基于假说-演绎法的“证明D...半保留复制的实验”教学设计_秦伟强.pdf

基于假说 演绎法的“证明 DNA半保留复制的实验”教学设计秦伟强(甘肃省临夏州积石山县积石中学临夏731799)摘要本节课以“证明 DNA 半保留复制的实验”为例，通过创设学习情境、运用假说 演绎法构建概念模型、演练科学技能等环节，引导学生开展个人自主学习、小组讨论探究，完成学习任务，激活学生思维潜能，使学生具备运用生物学知识解决相关问题的技能。关键词DNA 半保留复制实验假说 演绎法科学思维高中生物学1教材分析及设计思路“证明 DNA 半保留复制的实验”是人教版高中生物学教材(2019 版)必修 2遗传与进化 模块第 3 章“基因的本质”第 3 节“DNA 的复制”中的必学内容。该内容在人教版高中生物学教材(2007 版)中为选学内容。两版教材比较分析得出，该内容设置在新旧教材中存在明显变化。首先，该内容的学习要求发生了重要变化，已把旧教材中“选学”字样删除，可见该部分内容在学习 DNA 分子相关知识理论中的重要价值;其次，在新教材“思考讨论”栏目对于该部分实验内容的设置最明显的区别就是，加入了假说 演绎法的科学实验方法，突出了该科学方法的重要价值，也吻合了新课标中要求运用假说 演绎法发展学生科学思维的要求;同时，在“证明 DNA 复制方式的实验示意图”中对 DNA 复制条带的元素组成情况设计了学生运用演绎推理自主填写完成的空白任务框，该方式对于锻炼学生运用假说 演绎法的技能具有重要作用，也对进一步培养学生的科学探究能力具有重要的意义，是教材编写凸显核心素养、落实学科育人价值的集中体现;最后，在课后作业中也设计了集中练习该实验过程的习题，由此可见以新课程和新教材为核心的“双新”背景下，凸显了该部分内容在高中生物学课程中的重要地位。本节课的重点是证明 DNA 半保留复制方式，难点是学生对实验过程的演绎推理及模型构建。由于学生此前已学习了孟德尔一对相对性状和两对相对性状及摩尔根果蝇眼色遗传实验，对假说 演绎法已至少接触了 3 次，对该科学方法有了较全面的认识，因此教学中选择摩尔根果蝇眼色遗传实验中的假说 演绎法模型为学习支架，开展运用假说 演绎法构建“证明 DNA 半保留复制的实验”的概念模型。2教学目标基于课程标准的内容要求、学业要求和学业质量标准，并围绕培养学生核心素养的要求，制订了如下教学目标:(1)能够基于教材中的事实和证据，运用假说 演绎法对证明 DNA 半保留复制进行演绎与推理，探讨和论证实验结果，以提升逻辑推理能力。(2)能够运用假说 演绎法构建证明 DNA 半保留复制的概念模型，促进创造性思维的发展。(3)能够运用结构与功能观，正确阐释 DNA 分子通过半保留方式进行复制，能够解释或探究现实生活中遇到的遗传与变异现象，发展科学探究技能。3教学过程3 1创设学习情境，激发思维动机沃森和克里克发表 DNA 双螺旋结构的那篇论文结尾处写道:“值得注意的是，我们提出的这种碱基特异性配对方式，暗示着遗传物质进行复制的一种可能的机制”。那么，碱基互补配对原则暗示 DNA 的复制机制可能是怎样的?学生以小组为单位利用 DNA 双螺旋结构模型进行模拟，学习沃森和克里克提出的 DNA 半保留复制假说。教师进一步提出:DNA 半保留复制提出后，也有人持不同的观点，并提出 DNA 全保留复制等不同的假说，到底哪种假说正确呢?首先，带着问题先回忆假说 演绎法的一般步骤，学生回答:观察和分析现象提出问题作出假说演绎推理实验验证得出结论。那么，沃森和克里克提出的半保留复制假说，能否利用假说 演绎法来证明呢?设计意图:通过创设情境，引出探究的问题，并针对问题提出不同的假说，进而引导学生建立假说 演绎法与证明 DNA 半保留复制之间的思维衔接，进而激发学生运用假说 演绎法来证明 DNA 半保留复制的思维动机。3 2搭建学习支架，激荡思维潜能引导学生运用假说 演绎法阐述摩尔根果蝇眼色遗传实验证明基因在染色体上的过程(图 1)，从而激活学生的前概念，为新概念的学习提供辅助支架。设计意图:基于最近发展区理论，通过回顾摩尔根果蝇眼色遗传实验，给学生提供思维台阶，实现从旧知到新知的有效过渡，为证明 DNA 半保留复制的学习搭53生物学教学2023 年(第 48 卷)第 5 期图 1摩尔根果蝇眼色遗传实验中的假说 演绎法建思维支架1，进而激荡起学生学习新概念的思维潜能。3 3构建概念模型，激活思维探究具体教学环节如下:3 3 1问题引领，明确学习任务要证明 DNA 复制是半保留复制，核心问题是:区分亲代与子代的 DNA。那么，用什么科学方法区分呢?教师介绍实验背景知识:1958 年，梅塞尔森(M Meselson)和斯塔尔(FStahl)以大肠杆菌为实验材料，运用15N 和14N 同位素标记技术和密度梯度离心技术开展了 DNA 半保留复制方式的实验探究。要理解掌握该实验的过程，需要解决以下学习任务:梅塞尔森和斯塔尔证明 DNA 半保留复制实验所依据的假说是什么?该实验的过程是如何进行的?该实验的预期结果又是怎样的?假如全保留复制是正确的，实验预期又会是怎样的?该实验的真实结果是怎样的?实验结论是什么?3 3 2讨论探究，构建概念模型学生自行阅读教材，独立完成任务 1，并联系 DNA 分子的结构特点深刻理解半保留复制假说内容。对于任务 2 和 3，每个学生独自运用演绎推理的方法分析实验过程，并完成实验预期结果，填写教材 P54 页“证明 DNA 半保留复制的实验示意图”中实验预期结果处各试管中不同位置条带所含 DNA 的元素情况。对于任务 4，学生以小组为单位进行讨论探究，并得出全保留复制实验的预期结果。对于任务 5，学生自行阅读教材 P55 页内容，得出真实实验结果，并与两种复制假说的预期结果进行比较分析，得出正确的预期结果。紧接着，通过任务 1、2、3、4、5 的探究与解决，得出任务 6 的结论。最后每个小组学生相互合作与帮助，通过对比分析、归纳总结，尝试构建基于假说 演绎法的“证明 DNA 半保留复制的实验”概念模型。3 3 3评价完善，展示概念模型将各小组绘制的概念模型逐一展示，师生共同对每个小组构建的概念模型从逻辑性、严密性、合理性及美观性等方面进行点评，最后将各小组构建的模型创意进行整合提炼，形成基于假说 演绎法的“证明 DNA 半保留复制的实验”概念模型(图 2)。设计意图:以核心问题为引领，设置学习任务串，让学生带着完成任务和解决问题的动机，展开对实验过程的探究性讨论学习，进而构建基于假说 演绎法的“证明 DNA 半保留复制的实验”概念模型，最后各小组进行思维碰撞，相互借鉴、取长补短，形成完整的概念模型。通过小组展评，师生点评，有助于学生厘清DNA 半保留复制实验的逻辑过程，加深概念的理解，从而突破本节课重难点，激活思维探究意识，提升用已有科学知识和方法分析实验的技能。3 4演练科学技能，激励思维创新教师课件展示人教版新教材 P45 页“T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验示意图”，要求每位学生以假说 演绎法为依据，分析构建该实验过程的概念模型。“T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验”是赫尔希和蔡斯在艾弗里提出“DNA 才是使 型细菌产生稳定遗传变化的物质”的结论后设计的，该实验弥补了艾弗里实验中的不足和争议。学生根据以上背景和已学的实验过程，提出问题:T2噬菌体侵染大肠杆菌时，T2噬菌体的 DNA 和蛋白质到底哪一种进入大肠杆菌?作出假说:T2噬菌体的 DNA 进入大肠杆菌;T2噬菌体的蛋白质进入大肠杆菌。演绎推理:若 T2噬菌体的DNA 进入大肠杆菌，则被32P 标记的 T2噬菌体侵染大肠杆菌组沉淀物放射性含量高，上清液放射性含量低;被35S 标记的 T2噬菌体侵染大肠杆菌组沉淀物放射性含量低，上清液放射性含量高;若 T2噬菌体的蛋白质进入大肠杆菌，则被32P 标记的 T2噬菌体侵染大肠杆63生物学教学2023 年(第 48 卷)第 5 期图 2证明 DNA 半保留复制实验中的假说 演绎法菌组沉淀物放射性含量低，上清液放射性含量高;被35S 标记的 T2噬菌体侵染大肠杆菌组沉淀物放射性含量高，上清液放射性含量低。实验验证:32P 标记的T2噬菌体侵染大肠杆菌组沉淀物放射性含量高，上清液放射性含量低;35S 标记的 T2噬菌体侵染大肠杆菌组沉淀物放射性含量低，上清液放射性含量高。实验结论:DNA 是 T2噬菌体的遗传物质。设计意图:重现教材已学知识内容，结合本节课基于假说 演绎法的科学思维方法进行实践演练，对已学实验过程重新构建概念模型，达到温故知新的效果，同时建立知识与技能间的联系与应用，形成系统观。4教学反思本节课的教学设计以假说 演绎法为主线，重点突出该科学方法在证明 DNA 半保留复制中的具体应用，通过一系列学习活动的设计，帮助学生在知识学习过程中达到学习目标。在本节课的课堂教学实施过程中，需要注意以下几点:教师要以学生为中心，通过创设问题情境和布置学习任务，充分激发学生的学习主动性和积极性，有效引导学生主动思考并动手构建概念模型，从而凸显学生的主体地位，以达到高效开展任务驱动型教学的目的。假说 演绎法逻辑性较强，需要教师引导学生依据学习支架，严格按照该方法的一般步骤构建本节课的概念模型，从而降低抽象知识的学习难度，有助于让学生深刻理解探究 DNA 半保留复制的完整实验过程，以培养学生的科学思维和科学探究能力。本节课学习支架的构建除了以“果蝇眼色遗传实验”外，还可以运用孟德尔一对或两对相对性状的遗传实验进行构建，而构建概念模型的形式也有多种类型，除了绘制概念流程图外，还可运用14NDNA 单链和15NDNA 单链的实物模型进行构建实物概念模型等。假说 演绎法还可以在高中生物学教材中的其他知识内容处巧妙应用，如生长素的发现历程、酶本质的探索、细胞膜结构的探索等，因此需要教师深入研究分析教学内容，从而创新教法，改变学法，以提高课堂教学的质量。73生物学教学2023 年(第 48 卷)第 5 期基于“海水稻”情境的“物质跨膜运输的方式”一轮复习教学设计冷涛(四川省双流中学成都610200)摘要以探究海水稻能生长于盐碱地的原因为教学情境主线，引导学生根据科学研究的一般思路，运用物质跨膜运输相关知识解释海水稻解决胁迫的机理，锻炼学生解决实际生产生活中问题的能力。通过任务驱动、问题引领，引导学生主动地参与学习，借助阅读、分析、思考和讨论等活动，加深学生对概念内涵的理解从而实现概念的迁移，培养学生科学思维的习惯，形成积极的科学态度，锻炼创新实践的能力。关键词真实情境海水稻物质跨膜运输方式高中生物学1教材分析及设计思路“物质跨膜运输的方式”内容主要包括物质进出细胞的几种不同方式 被动运输、主动运输等。教材以不同情境下物质如何进出细胞为线索，引出物质进出细胞的不同运输方式的概念和特点。在一轮复习阶段，若只局限于教材，不利于学生理解掌握物质跨膜运输相关概念的内涵和外延1。同时也无法锻炼学生在真实情境中分析问题、解决问题的能力。因此根据一轮复习的特点以及基于学生对该部分内容的掌握情况，结合课程标准对本节内容需建立的概念描述:物质通过被动运输、主动运输等方式进出细胞，以维持细胞的正常代谢活动。故将物质跨膜运输相关内容进行整合，并借助我国科学家培育的能生长于盐碱地中的海水稻这一真实情境，培养学生的科学思维，渗透社会责任。本节内容的设计遵循科学研究的一般思路，包括观察现象提出问题、分析并解释问题、实验验证、得出结论。具体教学设计思路如图 1 所示。图 1基于“海水稻”情境的教学设计思路2教学目标基于课程标准的内容要求、学业要求及学业质量标准，围绕培养学生核心素养的要求，制订了如下教学目标:(1)通过列表归纳海水稻抗逆性有关的物质跨膜运输，夯实学科必备知识，提升归纳与概括能力，发展科学思维。主要参考文献1 张梅 基于假说演绎法的“生长素发现历程”教学设计J生物学教学，2020，45(6):4547(2)通过解释海水稻抗逆性的机理，发展分析、思考问题的能力，巩固生命观念中的稳态与平衡观。(3)通过设计实验验证海水稻根尖成熟区细胞的细胞液浓度大于普通水稻，提升科学探究能力。(4)通过提出海水稻抗逆性状的改良方案，促使理论与实际相结合，锻炼运用知识解决实际生活生产问题的能力，建立社会责任。3教学过程3 1创设情境，提出问题教师播放海水稻的新闻视频，视频介绍了海水稻的培育者陈日胜，以及海水稻的83生物学教学2023 年(第 48 卷)第 5 期