引入论证式教学模式，体现生物科学史价值

李相国

摘要以“DNA通过复制传递遗传信息”一节为例，将科学史资料进行梳理、加工后以不同形式呈现，让学生通过类似“科学论证”建构概念，发展核心素养，并深入认识科学本质。

关键词 论证式教学 科学史 学科核心素养 科学本质

中图分类号G633. 91文献标志码B

科学史在发展学生学科核心素养、认识和把握科学本质等方面蕴含巨大的教育价值。论证式教学可将科学论证引入课堂，引导学生像科学家一样基于证据进行论证并得出合理结论，其基本模式如图1所示。笔者将论证式教学模式引入“DNA通过复制传递遗传信息”一节教学，对DNA复制相关科学研究史料进行精细化加工，以不同形式呈现给学生，让学生经历作出猜想、寻找证据、推理论证、得出结论等类似科学家的论证过程，形成“DNA分子通过半保留方式进行复制”等生物学概念，理解科学研究的思路和方法，同时发展学生科学思维和科学探究能力，形成生命观念，深入理解科学本质。

1教材分析

本节课是浙科版普通高中教科书《必修2·遗传与进化》第三章第三节的内容。本节内容相关的次位概念是“DNA分子通过半保留方式进行复制”，隶属于重要概念“亲代传递给子代的遗传信息主要编码在DNA分子上”，其上位的核心概念是“遗传信息控制生物性状，并代代相传”。本节内容在学生学习了“核酸是遗传物质”及“遗传信息编码在DNA分子上”的基础上，进一步学习DNA分子的功能——通过DNA复制进行遗传信息的传递。本节内容能帮助学生更深入地理解细胞增殖如何保证亲子代细胞遗传性状的连续性、稳定性以及遗传规律，为后续学习生物的变异及进化等内容作好铺垫。

教材设置了活动“探究DNA的复制过程”及小资料“DNA半保留复制的观察——来自染色体的证据”，提供科学研究史料来说明DNA半保留复制的特征。教师可将学生拉进生物科学史现实，从当时社会、科学、技术发展视角审视史料，引导学生通过演绎、推理提出自己的观点与猜想，再从中寻找证据来解释或辩驳自己的观点，形成结论，发展科学思维。学生形成基于实证的科学研究思维模式是本节教学的重点、难点。

2学情分析

学生已知DNA是多数生物的遗传物质，已经知道DNA分子的双螺旋结构：DNA由两条反向平行的脱氧核苷酸链组成，两条链的碱基按照互补配对原则排列，以氢键相连。学生对沃森和克里克有关DNA复制的预期模式也有一定的了解，有助于对DNA复制特点提出自己的观点或猜想。

另外，高一学生经过必修1及必修2“遗传的基本规律”等章节内容的学习，已经初步具备了一定的观察、归纳与整合、演绎与推理能力，具备了一定的提出问题、设计实验、对实验结果交流与讨论能力，为本节论证式教学顺利实施提供了保障。

3教学目标

①通过对DNA复制方式的探索，学会根据实验目的选择恰当的研究材料、技术方法，设计实验、实施方案并对结果进行交流和讨论；认同技术对科学发展的推动作用。

②学会假说-演绎等科学思维方法，并能基于事实与证据，经过论证形成“DNA通过半保留方式进行复制”等生物学概念。

③通过探究DNA复制，归纳并说出DNA复制的特点和条件，阐明DNA分子复制的意义，形成结构与功能观及信息观。

4教学过程

4.1“DNA复制为半保留复制”的论证式教学

4.1.1提出问题

教师提供资料：DNA分子的双螺旋结构被提出后，科学家们提出了关于DNA复制的3种可能方式（图2）。①分散（弥散）复制：麦克斯·德尔布吕克认为，DNA骨架先被断开，复制许多短片段，再重新连接到一起。产生的子代DNA是新老DNA片段拼凑在一起的集合，每条链均含有新老DNA片段。②半保留复制：沃森和克里克认为DNA复制时双螺旋先解开，形成的每一条链均作为合成新互补子链的模板。每个新的DNA分子含有一条来自亲本分子的链和一条新合成的子链。③全保留复制：其他部分科学家认为，亲本的螺旋在DNA复制后保留了其完整性，子代DNA分子含有两条全新的DNA链。并提出问题，引发学生思考：DNA复制到底是哪一种方式？

4.1.2根据证据作出猜想

教师提供资料：DNA双螺旋结构模型认为：DNA由两条反向平行的脱氧核苷酸链组成，两条链的碱基按照互补配对原则排列，以氢键相连。教师引导学生根据以上事实提出有关DNA复制方式的观点：DNA双螺旋的结构适合进行半保留复制，即DNA复制时碱基对之间氢键断裂，两条链解开并彼此分离，然后以每条链为模板，按照碱基互补配对原则分别形成一条新的互补链，得到两个完全相同的DNA分子。

4.1.3分析史料，寻找证据支持猜想

（1）教师提供关于梅瑟生和斯塔尔实验的科学史证据。

①环节一：演绎、推理。

教师首先向学生介绍15N同位素标记技术及CsCl密度梯度离心技术，使学生理解上述技术在区分及分离不同密度的亲、子代DNA分子过程中的作用。然后，学生根據3种不同复制方式特点进行演绎、推理，分别得出DNA复制一代、二代后产生的不同实验结果。3种不同复制方式产生的复制结果及预计离心结果如图3所示。

②环节二：以问题串明晰实验过程。

本实验的过程包括15N同位素标记大肠杆菌DNA、大肠杆菌培养与分裂、裂解并提取DNA、密度梯度离心、观察比较离心结果等步骤，教材中有较为详细的叙述。为了帮助学生更深入理解实验操作原理，教师可以设置以下一系列问题，让学生思考、讨论：该实验主要用到了哪些实验方法？实验如何判断细菌分裂的代数？你认为细菌裂解液的主要成分是什么？如何从裂解液中提取DNA进行离心？以上问题涉及微生物的计数、物质的分离和提纯等多种实验技术方法。上述问题的解决能拓展学生的知识宽度，强化学生思维的深度。

③环节三：实验结果的分析与讨论。

解决了实验过程中的系列问题后，教师展示梅瑟生和斯塔尔实验的结果（图4），引导学生分析实验结果，以支持或辩驳自身的观点。由于复制一代产生的DNA分子离心结果不足以证明半保留复制，因此教师要注意引导学生进行证据评估，以反驳一些不正确的推论。

教师设问：仅比较复制一代的DNA和长期在14NH4Cl为唯一氮源的培养基中培养的菌体DNA就可以证明DNA是半保留复制吗？学生经过分析后得出：仅仅比较复制一代的DNA离心结果能排除全保留复制的可能，但如果要区分半保留复制和分散复制需要比较复制二代的DNA离心结果。教师追问：如何仅通过对复制一代的DNA进行离心分析，即确定DNA为半保留复制？引导学生从DNA双螺旋结构的角度进行创新思维。最后，介绍梅瑟生和斯塔尔的做法：离心前调高实验温度，高温下让DNA分子两条链之间的氢键打断进行解旋，形成DNA单链再进行离心。如果DNA进行分散复制，由此产生的每条链都是含有15N和14N片段的混合物，离心后将分布在中间位置，与半保留复制结果不同。教师对学生正确的类似回答进行表扬和鼓励，让学生领悟科学家所设计实验的巧妙之处。

（2）教师提供2则科学史证据。

①H·Taylar用3H标记蚕豆根尖细胞的DNA的实验：用含放射性同位素3H的胸腺嘧啶脱氧核苷标记细胞染色体DNA双链；让细胞在不含3H的培养液中完成一个细胞周期；取其有丝分裂中期染色体，经放射自显影显示实验结果，显示每个染色体的2条单体都被标记；然后取第二个细胞周期的中期染色体，经放射自显影显示每条染色体仅1条单体被标记。

②Korenberg等姐妹染色单体色差法研究DNA复制实验：将植物根尖分生组织放在含有5-溴尿嘧啶脱氧核苷的培养液中进行培养；分别取第一、二、三次分裂中期细胞，用姬姆萨染料进行染色；显微镜分别观察分裂不同代数细胞内染色体的染色情况，由于含BrdU的脱氧核苷酸链着色很浅（浅蓝色），与母链的着色（深蓝色）明显不同，因此就出现了色差染色体。

4.1.4得出结论

学生根据以上证据，分析得出DNA复制为半保留复制，其论证过程如图5所示。

4.2以视频和模型制作内化概念

由于DNA复制过程是一个微观、抽象、动态的过程，给学生的学习带来一定的困难。教师设计2个环节加以突破。①展示DNA复制的视频，将微观的生命活动过程利用动画直观的展现出来。②分小组进行协作，利用简易材料长尾夹、扭扭棒在前期制作的DNA双螺旋结构基础上进一步构建DNA复制过程模型。长尾夹和扭扭棒等材料简单易得，构建DNA复制过程模型可演示DNA边解旋边复制的动态过程，突出立体与动态，如图6所示。模型构建能进一步激发学生兴趣，使学生进一步内化“DNA通过半保留方式进行复制”等概念，引发学生思考DNA复制的特点、复制需要条件及复制的生物学意义等问题，提升学生交流、合作意识和能力。

4.3提供遷移情境、强化论证式思维

论证式思维的形成不是一蹴而就的。教师可以提供科学史上关于DNA复制时子链延伸方式作为迁移问题情境，让学生分小组运用论证模式进行分析，再次经历猜想、寻找证据、推理论证、得出结论等环节，进而强化论证式思维。

教师设置问题情境：双链DNA分子两条链为反向平行的，一条5′→3′，另一条链则是3′→5′。亲代DNA分子双螺旋解开后形成复制叉，新链以什么样的方式延伸？学生思考后，认为有连续复制、半不连续复制和不连续复制三种可能。

教师提供科学史资料：

①DNA复制需要DNA聚合酶，研究表明，催化天然DNA复制的DNA聚合酶只能按照5′→3′方向合成子链。

②DNA复制需DNA连接酶的参与。日本科学家冈崎选择T4噬菌体DNA复制作为对象，用3H标记脱氧核苷脉冲标记进行T4噬菌体复制的大肠杆菌细胞，培养一段时间后将DNA产物按照大小进行分离，结果既得到DNA短片段，也得到DNA长片段。

③冈崎及同事用DNA连接酶基因缺陷型的T4噬菌体突变体（不产生DNA连接酶）重复以上实验，发现DNA短片段占主导。

学生以小组为单位根据以上资料反复进行推理、论证，得出“DNA复制至少是半不连续复制”的观点。有关“DNA至少是半不连续复制”的论证流程如图7所示。

5教学反思

事实性知识的获得、生物学概念形成是高中生物学课程的重要目标，但是生物学课程还应在此基础上发展学生的生物学学科核心素养，并进一步认识“科学本质”。

本节充分利用DNA复制研究的科学史资料，采用论证式教学模式，有助于学生形成“DNA通过半保留方式进行复制”等概念。在学习过程中，学生进行演绎-推理、模型建构等活动，发展了科学思维，提升了科学探究能力，可体会到DNA进行半保留复制与DNA双螺旋结构有关，逐步形成“结构与功能相适应”的生命观念，并从DNA复制意义思考中逐步树立生命的“信息观”。另外，本节课利用科学史进行论证式教学，能帮助学生深入认识“科学工作依赖观察和推论”“科学工作采用基于实证的范式”等方面的“科学本质”。

在进行论证式教学设计时，教师可将部分科学史资料加工形成问题串，提升学生推理、分析能力，促进深度学习。当学生寻找证据进行论证遇到障碍时，教师可恰当补充科学史资料，提供论证的着力点，但要注意学生的主体参与度，不能越俎代庖。论证式教学具有开放性，学生可能提出多元化的观点与猜想，教师应予以正面、积极的评价，对合理推理多给予鼓励。

参考文献：

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[3]Robert F.Weaver.郑用琏等译.分子生物学[M].北京：科学出版社，2013：664.

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