支架式教学在高中生物学教学中的应用

王姗欢 向炯 崔鸿

摘要 以“DNA 复制”微专题教学为例，用情境支架激发学习兴趣，用建模支架引导演绎推理，用实验支架寻找证据支撑，用材料支架生成重要概念，说明支架式教学融入高中生物学课堂中，有助于学生建构知识体系，并能运用生物学知识解决生活实践问题，发展学科核心素养。

关键词  支架式教学  DNA 复制情境

中图分类号 G633.91              文献标志码 B

美国教育家布鲁纳以维果茨基的最近发展区理论为依托，提出了“搭建教学脚手架”，即在学生的最近发展区内搭建支架，帮助其达到潜在发展水平。[1]在教学中，教师需要像建筑工人一样给予支持、搭建教学支架，引导学生循序渐进、拾阶而上，最终达到目标学习水平。在这个过程中，随着学生学习能力的增强，教师搭建的“脚手架”逐渐被撤除，学生能自主地完成学习任务，实现“师控”向“自控”的转移。

在具体的教学实施中，教师可采用的支架类型包含情境支架、范例支架、实验支架与工具支架等。[2]笔者以高三生物学二轮复习“DNA 复制”微专题的教学实践为例，说明支架式教学使学习发生在有意义的情境中，帮助学生逐步生成重要概念，发展其生物学学科核心素养。

1 以情境作支架，激发学习兴趣

教师展示图片：在新型冠状病毒的变异株蔓延之际，武汉市的各个社区、医院指定地点以及中小学校园内人们排队进行核酸检测。以此创设情境，提出问题：核酸检测的目的和原理分别是什么？为什么我们从咽拭子后直到第二天才知道核酸检测结果呢？

学生很容易回答出核酸检测的目的是检测我们是否感染了新型冠状病毒的变异株；原理则是感染了新冠病毒的人的细胞中核酸和标准样品（新冠病毒的核酸）中的碱基互补配对。针对第二个问题，学生多数表示不清楚。面对学生的疑惑，教师适时补充核酸检测流程的微视频，学生才了解到整个核酸检测经历了取样→保存→送检→核酸提取与检测（荧光 RT- PCR）的流程。其中，由于新冠病毒的核酸是单链 RNA，很容易降解，需要先逆转录成 cDNA，然后通过检测人员逐一将样品分装后在PCR 扩增仪进行扩增至几十个循环，最后根据荧光强度判断测试者是阴性还是阳性。

此时，学生的学习积极性被充分调动起来，教师适时提问：PCR 反应需满足哪些条件？它与细胞内 DNA 复制有什么异同点？

学生纷纷回答出PCR 实际上是细胞外的 DNA 扩增技术，与细胞内DNA 复制相比，二者都需要模板（亲代DNA 的两条链）、原料（游离的脱氧核苷酸）、能量、酶（耐高温的DNA 聚合酶）、引物等条件。不同的是，细胞内DNA 复制是在温和的条件下进行，不需要控制温度，且需要解旋酶等。

设计意图：教师利用学生熟悉的核酸检测情境引入课题，很容易激发学生的探究兴趣，让学生在真实情境中思考，将生物学知识（DNA复制、PCR）与生活经验进行关联，不仅将前后所学知识串联起来，更让学生意识到生物科学技术运用于生活实践造福人类。

2 以建模作支架，引导演绎推理

教师指出核酸检测的短视频中提到PCR 扩增需要进行几十个循环，引导学生画出扩增两个循环的流程，并说明绘制的依据。学生很快画出正确的图解，并说出依据是DNA 的复制方式为半保留复制。接着，教师引用科学史料“1953年，沃森和克里克在《自然》杂志上提出了 DNA 的复制方式为半保留复制的假说”，补充说明当时也有科学家推测DNA 分子的复制可能还有全保留复制和分散复制等方式。

为了直观地展示不同复制方式的演绎推理过程，教师布置任务1：用红色磁片代表母链，蓝色磁片代表子链，以小组为单位，按照全保留复制、半保留复制和分散复制三种复制方式，模拟出亲代、子一代、子二代 DNA分子的组成。

学生活动：学生进行小组合作，得到不同的模型构建结果，如图1。

教师充分肯定了学生建构的模型后，进一步说明假说之所以称为假说，需要经过实验检验其正确与否，适时引导学生如何设计实验。

设计意图：为了直观地展示上述演绎推理过程，教师布置模型建构任务，引导学生利用不同颜色不同长度的磁片模拟不同复制方式中亲代、子一代、子二代DNA分子的组成，引导学生利用直观的模型建构将理性思维的过程外显化，即以建模为支架，再现科学家的演绎推理过程。同时适时提示学生假说是需要检验的，引导学生设计实验加以验证，即利用学生建立的支架为契机，进一步激发学生深入思考。

3 以实验作支架，寻找证据支撑

教师指出各小组所构建的模型中母链和子链是用不同颜色的磁片模拟的，而设计实验时需考虑两个核心问题：“如何区分母链和子链？”“如何分离亲代 DNA和子代DNA？”学生因遗忘表示犯难，此时提示学生结合“T2噬菌体侵染细菌实验”所涉及的实验方法进行类比作答。

顺着教师的引导，学生立即联想到必修2教材提到 Meselson 和 Stahl 的“大肠杆菌 DNA 密度梯度离心实验”，说明其用到了同位素标记法，即利用15N 和14N 区分母链和子链，且利用密度梯度离心技术分离亲代 DNA 和子代DNA。接着，根据所呈现亲代、子一代、子二代DNA所处的密度带，发现只有半保留复制的方式才能得到上述结果。最后，引导学生归纳“DNA半保留复制方式”的得出遵循了“假说-演绎法”的研究思路。

教师追问“能否用组成DNA的其它元素（C、H、O、P）进行同位素标记，亲子代DNA的检测方法与Meselson和 Stahl的实验方案完全一样吗？”进一步拓展实驗设计。

设计意图：通过借助模型工具（红色磁片和蓝色磁片）抛出两个核心问题，在学生犯难之际，提示学生结合前面所学实验内容思考如何进行实验设计，又通过呈现 Meselson 和Stahl 的大肠杆菌DNA 密度梯度离心实验，让学生明白假说的成立是需要实验证据支撑的。在这个片段教学中，教师充分利用经典实验为支架，让学生带着问题去思考寻找科学家探索的脉络，又通过追问促进实验设计思维能力的提升。

4 以材料作支架，生成重要概念

教师提出问题“Meselson和Stahl 的实验只能说明以大肠杆菌为代表的原核细胞中 DNA 复制方式为半保留复制，真核细胞又如何呢？”引发学生再度思考。

学生回答出真核细胞中DNA复制方式也是半保留复制。接着，呈现课前查到的科学史料“Taylor用蚕豆（2N=12）根尖细胞作为实验材料，证明了真核细胞染色体DNA 的复制也符合半保留复制模型。他先用放射性同位素3H标记细胞染色体DNA（标记双链），然后让细胞在不含3H 的培养液中进行连续的有丝分裂，经放射自显影技术显示实验结果。”佐证了上述观点。

肯定了学生的回答后，教师引导学生绘图说明蚕豆细胞第一、二次有丝分裂的中期，染色體及 DNA 被标记的情况。

为了简化染色体和DNA模型，教师向每个小组提供两张白纸和不同颜色（黑色和红色）的记号笔，布置任务2：用矩形框代表染色（单）体，圆代表着丝粒，框内两条线代表一个DNA分子的两条链，其中实线代表被3H 标记的 DNA 单链，用虚线代表未被3H 标记的 DNA 单链，以一对同源染色体（用相同大小的一黑一红的矩形框进行模拟）为例，在白纸上分别绘制出第一、二次有丝分裂中期的染色体及 DNA 示意图，并说明染色体及DNA标记情况。

各小组明确任务后，绘制出第一、二次有丝分裂中期的染色体及 DNA 被标记的情况如图3所示。其中，第一次有丝分裂中期的染色体、染色单体、DNA均被标记；而第二次有丝分裂中期的染色体均被标记，但染色单体及DNA均只有一半被标记。

教师肯定学生的回答后，布置课后任务：作为小区青年志愿者，面对一个刚去过中高风险地区但不愿意进行核酸检测的居民，你将从哪些方面向他（她）进行核酸检测的宣传？

设计意图：教师追问学生真核细胞的DNA 复制方式如何，意在引导学生关注实验材料，理解“DNA 的半保留复制方式”结论的得出是建立在许多实验的基础上的。接着，充分利用学生课前查到的“Taylor蚕豆根尖细胞实验”提出问题，引导学生建立 DNA 复制与细胞分裂之间的联系。在学生茫然之时，帮助学生厘清染色体与DNA等之间的关系，并引导学生利用图解的形式进行模型建构，无形中突破难点，生成“细胞通过分裂实现增殖，依赖 DNA 复制”这一重要概念。最后回归社会情境，意在引导学生从核酸检测的原理出发，交流如何科学防疫，深化社会责任意识。

参考文献：

[1]刘爱爱.“支架式教学”在高中生物学教学中的应用[J].中学生物教学，2021（30）：47-48.

[2]黄玮.支架式教学在高中生物教学中的应用[J].课程教学研究，2013（10）：52-54.