張健慧 李艷梅

[摘要] STEM教育作為將科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)相結(jié)合的教育理念，能夠促進(jìn)學(xué)生科學(xué)實(shí)踐的真實(shí)發(fā)生。在STEM理念下進(jìn)行“DNA分子的結(jié)構(gòu)”項(xiàng)目式教學(xué)的課例研究，通過創(chuàng)設(shè)文化情境進(jìn)行項(xiàng)目引導(dǎo)，依據(jù)回眸科學(xué)歷史和構(gòu)建差異模型對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行逐級(jí)分解教學(xué)，從而提出了STEM項(xiàng)目教學(xué)要整體分解、逐級(jí)沉潛，注重項(xiàng)目式教學(xué)中學(xué)習(xí)材料適切性的操作性建議。

[關(guān)鍵詞] STEM;項(xiàng)目式教學(xué);DNA分子的結(jié)構(gòu);科學(xué)史

美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)于1986年提出的STEM教育理念，正逐步引領(lǐng)著各國(guó)科學(xué)教育的關(guān)注方向由科學(xué)探究轉(zhuǎn)向更為具身體驗(yàn)、深度學(xué)習(xí)的科學(xué)實(shí)踐。STEM作為科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的縮寫，凸顯了科學(xué)技術(shù)的抽象凝練需要數(shù)理的概括表達(dá)，以及其生產(chǎn)實(shí)踐需要工程學(xué)的應(yīng)用方能為人類服務(wù)這一基本理念[1]。STEM教育的理念并不是四個(gè)學(xué)科的簡(jiǎn)單拼湊，其強(qiáng)調(diào)在教學(xué)中應(yīng)當(dāng)以真實(shí)情境為媒介、現(xiàn)實(shí)問題為引領(lǐng)，讓學(xué)生在學(xué)科間的有機(jī)融合中進(jìn)行能動(dòng)學(xué)習(xí)。與此同時(shí)，項(xiàng)目式教學(xué)是依據(jù)教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容，由教師創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，以問題的生成、探究與應(yīng)用來培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的教學(xué)模式。早在2011年，相關(guān)學(xué)者的研究表明項(xiàng)目式教學(xué)開展STEM教育，會(huì)促進(jìn)學(xué)生STEM認(rèn)知和行為意向的提高，進(jìn)而通過這兩個(gè)方面積極改善其學(xué)習(xí)行為[2]。正因如此，研究者嘗試了“DNA分子的結(jié)構(gòu)”一節(jié)的課例研究，旨在明確生物學(xué)項(xiàng)目式教學(xué)中踐行STEM理念的基本方略。

一、STEM課例研究過程

（一）課例選擇及目標(biāo)

“DNA分子的結(jié)構(gòu)”一節(jié)的課程設(shè)置中蘊(yùn)含著科學(xué)史、模型與建模等方面的教學(xué)內(nèi)容，且涉及科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)4門學(xué)科，是便于開展項(xiàng)目式教學(xué)、深化STEM教育理念的選題。因而，本文以“DNA分子的結(jié)構(gòu)”項(xiàng)目為例，探索STEM理念下的項(xiàng)目式教學(xué)。此外，根據(jù)新版課程標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，為培育學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。研究者確定了以下教學(xué)目標(biāo)：第一，搜集DNA分子結(jié)構(gòu)模型建立過程的科學(xué)史料，培養(yǎng)學(xué)生提取、分析、整合信息的能力;第二，構(gòu)建DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，掌握科學(xué)研究的方法，提高科學(xué)探究能力，發(fā)展科學(xué)思維;第三，分析DNA分子的特性和蘊(yùn)含遺傳信息的功能，初步形成結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)，樹立生命觀念。

（二）課例實(shí)踐策略

1.閱古今，曉來源

通過文獻(xiàn)法，搜集DNA分子結(jié)構(gòu)模型建立過程的資料，以沃森和克里克構(gòu)建的3個(gè)DNA分子模型為主線，闡明從錯(cuò)誤模型到正確模型的修正過程，在構(gòu)建、修正的過程中，沃森和克里克借鑒了不同科學(xué)家的研究方法和成果：采用了化學(xué)家鮑林的“模型構(gòu)建法”，從物理學(xué)家富蘭克林和威爾金斯的DNA晶體的X射線衍射照片中意識(shí)到DNA主鏈的數(shù)目、位置和方向，吸收了生物化學(xué)家查伽夫和數(shù)學(xué)家格里菲斯的研究成果，形成了堿基互補(bǔ)配對(duì)思想。

2.建模型，悟觀念

學(xué)生在之前必修1的學(xué)習(xí)中已經(jīng)制作過“真核細(xì)胞的模型”，初步具備了建構(gòu)模型的基本能力[3]。此處，教師應(yīng)利用學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)與能力，引導(dǎo)其利用A4打印紙、太空泥、聚乳酸等多種材料構(gòu)建模型。通過分別構(gòu)建DNA分子結(jié)構(gòu)的折紙模型、太空泥模型和3D打印模型，在進(jìn)一步的修正、完善與對(duì)比中，理解DNA分子的結(jié)構(gòu)層次，總結(jié)DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)。最后，通過比較各組DNA模型的堿基排列順序，理解DNA分子堿基的排列順序與遺傳信息多樣性之間的關(guān)系，進(jìn)而體悟結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的生命觀念。

二、課例教學(xué)過程及分析

（一）以文化滲透引導(dǎo)項(xiàng)目開展

實(shí)際教學(xué)開始時(shí)，教師先拿出中華文化中的人類始祖形象——《伏羲女媧交尾圖》，并給予學(xué)生大致的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的圖像。通過對(duì)比后學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)，DNA作為化生萬物的遺傳物質(zhì)，它的雙螺旋結(jié)構(gòu)竟然與《伏羲女媧交尾圖》非常相似。此外，教師給學(xué)生講述因發(fā)現(xiàn)了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)而獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家——克里克，在他看到中國(guó)的《伏羲女媧交尾圖》后，都認(rèn)為是中國(guó)人發(fā)明的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)圖。通過上文所述的文化滲透教學(xué)過程，激發(fā)學(xué)生的探究興趣，讓學(xué)生自主、能動(dòng)地踏上科學(xué)探究的歷程，去揭開DNA分子的神秘面紗。

（二）以歷史回眸促使項(xiàng)目深入

科學(xué)研究的創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)往往是眾多科學(xué)家在合作與競(jìng)爭(zhēng)中造就的。在DNA結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)的過程中貢獻(xiàn)較大的3個(gè)研究組有：一是美國(guó)加州理工大學(xué)量子化學(xué)家鮑林的研究組，二是倫敦英王學(xué)院的威爾金斯和富蘭克林研究組，三是英國(guó)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的沃森和克里克研究組。教師引導(dǎo)學(xué)生通過上網(wǎng)和閱讀相關(guān)書籍的方式，以小組合作的形式搜集DNA分子結(jié)構(gòu)模型建立過程的文獻(xiàn)資料，分析、整理出參與DNA結(jié)構(gòu)研究的每個(gè)科學(xué)家的貢獻(xiàn)。教師通過引導(dǎo)學(xué)生課上展示，將主要科學(xué)家的貢獻(xiàn)繪制成思維導(dǎo)圖（見圖1）。

1.沃森和克里克構(gòu)建的3個(gè)DNA分子模型

自1951年開始，沃森和克里克先后建立了3個(gè)DNA分子模型，分別是三螺旋結(jié)構(gòu)模型、“堿基同配”的錯(cuò)誤雙螺旋結(jié)構(gòu)模型與正確的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。他們?cè)诮⒛Ｐ蜁r(shí)，不只是考慮其結(jié)構(gòu)，還要始終聯(lián)系DNA的功能和信息。他們要求建立的模型既要滿足物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)研究的最新事實(shí)，如X射線衍射結(jié)果、堿基配對(duì)的力學(xué)要求，還要滿足生化知識(shí)，如酮型、氫鍵、鍵角等，更要使DNA能解釋遺傳學(xué)和代謝理論等。

2.沃森和克里克成功背后的6個(gè)英雄

雖然沃森和克里克摘得了桂冠，但是他們借鑒、吸納了很多位科學(xué)家的研究成果。第一位是奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤，其在《生命是什么？》一書中非常清楚地表達(dá)了一個(gè)信念：生命的基本特征就是能夠儲(chǔ)存和傳遞信息，亦即遺傳密碼能夠代代相傳?；蚴腔罴?xì)胞的關(guān)鍵組成部分，要懂得什么是生命，就必須知道基因是如何發(fā)揮作用的。正是這部書引導(dǎo)著沃森、克里克去尋找基因的奧秘。第二位則是英國(guó)X射線晶體衍射技術(shù)專家羅莎琳德·弗蘭克林，她拍攝的DNA晶體的X射線衍射照片是發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，提示了主鏈的數(shù)目、位置和方向。第三位是美國(guó)著名化學(xué)家鮑林，其通過X衍射技術(shù)和搭建模型方式研究蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)，為DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的解析提供了方法論支持。第四位是威爾金斯，其根據(jù)DNA晶體的X射線衍射圖推算出，只有2條或3條鏈的DNA直徑才可能滿足電子顯微鏡測(cè)定出的

2 nm。第五位是奧地利生物化學(xué)家查伽夫，他及其同事發(fā)明用色層分析法測(cè)量DNA內(nèi)部的各種堿基的含量，并作了精細(xì)的分析。結(jié)果表明：腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T），鳥嘌呤（G）與胞嘧啶（C）比值接近1：1，這就是現(xiàn)在眾所周知的DNA分子的“堿基配對(duì)”原則。第六位是英國(guó)數(shù)學(xué)家格里菲斯，其為沃森和克里克計(jì)算了一個(gè)DNA分子內(nèi)堿基的相互吸引力（弱的相互作用），使沃森和克里克茅塞頓開，走出了“相同堿基相互吸引”的誤區(qū)，最終走向成功。

（三）以模型構(gòu)建挖掘項(xiàng)目意義

DNA因微觀無法直接觀察，學(xué)生一般很難體驗(yàn)其分子結(jié)構(gòu)的精妙。課前預(yù)習(xí)時(shí)，教師可以引導(dǎo)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)小組的同學(xué)用A4打印紙、太空泥、聚乳酸（PLA）等材料制作DNA分子結(jié)構(gòu)模型。之后，再以小組為單位從選材、制作方法、模型的優(yōu)點(diǎn)和不足等方面進(jìn)行展示，教師錄制成視頻，便于以后回顧。學(xué)生制作模型的同時(shí)要書寫制作報(bào)告。然后在教師的引導(dǎo)下，全班學(xué)生一起對(duì)制作的典型模型進(jìn)行比較（見表1）。

因材料選擇和制作方法的不同，表1中的模型各有優(yōu)缺點(diǎn)。在穩(wěn)固性方面，3D打印模型（見圖6）優(yōu)于折紙模型（見圖2）和太空泥模型（見圖3、4、5），不易變形，可以長(zhǎng)期保存;但在科學(xué)性方面，3D打印模型和折紙模型比太空泥模型稍遜一籌，它們只呈現(xiàn)出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的大體輪廓，沒有體現(xiàn)出基本單位4種脫氧核苷酸和它們之間的連接方式，以及4種堿基的配對(duì)方式，可能導(dǎo)致學(xué)生無法體驗(yàn)DNA分子結(jié)構(gòu)的精妙;同時(shí)在制作難度方面，3D打印技術(shù)門檻相對(duì)比較高，挑戰(zhàn)大，學(xué)生需要經(jīng)過專業(yè)老師的培訓(xùn)，才可以操作。由于對(duì)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)知識(shí)認(rèn)識(shí)不夠全面，學(xué)生極有可能將DNA雙螺旋打印成DNA左手螺旋模型，而目前發(fā)現(xiàn)的DNA大多是右手螺旋。教師在此刻要適時(shí)引導(dǎo)學(xué)生做出調(diào)整，從而使學(xué)生成功打印出右手螺旋模型，并對(duì)2個(gè)模型進(jìn)行比較，加深了對(duì)螺旋方向的理解?？傊?，所有的模型都還不夠完美，還需項(xiàng)目組博采眾長(zhǎng)、取長(zhǎng)補(bǔ)短，繼續(xù)修正完善。

三、教學(xué)反思與建議

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)自然科學(xué)最重要的三大發(fā)現(xiàn)之一。對(duì)于那段激蕩人心的歷史，教材因受篇幅限制未能詳細(xì)描述。以如此復(fù)雜且偉大的成果作為STEM項(xiàng)目教學(xué)時(shí)，必然不能夠一下子全盤拋出，應(yīng)當(dāng)采用整體分解、逐級(jí)沉潛的方式進(jìn)行教學(xué)。因此，項(xiàng)目教學(xué)的任務(wù)分解為了回眸歷史、建構(gòu)模型等?？梢姡飳W(xué)項(xiàng)目式教學(xué)也有不拘泥于學(xué)科本身，而應(yīng)當(dāng)直面現(xiàn)實(shí)的問題，以其靈活的“身段”[4]，促使STEM理念在學(xué)科教學(xué)中得以落地。此外，學(xué)生通過不同材料動(dòng)手制作模型，體驗(yàn)到了DNA分子結(jié)構(gòu)的精巧奇妙。而教師則會(huì)發(fā)現(xiàn)用不同材料制作出的模型會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的感受有所不同?？梢姡赟TEM理念進(jìn)行項(xiàng)目式教學(xué)還需要注重學(xué)習(xí)材料的適切性，方能實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的教學(xué)目標(biāo)。

[本文系山東省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2019年度一般課題“STEM+視域下普通高中傳統(tǒng)文化教育實(shí)施策略研究”（項(xiàng)目編號(hào)：YC2019176）、淄博市教育科學(xué)“十三五”重點(diǎn)課題“基于名師工作室的教師專業(yè)發(fā)展實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2018ZJZ001）階段性研究成果]

[參考文獻(xiàn)]

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[3]魏偉.指向深度學(xué)習(xí)的生物科學(xué)史教學(xué)[J].生物學(xué)教學(xué)，2017，42（9）：12.

[4]李艷梅. STEM理念下的項(xiàng)目式教學(xué)——以“眼見為實(shí)的細(xì)胞”為例[J].中學(xué)生物教學(xué)，2018（15）：10-13.

張健慧? ?山東省淄博實(shí)驗(yàn)中學(xué)。

李艷梅? ?山東省淄博實(shí)驗(yàn)中學(xué)，正高級(jí)教師、特級(jí)教師。