個(gè)堿基對(duì)的DNA分子所攜帶的遺傳信息是_____種。(3)特異性:不同DNA分子堿基對(duì)的排列順序不同。
參考答案:(1)氫鍵、反向、基本骨架 (2)堿基對(duì)排列順序、4n
DNA分子具有一種基本組成單位(脫氧核苷酸)、兩條反向平行鏈(脫氧核苷酸鏈)、三種小分子(脫氧核糖、磷酸、含氮堿基)、四種堿基對(duì)(G-C、A-T、T-A、C-G),五種組成元素(C、H、O、N、P)。
(2016年高考上海卷28題)在DNA分子模型的搭建實(shí)驗(yàn)中,若僅有訂書釘將脫氧核糖、磷酸、堿基連為一體并構(gòu)建一個(gè)含 10對(duì)堿基(A有6個(gè))的DNA雙鏈片段,那么使用的訂書釘個(gè)數(shù)為 ( )
A.58 B.78 C.82 D.88
答案及解析:10對(duì)堿基的DNA雙鏈片段,共含有20個(gè)脫氧核苷酸,構(gòu)成一個(gè)脫氧核苷酸需要2個(gè)訂書釘,20個(gè)脫氧核苷酸總共需要40個(gè);一條DNA單鏈上10個(gè)脫氧核苷酸相連需要9個(gè)訂書釘,連接成一條單鏈,兩條鏈共需要18個(gè);A-T之間2條氫鍵,C-G之間3條氫鍵,A-T為6個(gè),C-G為4個(gè),則雙鏈間的氫鍵數(shù)共有6×2+3×4=24,總共需要訂書釘40+18+24=82,因此C選項(xiàng)正確。
這節(jié)課通過教師精心設(shè)計(jì)學(xué)生活動(dòng),引導(dǎo)學(xué)生分組制作一系列模型,提高了學(xué)生動(dòng)手建模能力,培養(yǎng)了學(xué)生小組的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。在制作模型后的分組展示交流環(huán)節(jié),學(xué)生展示小組作品,成就感十足,提高了語(yǔ)言表述、知識(shí)總結(jié)、識(shí)圖畫圖、分析探討等綜合能力。
通過模型制作這種體驗(yàn)式學(xué)習(xí)獲得的知識(shí)不僅可以借助相關(guān)概念、文字等抽象符號(hào)激活,還可以借助相應(yīng)的情緒記憶激活,知識(shí)“復(fù)現(xiàn)”的效果更為理想,有利于學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)由抽象到具體的逐步“拉近”,展現(xiàn)了體驗(yàn)式教學(xué)的優(yōu)勢(shì)。這種體驗(yàn)式學(xué)習(xí)不僅讓學(xué)生對(duì)知識(shí)理解更直觀、更深刻,還有利于學(xué)生對(duì)后面各章節(jié)知識(shí)的學(xué)習(xí)和理解,為后續(xù)知識(shí)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。
教師在課上要注意傾聽學(xué)生的表述,并及時(shí)糾錯(cuò)和點(diǎn)評(píng)、引導(dǎo),才能達(dá)到好的教學(xué)效果。教師在教學(xué)中發(fā)揮引導(dǎo)作用,重視科學(xué)史教學(xué),培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究的態(tài)度和熱愛科學(xué)的情感,把知識(shí)的傳授過程優(yōu)化成一個(gè)體驗(yàn)式的探究過程,培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)探究、科學(xué)思維,利于中學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。