基于科学史和跨学科学习的教学实践

韩菲 邵泽琳 向婧

摘要以“DNA的结构”为例，结合科学史资料，融合物理、化学相关知识进行教学，引导学生重温科学家探索之路。通过小组合作制作模型，帮助学生形成立体的知识结构，促进生物学学科核心素养的落实。

关键词 科学史 跨学科学习 模型 建模

中图分类号G633. 91文献标志码B

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）提出加强学科间的横向联系，有利于学生理解科学的本质、科学的思想方法和跨学科的科学概念，有利于学生建立科学的生命观。同时，也指出学习生物科学史能够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，学习科学家献身科学的精神，这对提高学生的生物学学科核心素养是很有意义的。因此，下面以“DAN的结构”一节为例，结合科学史资料，融合物理、化学相关知识进行教学，引导学生重温科学家探索之路；并通过小组合作制作模型，帮助学生形成立体的知识结构，促进生物学学科核心素养的落实。

1设计思路

DNA分子结构发现的研究本身就是多学科交叉融合的结果。根据《课程标准》的要求，教师利用阅读资料、模拟实验、科学建模等教学环节，让学生深入理解结构与功能观，培养演绎与推理、模型与建模等科学思维，使学生在学习中认识到生物学、物理学、化学学科交叉的思维，以及科学家在研究过程中使用的方法与思路，培养生物学学科核心素养。具体设计思路见图1。

2教学目标

①根据DNA分子结构发现的科学史和证据，进行分析和讨论，概述DNA分子结构模型的特点，进一步形成结构与功能相适应的观念。

②通过对DNA分子双螺旋结构特点的小组讨论，结合给定的模型设计要求与步骤，利用学具制作DNA分子双螺旋结构模型，采用演绎与推理阐明DNA分子作为遗传物质所具有的特征。

③基于科学家对DNA分子结构模型的探索历程，认同科学探究是一个不断深化的过程，认识到科学家探索求真的科学精神，以及交流合作、技术进步、多学科交叉渗透等，对于科学的发展以及解决实践问题有重要作用。

3教学过程

3.1创设情境，导入新课

在学习科学的过程中，学生往往以为科学是一成不变的，缺乏对科学研究历程的了解。教师从科学研究的原文献出发，以沃森和克里克1953年发表的论文导入，引出对DNA结构的探讨，呈现科学研究的真实过程。

3.2基于证据，体验建模三部曲

3.2.1初探模型

教师展示证据：

1951年，在意大利那不勒斯的一次生物大分子结构会议上，物理学家莫里斯·威尔金斯展示了一张DNA的X射线衍射图谱，启发了年轻的生物学家沃森。他认为如果基因可以结晶，那么它一定具有能够用简单方法测定出来的规则结构。从此，沃森萌生了与威尔金斯合作研究DNA结构的想法。沃森在卡文迪什实验室，遇到了同样对DNA结构着迷的克里克。二人以威尔金斯和其同事富兰克林提供的DNA衍射图谱有关数据，推算出DNA分子螺旋结构，并且综合前人的研究成果，先后多次实验构建出正确的DNA分子结构模型。

富兰克林是一位卓越的英国女科学家。1951年，她在英国皇家学院开始DNA分子衍射技术的研究。她在DNA分子晶体结构研究上成功地制备了DNA样品；通过X射线衍射拍摄到DNA分子B型图，由此推测DNA分子呈螺旋状，并定量测定DNA螺旋体的直径和螺距，测得A型DNA的密度、大小以及对称性等。

学生开展第一次建模：模型一是一个三条链的螺旋结构，并且磷酸根是在整个结构的内侧，碱基在外侧。

通过教师展示资料，还原科学史实，学生初步了解DNA分子结构的发现历程，为后续学习奠定基础，并认识到一项伟大科研成果离不开团队合作。

通过科学史的学习，学生了解到威尔金斯和富兰克林利用X射线测得DNA分子的衍射图，进而确定了DNA分子是螺旋结构。教师追问：那么，为什么DNA衍射图谱“X”形就意味着DNA分子是螺旋状的呢？

这个问题的回答涉及到复杂的数学、物理学、化学知识，学生理解比较困难。教师可以更换思路，用同样是螺旋状的小弹簧来做物理学中简单的光的衍射实验，利用物理学知识真实直观地向学生演示小弹簧的衍射图案（图2），模拟富兰克林的实验。在物理学中，学生会学到光的衍射实验，当一束光照射到物体边缘后，会绕开障碍物改变传播路径，继续在空间中传播。不同形状物体的衍射图案不同，并且在物理学光的衍射这一节中，也涉及到X射线衍射与DNA分子双螺旋结构的材料。

教师在生物学中引入物理学知识，对特定知识点进行适当的补充，可以有效地帮助学生理解DNA分子的双螺旋结构。学生通过模拟科学史经典实验，从中领悟科学家的思路与方法，形象直观地将文字转化为动态的演示，感知生命观念并培养学生科学思維、科学探究能力。

3.2.2深入建模

教师展示证据：富兰克林研究发现DNA结构为螺旋型，结构是双链，有对称轴。DNA分子中的磷酸根基团暴露在水中，此时就暗示了DNA结构中磷酸根基团在螺旋的外侧，碱基在螺旋内侧。

学生开展第二次建模：磷酸在DNA骨架的外部，碱基在内部的双链螺旋结构，内部为碱基对用氢键相连，碱基对是同配。

第二次构建的模型与模型一最大的不同，就是把磷酸基团调整到了螺旋的外侧，碱基在内侧，也就是相同碱基用氢键相连进行配对。教师提出问题，引导学生思考：但此时有一些科学家提出否定，他们又提出哪些证据呢？

3.2.3成功建模

教师展示证据：

格里菲斯计算出DNA分子中堆在一起的碱基之间的吸引力得出，用氢键相连的碱基分子是靠在一起的，嘌呤有吸引嘧啶的趋势。

查哥夫通过计算分析得出，DNA所含的四種嘌呤和嘧啶碱基并不相等，但是嘌呤和嘧啶两类碱基之间的比例是恒定的，并碱基A与T数量相等，G与C数量相等。

学生开展第三次建模：磷酸在DNA骨架的外部，碱基在内部的双链螺旋结构，内部为碱基对用氢键相连，碱基对是互补异配。

教师提供资料：最终，沃森与克里克成功构建了DNA分子双螺旋结构模型，并于1953年将研究成果发表在《自然》杂志。

学生通过了解沃森、克里克的模型建构历程，初步体会DNA结构特点，认识并尝试基于证据进行重复建模验证、修改模型、最终完善模型的过程，并学会善于运用前人的科研成果在生物科学探究中的意义。

3.3结合建模，认识DNA结构特点

模型与建模是培养学生科学思维的基础。模型是人们为了某种特定目的而对所认识对象所作的一种简化的概括性描述，可以是定性的，也可以是定量的，有的借助具体的事物或其他形象化的手段，有的则通过抽象的形式来表达。学生动手制作的DNA分子双螺旋结构模型为物理模型，能够形象直观地将系统的内部动态和功能动态联系起来进行生动的学习，使学生能够像科学家一样了解知识的运作和产生。

通过前面科学史材料、X衍射实验的演示，学生对于DNA分子双螺旋结构有了一定的了解。接着在教师指导下，学生利用给定的材料工具，小组合作制作DNA分子双螺旋结构模型（图3、4）。在制作时，教师带领学生进行讨论。

教师提出问题：我们看一看分别用哪几种材料来代表组成DNA的磷酸、脱氧核糖和碱基？

学生1回答：我们用做了标记的彩色硬纸板来代表不同的碱基，磷酸和脱氧核糖用做了标记的白色纸板来代替。

教师追问：这三种物质是在什么部位相互连接的？怎样将这三种材料正确地连接起来？

学生2回答：脱氧核糖和磷酸在外侧交替连接，用白色纸板代替磷酸二酯键将其连接起来，碱基对排列在内侧，氢键用纸板与纸板间粘贴表示。

教师继续追问：在模型中，如何体现DNA的两条链是反向平行的？又怎样体现两条链的碱基之间互补配对？

学生3回答：观察两条链的碱基顺序，可以看出DNA的两条链是反向平行的。两条链之间碱基用符号与彩色纸板标记，可得出胞嘧啶与鸟嘌呤配对，胸腺嘧啶与腺嘌呤配对。

模型制作完成后，教师进一步引导学生观察，并提出问题：每一组模型是否具有相同的碱基排列顺序？各组模型混合在一起时，能否辨认出自己的模型？依据又是什么？根据学生回答，教师引导学生总结出：每组模型具有不同的碱基排列顺序，这是因为DNA分子的多样性，而由于DNA分子的特异性，所以可以根据特定的碱基排列顺序，可以找到自己建构的模型。最后，引导学生观察课本中DNA分子结构模式图和自己制作的模型总结得出DNA分子的结构点。

3.4梳理研究历程，体会科研之路

学生根据本节课的学习，用流程图的形式梳理关于DNA结构的研究历程（图5），并总结出：在DNA结构发现历程中涉及到学科的交叉应用，如DNA的纯化、结晶、获得衍射图谱以及推算双螺旋结构，涉及到了物理、化学、生物、和数学的原理和方法。学科交叉渗透教学是促进学科发展重要的一种方式。教师以生物学为基础，准确掌握教学渗透点，将相关物理、化学知识点有条理准确的渗透结合教学，使学生主动建构知识点，将其他学科的知识构建到已有的生物学知识体系中。

4教学反思

教师经常认为学生科学学习的过程与科学家的研究工作之间存在着巨大的鸿沟，肯定无法理解科学家深奥的科学工作。然而，学生很多关于科学的前概念与科学史上科学概念的演变经常是重合的。教师要注意重新审视科学史在教学中的地位，改变课堂教学中科学史工具化的认识。科学史的重要教育功能之一就是理解科学本质，几乎科学本质的每一个方面，都可以在科学史中找到佐证。在本节课的设计中，教师设计了模拟实验，如果课堂条件允许的话，建议进行演示实验。但是，这个实验对仪器系统的稳定性要求较高，演示效果可能不明显。教师可以通过课前的预实验图片进行展示，也会达到预期的效果。此外，很多教师会因为模型制作比较耗费时间而放弃。本设计使用的纸质模型是一种定制的纸质半成品，小组分工合作下，大约5～8 min就能完成一个DNA双链的制作，大大节约了时间。

科学家研究过程中的所思所想，是科学思维训练的重要素材。打破学科界限，完整呈现科学家之间思维的交流与碰撞也是本教学内容的一大特点。在教学实施过程中，学生更真切地理解了科学的本质，促进对连贯科学世界观的形成。

参考文献：

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