基于探究性学习的生物学史翻转课堂教学设计——以人教版高中生物必修二《DNA分子的结构》为例

顾 勇

(湖北师范大学 生命科学学院，湖北 黃石 435002)

1 问题的提出

探究性学习理念和翻转课堂教学模式都强调教学中学生的主体作用和主观能动性，因此，相较于传统课堂教学模式而言，翻转课堂教学模式能够为学生探究性学习提供更好的平台，使教学的时间和空间得到更加充分的利用，从而极大提高教学效率[1]。高中生物课程中，生物学史方面的内容占有相当的比例，是培养学生生物学科核心素养的重要载体。从形式和内容来看，基于探究性学习的翻转课堂教学模式非常适合生物学内容的教学，生物学史中科学家发现知识的过程，能有效启迪学生“形成科学思维的习惯， ……掌握科学探究的思路和方法，形成合作精神”[2]。而要实现启迪学生形成核心素养的有效性，必须有贴近学生、可操作的教学设计。教学设计的目的是提高教学效果，促进学生学习。探究基于探究性学习的生物学史翻转课堂教学设计的特点，对于课程实施来说，有其独特意义。

2 生物学史翻转课堂教学设计

2.1 教学目标

从以下四点培养学生的生物学科核心素养：

1)通过DNA分子双螺旋结构模型的构建过程，能说出DNA分子双螺旋结构特点。

2)通过DNA分子双螺旋结构模型的构建过程，初步掌握模型构建的方法在生物科学研究中的应用，培养思维的逻辑性和严谨性。

3)DNA分子结构的发现史是不同领域科学家共同努力的结果，通过分析成功或失败的原因，促使学生体会科学家们的科学态度和科学精神。

4)从分子层面领悟生命的物质性。

2.2 教学重难点

DNA分子结构模型构建的过程反映了科学家们研究的执着艰辛、创造性思维，也是知识的形成过程，应是教学的重点。分析科学家成功或失败的原因，促使学生体会并学习科学家们的科学态度和科学精神，是生物学科核心素养的要求，应是本节教学的难点。

2.3 课前线上PPT的设计

教师设计制作的PPT、微视频是学生自主学习的依据，教师设计的学习任务单是学生学习的指挥棒，对学生课前线上学习的设计是基于探究性学习的生物学史翻转课堂教学设计的重中之重。

PPT主要展示构建DNA分子双螺旋结构模型的生物学史实[3，4]，《DNA分子的结构》[5]一节的生物学史实主要有两个部分。

2.3.1 DNA双螺旋结构模型的建立 1953年4月25日，W．D．沃森(James D．Watson，1928-)和F．克里克(Francis Crick，1916-)合作研究的DNA双螺旋模型在著名的《自然》杂志上发表。这个模型解释了一直以来困扰人们的很多问题，告诉人们DNA分子在细胞分裂时能够自我复制，完美地解释了生命体要繁衍后代，物种要保持稳定，细胞内必须有遗传属性和复制能力的机制。DNA双螺旋模型的诞生是生物学发展史上的一座丰碑，被视为分子生物学诞生的标志。

大学毕业后，沃森随信息学派的主要干将卢利亚学习噬菌体遗传学。在研究中，他逐步认识到要真正了解基因作用的具体方式和途径，就必须深入了解基因的结构。1951年，他听了威尔金斯关于DNA晶体X光衍射分析的报告，决定去从事DNA结构的研究。克里克思维敏捷、 谈锋尖锐，对传统科学的思想、概念及方法常常进行无情的抨击。1951年春，沃森和克里克在剑桥大学相互结识了，于是开始了生物学史上最激动人心的合作。尽管两人经历不尽相同，一位是遗传学家，注重研究遗传信息及其物质载体，一位是物理学家，注重生物大分子结构的研究，而且他们在年龄上也相差十几岁，但却相处和合作得很好。人们在推测他们成功合作的原因时认为，可能两人都受到薛定谔思想的影响。《生命是什么》的影响，在知识上存在互补之处，都看重核酸是遗传物质，都认识到了解DNA的结构是解开遗传之谜的关键。另外，他们在研究思路和方法上也有相同之处，他们确信，通过建立模型才能了解DNA的结构。

50年代初，科学界已经认识到，脱氧核糖核酸(DNA)由四种碱基(A和G两种嘌呤，以及T和C两种嘧啶)和脱氧核糖及磷酸根组成，多个脱氧核苷酸由糖——磷酯链连成DNA。威尔金斯和弗兰克林对于DNA晶体的X光衍射分析表明，DNA由许多小单位叠合而成，单位与单位之间的距离是3.4Å，整个DNA是个长链高分子，DNA分子的结构是规则的。这些是沃森和克里克最初构建DNA结构模型的知识基础。那么，构建DNA结构模型重要的工作便是设想DNA的空间结构及脱氧核苷酸排列和连接的方式。

沃森和克里克于1951年底建立了DNA三链模型，其特征是：三条链，碱基在外侧，糖——磷酸主链在内侧，呈螺旋状。弗兰克林等人看了这个模型以后发现与DNA的水含量不符，因而否定这个模型。弗兰克林还提出糖——磷酸主链在外侧、碱基在内侧的重要假设。

第一个模型失败后，沃森和克里克都暂时离开了这项工作，但他们仍然很关心DNA的结构，他们积极查阅文献，与其他学者广泛磋商，密切注意DNA晶体X光衍射研究的进展。他们从格里菲斯(J.Griffith)那里了解到，并不是相同的碱基(嘌呤与嘌呤，嘧啶与嘧啶)相互吸引，而是不同的碱基(嘌呤与嘧啶)相互吸引。他们又从生物化学家查伽夫(E．Chargaff)那里了解到，DNA的四种碱基并不相等，而是〔A〕=〔T〕，〔G〕=〔C〕.沃森和克里克马上想到DNA结构中的碱基应该是互补配对的。这些新结论的出现，让沃森和克里克对构建DNA结构模型有了新的冲动。1952年5月以后，他们又开始了DNA结构模型的构建工作。

他们采用了美国化学家鲍林(L.Pauling)的方法：先从理论上考虑可能存在的各种DNA结构模型，然后再利用DNA晶体的X光衍射分析的资料加以对比和修改。1952年冬天，他们了解到鲍林不久也有可能建立一个DNA结构模型，于是加快了研究速度。1953年2月，沃森和克里克再一次到威尔金斯那里了解和分析DNA晶体X光衍射分析的资料。他们发现DNA生物大分子有可能是双链的，于是他们又开始尝试建立DNA双链螺旋模型。美国化学家多诺林(J．Donohune)指出了碱基之间氢键的连接方式，在此启发下，他们修改了过去的一些做法。1953年2月20日，完成了DNA双螺旋模型的构建。

在DNA双螺旋模型发表后的一个月，沃森和克里克又提出了DNA分子的遗传特性。他们设想DNA大分子中的碱基顺序具有携带遗传信息的特性，复制时，DNA的两条链断开，每条链都可以作为模板，合成新的DNA分子。1956年，科恩伯格(A．Kornberg)进行了DNA复制的离体实验，并发现了催化DNA合成的DNA多聚酶。1958年，梅塞尔森(M．Mselson)等人利用氮标记手段证实了DNA分子的互补性和复制的半保留性，这个实验是沃森和克里克DNA双螺旋模型的判决性实验。泰勒(J.H.Taylor)利用氘标记手段研究了DNA的复制。以上实验都证实了沃森和克里克提出的DNA双螺旋模型及其遗传特性的思想是正确的。

2.3.2 DNA双螺旋结构模型构建的花絮 在双螺旋的竞赛刚开始时，沃森和克里克远远落后于他们的竞争者——富兰克林和威尔金斯，以及大化学家鲍林，但他们为何又后来居上了呢?鲍林解决问题的方法是错误的，而富兰克林和威尔金斯的组合则是由于个人性格间的不相容性而分裂了，无法有效交流和开展工作。沃森和克里克知识上互补，解决问题的方法是一致的，相互交流是畅通的。同样重要的是，他们处于一个富有活力、消息灵通的中心，从这里他们能及时获得新的、有价值的各种数据、观念、结论和方法。他们共同地或分别地以批判的眼光吸取同事们或者来访者例如威尔金斯和查伽夫的思想，他们没有得到富兰克林的同意就利用了她的X射线结晶学数据。最后当他们把查伽夫碱基比的数据同碱基化学的基本知识结合在一起，就能在大约三个星期内建造出合理的、令人激动的DNA双螺旋模型。

1951年，富兰克林(Rosalind Franklin1920～1958)在伦敦国王学院取得了一个职位。其时，人们已经知道了DNA可能是遗传物质，但是对于DNA的结构及作用机制还不甚了解。富兰克林在相当不友善的环境中加入了研究DNA结构的行列。她的同事威尔金斯不喜欢她进入自己的研究领域，虽然他在研究上离不开她，但是他仅仅把富兰克林看作实验的副手，没有给予其应有的尊重。这让极具科学天赋的富兰克林非常不开心，两人的私交恶劣到几乎不讲话。而且，当时的科学界对女科学家的歧视处处存在，她们无形中被排除在科学家间的联系网络之外，很难及时了解到新的研究动态、及时与他人交换新理念。富兰克林成功地拍摄了DNA晶体的X射线衍射照片，为双螺旋结构的建立起到了决定性作用。在1953年2月底，富兰克林在日记中写道，DNA具有两条链的结构。这时她已经确认这个生物分子具有两种形式，链外面有磷酸根基团。在没有征得富兰克林同意甚至在其毫不知情的情况下，威尔金斯将其拍摄的X射线衍射照片告知了沃森和克里克。1953年3月17日，当富兰克林将研究结果整理成文打算发表时，发现沃森和克里克破解DNA结构的消息已经出现在新闻简报中。

“科学玫瑰”最终没等到分享发现的荣耀，她在三十八岁时去世，既不知道诺贝尔奖被颁授给发现了DNA双螺旋结构的人，也不知道她的图片和数据是如何被沃森和克里克所利用。我们应该从富兰克林的不幸中吸取什么教训呢？

1953年，沃森和克里克都名不见经传，克里克甚至连博士学位都没得到。在前人的影响下，他们一度按照3股螺旋的思路进行了很长时间的工作，可是怎么也构建不出合理的模型，工作陷于僵局，难以为继。在发现正确的双股螺旋结构前2个月，他们看到蛋白质结构权威鲍林一篇即将发表的关于DNA结构的论文，鲍林错误地确定为3股螺旋。沃森在知道鲍林提出的是三螺旋模型的一刹那，也曾后悔几个月前放弃了自己按三螺旋思路进行的工作。但冷静过后，两位年轻科学家对权威没有无原则的屈服，经过认真分析考虑，他们毅然否定了鲍林的观点。正确的方向一旦确立，在深厚的科学功底和严肃认真的实验工作基础上，他们终于在不到两个月的时间内取得了震惊科学界的成果。

2.4 微视频设计

微视频不同于PPT，主要展示不便于用PPT展示的内容，强调动态效果和生动、针对性的解说，提高展示效率和效果。

《DNA分子的结构》一节的学习任务单设计如下：

用于展示DNA晶体的X射线衍射照片、沃森和克里克历次构建的模型图、DNA双螺旋模型图，引导学生观察、分析、判断、结论。同时，生动地介绍在构建DNA分子结构模型过程中做出重要贡献的科学家，包括他们的肖像及出生去世年月、国籍、简历、研究领域、成就，以及在构建DNA分子结构模型中的具体表现。

2.5 学习任务单设计

学习任务单既引领学生学习，也是学生对学习效果自主检测的标准。学习任务单的设计既要依据培养学生生物学科核心素养这个高中生物课程目标，也要依据教材和教师提供的课程资源。在难度上，要让大约70%的学生在认真的基础上顺利完成。

《DNA分子的结构》一节的学习任务单设计如下：

1)查阅资料，按照下列格式列表，以完整反映DNA双螺旋模型建立的历史事实。

科学家年份成就对模型构建的意义查伽夫(E.Chargaff)1952年指出DNA的四种碱基并不相等,而是〔A〕=〔T〕,〔G〕=〔C〕使沃森和克里克认识到DNA结构中的碱基应该是互补配对的……………………

2) 描述沃森和克里克成功前构建的几个DNA分子结构模型，这些模型为何被否定？

3)准确简述DNA分子双螺旋结构模型的特点，DNA分子双螺旋结构模型的生物学意义是什么？

4)依据史实分析沃森和克里克成功的原因。你认为在他们身上体现了科学家的哪些优秀品质？

5)女科学家富兰克林为DNA分子双螺旋结构模型做出了不可磨灭的贡献，她曾经离成功很近，但还是被他人捷足先登，在替她惋惜的同时，你觉得是什么限制了她在这方面的成功？

2.6 对课中学习的设计

课中学习是在学生课前学习的基础上，引导学生进行小组学习，在学生展示观点的基础上，教师要对学生学习展开点评，同时进行启发式讲解，再引导学生自主学习，将知识内化、逐步生成学科核心素养的过程。

基于探究性学习的生物学史翻转课堂的课中学习可以设计如下：

1)学习小组讨论评判每个同学个性化学习的成果(完成的学习任务单)。不同小组的代表展示团队学习成果(共识)；个人展示不同于团队的观点。

2)教师赞许团队和个人学习的成果，对缺陷、错误进行启发式讲解，通过点评对一些似是而非的观点进行引导。

3)对未充分掌握的知识点，学生继续开展个性化学习和团队学习，加强内化过程。

4)课堂检测与总结性点评。

2.7 对课后学习的设计

课后学习是课前学习、课中学习的补充和深化，是对课程学习的巩固提高。不能要求学生统一学习，主要限于学生之间、师生间的个别交流。

基于探究性学习的生物学史翻转课堂的课后学习重在交流科学家们的思维方法、成功原因，以及对生物学史类内容的学习方法。

3 讨论

3.1 相关科学史实必须清楚、准确、权威、全面

在沃森和克里克建立DNA双螺旋模型的过程中，他们从很多科学家那里得到启发和帮助，特别是被称为“科学玫瑰”的女科学家富兰克林的贡献毋庸置疑：她分辨出了DNA的两种构型，并成功地拍摄了它的X射线衍射照片。沃森和克里克未经她的许可使用了这张关键照片。沃森在1968年出版的《双螺旋》一书中坦承，“Franklin没有直接给我们她的数据”；而克里克在很多年后也承认，“她离真相只有两步”。富兰克林没能分享发现DNA双螺旋结构的殊荣，但是人们认为她非常有资格分享，而对擅自将富兰克林拍摄的DNAX射线衍射照片提供给沃森和克里克的威尔金斯是否有资格分享这份殊荣， 科学界存在很大争议。教材中对这部分史实没有较好呈现。厘清史实，既是对科学史和科学家的尊重，也能使学生更好了解知识产生的过程，启发学生思考。

3.2 学习任务单要反映培养学生学科核心素养的要求

“着眼于学生适应未来社会发展和个人生活的需要，从生命观念、科学思维、科学探究和社会责任等方面发展学生的学科核心素养，充分体现本课程的学科特点和育人价值”[2]是高中生物课程的设计宗旨和实施中的基本要求。学习任务单是教师引导学生自主学习的指挥棒，紧紧围绕教学目标来设计学习任务单，是教师发挥主导作用的必由之路。通过学习生物科学史，在了解知识产生、发展的同时，分析科学家们成败的原因，学习他们的科学态度和科学精神，也是在生物课程中进行课程思政的极好途径，是培育学生生物学科核心素养的必然要求。

3.3 教学设计要充分尊重教师主导作用和学生主体地位

课前学习的PPT、微视频、学习任务单，是教师发挥主导作用引导学生自主学习的指挥棒，要极度重视。对于课中学生的个性化学习、学习小组的团队学习过程，以及团队学习成果的展示、学生个人不同于团队观点的展示，教师必须肯定团队和个人学习心得，使学生有成就感，而对其中的知识缺陷、似是而非的观点甚至错误则要加强启发性讲解。尤其要加强知识的内化过程，如站在科学家的角度思考问题，并用语言对科学家成败原因进行针对性分析。