深度学习视域下科学思维的培养

胡有红 高勍

摘要 阐述了通过分析科学史资料、创新模型建构等策略，以“DNA的结构”为例开展深度学习，使学生在生物学概念学习中触及知识内核，发展科学思维，立足课堂，走向课外，实现深度学习，彰显课程育人价值。

关键词 深度学习 科学思维 科学史 模型建构

中图分类号 G633.91

文献标志码 B

深度学习是基于高阶思维发展的理解性学习，关注学生的学习过程和状态，追求知识的深度理解、寻找知识关联、注重知识整合，提升学生的分析、应用、评价和创造等高阶思维，通过实践探究、合作交流、展示评价等方式使学生全身心地投入，发展科学思维，获得深度体验。深度学习强调批判性学习、创造性思维，注重教学内容整体性，促进知识体系构建，注重知识的迁移运用能力。

科学思维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，包括科学推理、科学论证、思辨创新和模型建构等要素，学生在学习过程中逐步发展科学思维。要实现科学思维的发展，教师利用深度学习这一有效路径，可以避免“蜻蜓点水式”的浅层讲授知识，避免学生碎片化、不加理解的记忆，有效发展学生的科学思维。下面以“DNA的结构”教学为例，基于生物学科学史资料，通过自制简易教具模型，引导学生深度学习，培养学生的科学思维。

1教材分析及设计思路

“DNA的结构”是苏教版高中生物《必修2·遗传与进化》第二章第二节的内容。学生已经学习过必修1“细胞中的核酸”和必修2“DNA是主要的遗传物质”，有了一定的知识基础。本节内容是学习“遗传信息控制生物的性状”“生物的变异”“基因工程”等的基础，起着承上启下的作用。本节课以DNA分子双螺旋结构模型构建过程的资料为主线，组织学生讨论和交流，开展探究活动，注重生物科学史和科学本质的学习，促使学生理解科学的本质，体验科学研究的方法，感悟科学探究的精神。学生制作DNA双螺旋结构模型，学习DNA分子的主要特点，在动手实践和合作探究中，培养创新创造能力，调动学习的主动性、积极性和创造性，提升生物学学科核心素养。

2教学目标

1描述构成DNA分子的基本单位、碱基种类和元素组成，理解物质由元素组成。

2通过收集DNA分子双螺旋结构模型构建过程的资料，体验科学家的探索与合作精神。

3通过比较各组DNA结构模型，理解DNA分子双螺旋结构的主要特点，培养动手、观察和分析能力，认同人类对遗传物质的认识是不断深化和发展的过程。

3教学过程

3.1视频导入，铺垫情境

教师播放视频“给野生大熊貓‘上户口’”：野生大熊猫活动于崇山峻岭的密林竹海中，踪影难觅，由于其黑白脸谱，导致辨识度低，给种群数量统计带来了困难。卧龙片区率先引入DNA技术，通过DNA分析，为每一只野生大熊猫建立“户口档案”，统计出了区内野生大熊猫种群数量。并提出问题：大熊猫的粪便为什么可以作为个体识别的依据？

教师引导学生思考、分析得出：大熊猫的粪便排出体外时，外面包裹着从它的肠道表面脱落的一些细胞。对这些细胞里提取出的DNA进行分子生物学分析，可以准确识别大熊猫的个体。

设计意图：教师利用真实情境导入新课，调动学生探求知识的兴趣，引发思考，唤起求知欲，使学生的注意力聚焦到课堂学习中，并渗透结构与功能观。

3.2重启旧知，承上启下

教师引导学生回忆必修1学过的内容，提出问题：DNA的元素组成及基本单位是什么？单体是由哪些更小的分子组成？DNA主要分布在细胞的什么结构？并提供资料脱氧核糖和碱基的结构图（图1），引导学生识别脱氧核糖中C原子位置，辨析嘌呤和嘧啶的空间大小，尝试将磷酸、脱氧核糖以及含氮碱基连接成脱氧核苷酸。

学生分小组讨论，用所给材料模拟磷酸、脱氧核糖以及含氮碱基连接成脱氧核苷酸。各小组展示搭建成果，明确连接方式：核苷酸是核苷和磷酸的反应产物，核苷由五碳糖的第一位碳原子与碱基连接形成，磷酸分子通常连接在五碳糖第五位碳原子上。根据含氮碱基的不同，脱氧核苷酸分腺嘌呤脱氧核苷酸、鸟嘌呤脱氧核苷酸、胞嘧啶脱氧核苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸4种。据图还可以看出，嘌呤是双环化合物占有空间大，嘧啶是单环化合物占有空间小。

设计意图：教师引导学生回忆所学内容，将不同章节内容进行统整，促进学生系统化、整体性地自主构建知识体系，通过学生的动手实践，培养学生观察、分析的能力，帮助学生深度理解知识，发展科学思维。

3.3还原史实，逐步推进

教师提供资料1：已知DNA是由许多个脱氧核苷酸连接而成的长链。学生根据资料1，每小组连接一条脱氧核苷酸长链，备用。

教师提供资料2：1952年，英国科学家威尔金斯和富兰克林应用X衍射技术获得了高质量的DNA的衍射图谱，该照片至今都被公认为是所有X射线照片中最美之一。学生从资料2推测：照片中的X形清楚表明DNA是一个螺旋形分子。

教师追问，促进学生进一步探究：1个DNA分子中含有几条脱氧核苷酸长链？脱氧核苷酸链是正向连接，还是反向连接？脱氧核苷酸链中的碱基排列在外侧，还是排列在内侧？

教师提供资料3：1952年，富兰克林进行了更为详细的图片分析，将衍射图像诠释为分子中的各种化学键的键长、键角等结构要素，提出DNA为双螺旋，2条链向2个相反方向伸展。

资料4：碱基是疏水性基团，脱氧核糖和磷酸是亲水性基团，细胞中的DNA处于液体环境中。

学生根据资料3、4以及生物膜磷脂双分子层结构中亲水性的头部和疏水性的尾部的排列方式，明确将两条脱氧核苷酸链连接起来，磷酸和脱氧核糖排列在外侧，碱基排列在内侧。

教师提出问题：在动手实践中，发现不同小组之间拼接而成的DNA分子出现新的问题，即两条链中的碱基如何相连？

并提供资料5：嘌呤是双环化合物，占有空间大，嘧啶是单环化合物，占有空间小，经测定DNA螺旋的直径是恒定的，约为2nm。

资料6：1951年查哥夫应用紫外分光光度法结合纸层析等技术对不同生物细胞中的DNA做4种碱基定量分析，发现腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）数量相等，胞嘧啶（C）与鸟嘌呤（G）数量相等。

学生调整模型：根据数量关系将模型中的碱基对调整为A与T配对、G与C配对，而且A—T碱基对和G—C碱基对具有相同的形状和直径。这样组成的DNA具有恒定的直径，且能够解释A、T、G、C的数量关系。

教师讲授：A与T通过2个氢键相连，G与C通过3个氢键相连。沃森和克里克提出了DNA分子双螺旋结构。并于1962年与威尔金斯共同获得了诺贝尔生理学或医学奖。沃森和克里克提出DNA双螺旋结构模型时还很年轻，与其他科学家相比，他们知识和经验相对缺乏，但他们却成功构建DNA分子双螺旋结构，开启了分子生物学时代。他们的这种工作方式给予你哪些启发？学生交流，小组汇报学习心得体会。

设计意图：教师通过还原历史，引导学生尝试着像科学家一样发现问题、解决问题，使学生体会科学发现是“建构→否定→建构→否定→......”循序渐进的过程，懂得科学研究需要合作交流、默契配合、锲而不舍的精神，以及求真务实、严谨认真的态度。

3.4构建模型，启发创新

学生将两条脱氧核苷酸链按照碱基互补配对方式粘连，制作DNA分子结构模型，在两端各加一根硬的支撑物（支撑物可以是筷子或长的竹签，也可以是A4纸卷成一个纸棒，用透明胶带固定在模型的两端）;借助铁架台和蝴蝶夹，展示平面结构（图2）和立体结构（图3）。注意：1DNA的結构模型要比铁架台略微长一点，因为螺旋时DNA分子模型会缩短，这样不会导致模型损坏;2蝴蝶夹有上、中、下三个支撑点，可以根据螺旋程度将模型放置于三个不同支撑点;3在铁架台的底座上左右分别扎上一条皮筋，用于固定模型底端的纸棒。

这样构建模型的优点有：1取材环保方便，适合自制推广。2借助铁架台和蝴蝶夹，既可以展示平面结构，也可以呈现双螺旋结构，根据蝴蝶夹的3个高度，可以实现双螺旋的程度，观察灵活自由，学生可以欣赏DNA螺旋的动态美。3学生可以根据自己的需要，将磷酸结构（圆圈）、脱氧核糖（五边形）和磷酸二酯键用马克笔配色上色。4可以将软磁体剪成和磷酸大小一样的圆形，软磁铁覆盖在磷酸基团上，将其固定在黑板上，作为板书。

教师引导学生观察DNA结构模型图，归纳DNA分子双螺旋结构的主要特点：将制成的DNA分子平面结构与“梯子”进行类比，组成“梯子”的“扶手”、“扶手”之间的“阶梯”、连接阶梯的化学键依次代表什么？与梯子不一样的是，DNA分子中两条脱氧核苷酸链在空间的走向呈反向平行，两条链中一条链的5′→3′方向是自上而下，而另一条链的5′→3′方向是自下而上。教师将DNA结构模型与学生熟悉的物体类比，进一步激发学生的学习兴趣。

设计意图：DNA平面结构与立体结构模型之间的转换可以使学生感受从抽象到形象，感受螺旋的动态美。教师改进模型，为学生起到示范作用，使学生不再埋头于做题，而是积极参与主动探究、创新创造，体现学科育人价值。

3.5情境回扣，迁移应用

教师提出问题，引导学生思考：为什么从大熊猫细胞里提取出DNA，经过分子生物学分析，就可以对大熊猫个体进行准确识别，统计野生大熊猫种群数量？

学生从DNA双螺旋结构中发现，DNA分子不同是由于其内部碱基对排列顺序不一样。碱基对排列顺序千变万化使得DNA分子具有多样性，每个特定的DNA分子都具有特定的碱基排列顺序，使得DNA分子具有特异性。因此，可以根据DNA分子中蕴含的遗传信息对大熊猫种群数量进行统计。

教师呈现表示不同生物或生物不同器官（细胞）的DNA分子中（A+T）（/G+C）比值的柱形图（图4），引导学生分析：1为什么猪的不同组织细胞的DNA分子碱基比例大致相同？2哪种生物中的DNA分子热稳定性最强？3假设小麦DNA分子中（A+T）/（G+C）=1.1，那么（A+G）（/T+C）是多少？

设计意图：教师回扣情境，从学生熟悉的生物入手，设置问题串，发展学生高阶思维，使学生从习得的知识中获得技能，实现知识的再应用和再迁移，实现教学与核心素养目标的对接。

3.6作业布置，课外延伸

教师以工程坊的形式布置作业，学生自主选择：制作模型（要求材料易得、价廉，同时能较好地展示DNA的双螺旋结构特点）;绘画，用画笔绘制一幅DNA双螺旋结构图（注意色彩搭配，如果获得评价较高，将会印制在班服上，作为班级标志）;手工制作，在网络寻找视频学习，用纸折叠或用绳子编制DNA双螺旋结构模型;写一首诗，表达你对DNA的理解。形式多样的作业发展了学生的创新思维，并激发了学生的兴趣。

设计意图：课堂教学是有限的，课后学习是无限的。形式多样的作业可以让学生主动参与学习，在学习中收获快乐，在快乐中激发求知欲，使学习从课内走向课外，实现教育的时间延伸，促进终身学习的达成。

4教学反思

教师基于真实情境提出学习任务，有利于引发学生思考，引导学生利用已有知识经验参与探索新知的活动中。基于学生学习知识重结论、轻过程的现状，教师在教学中融入科学史资料，让学生如科学家一般去探索，优化学习过程，透过表象，深入理解。这种学习方式加大了学生的思考空间，发展了学生的科学思维，使学生自主建构起相对完整的知识体系。本节课在核心素养为导向的学习目标引领下，聚焦特定的教学情境，通过实验数据分析、对同伴制作的模型加以评价、修正，培养了学生动手能力、沟通协调能力、思辨精神和创新创造精神。教师自制简易DNA分子结构，通过示范作用进一步激发学生探索实验材料、模型建构的意识，向学生传达“既要立足课堂，更要走向课外”的观念，落实作业的开放性、创新性，真正实现了深度学习。

3178500316501