基于核心素养下的模型建构教学案例DNA分子的结构为例

引言在当前教育改革的浪潮中，核心素养的培养已成为学科教学的根本目标。生物学核心素养涵盖生命观念、科学思维、科学探究与创新以及社会责任等多个维度。模型建构作为科学研究的重要方法，亦是学生理解抽象概念、发展科学思维、提升探究能力的有效途径。DNA分子的结构作为遗传学的核心内容，其抽象性和复杂性为模型建构教学提供了理想的载体。本文以“DNA分子的结构”为例，探讨如何在教学过程中通过模型建构活动，有效落实核心素养的培养目标，以期为一线生物学教学提供有益的参考。一、模型建构与核心素养的内在联系模型是对现实事物的抽象和简化，它能够帮助人们抓住事物的本质特征和内在联系。模型建构则是一个主动的认知过程，学习者通过观察、分析、抽象、概括，将复杂的实际问题转化为易于理解和研究的模型。这一过程本身就蕴含着对核心素养的全面锻炼。首先，生命观念的形成离不开对生命现象和生命活动规律的深刻理解。DNA作为遗传信息的载体，其双螺旋结构是生命延续和变异的物质基础。通过建构DNA分子模型，学生能够直观地认识到其结构与功能的统一性，从而深化对“结构与功能相适应”这一核心生命观念的理解。其次，科学思维的培养在模型建构过程中得到充分体现。从分析科学家的研究资料（如威尔金斯和富兰克林的DNA衍射图谱、查哥夫的碱基数量关系），到提出结构假设，再到通过模型修正假设，学生经历了类比、归纳、演绎、批判性思维等科学思维过程。这不仅有助于他们理解科学结论的形成过程，更能提升其逻辑推理和解决复杂问题的能力。再者，科学探究与创新能力是模型建构的核心目标之一。模型建构本身就是一种探究活动。学生在动手操作、小组讨论、合作交流中，不断发现问题、提出质疑、寻求解决方案，甚至对现有模型进行改进和创新。这种亲身体验能够激发学生的探究兴趣，培养其科学探究的基本技能和创新意识。最后，社会责任的渗透可以通过介绍DNA结构发现的科学史来实现。沃森、克里克等科学家的合作精神、严谨态度和不懈探索，能够激发学生对科学的热爱和对科学家的崇敬，培养其勇于探索、追求真理的科学精神和社会责任感。二、“DNA分子的结构”模型建构教学案例设计与实施（一）教学目标1.生命观念：阐明DNA分子的双螺旋结构，理解其结构特点与功能（如遗传信息的储存和传递）的关系。2.科学思维：通过分析经典实验资料，运用归纳与概括、演绎与推理等方法，推测DNA的结构；通过模型建构，发展空间想象能力和抽象思维能力。3.科学探究与创新：体验模型建构的过程，尝试运用不同材料制作DNA模型，在探究中发现问题并尝试解决问题。4.社会责任：认同合作在科学研究中的重要性，感受科学家勇于探索、严谨求实的科学精神。（二）教学重点与难点*重点：DNA分子的双螺旋结构及其主要特点（如两条链的方向、碱基配对原则等）。*难点：理解DNA分子的空间结构；阐明碱基互补配对原则的意义。（三）教学准备*教师准备：多媒体课件（包含DNA衍射图谱、查哥夫数据、沃森和克里克构建模型的历程等）、DNA结构模型（实物或三维动画）、不同材料的模型组件（如不同颜色的硬纸板、塑料球、吸管、牙签、扭扭棒等）。*学生准备：预习DNA的基本组成单位（脱氧核苷酸），小组分工（如材料准备、设计、搭建、记录、展示等）。（四）教学过程1.创设情境，导入新课——激发探究欲望教师从“龙生龙，凤生凤”等遗传现象入手，引导学生思考：“生物的遗传信息是如何传递的？这种信息的载体是什么？”引出DNA。进一步设问：“DNA是如何储存如此海量的遗传信息的？这与其结构有何关系？”激发学生对DNA结构的好奇心，从而导入新课。此环节旨在联系学生已有经验，引发认知冲突，初步渗透“结构决定功能”的生命观念。2.资料分析，提出假说——培养科学思维呈现科学史资料：*资料1：展示威尔金斯和富兰克林拍摄的DNAX射线衍射图谱，引导学生观察图谱特点（如呈螺旋状）。*资料2：介绍查哥夫的研究成果——DNA中腺嘌呤（A）的量总是等于胸腺嘧啶（T）的量，鸟嘌呤（G）的量总是等于胞嘧啶（C）的量。引导学生小组讨论：*从衍射图谱中，你能推测DNA分子可能具有怎样的立体结构？（螺旋结构）*查哥夫的发现（A=T，G=C）提示了碱基之间可能存在怎样的关系？（配对关系）鼓励学生基于资料提出关于DNA结构的初步假说，如“DNA可能是双螺旋结构”、“A与T配对，G与C配对”等。此环节通过模拟科学家的研究过程，培养学生分析资料、归纳概括和提出合理假说的科学思维能力。3.动手实践，模型建构——深化探究体验活动一：构建脱氧核苷酸模型学生利用提供的材料（如不同颜色的球代表磷酸、脱氧核糖和不同碱基），制作单个脱氧核苷酸模型。教师巡视指导，确保学生正确区分脱氧核苷酸的三个组成部分及其连接方式。此活动为后续构建DNA长链奠定基础。活动二：构建DNA单链模型在完成单个脱氧核苷酸模型的基础上，引导学生思考脱氧核苷酸如何连接形成长链（通过磷酸二酯键）。学生动手将多个脱氧核苷酸连接成一条多核苷酸链。活动三：构建DNA双螺旋结构模型提出挑战：如何将两条单链结合成稳定的DNA分子？引导学生结合之前的假说（双螺旋、碱基配对）进行尝试。*讨论与尝试：两条链是同向还是反向？碱基如何准确配对（A与T，G与C）？如何体现螺旋结构？*模型修正：学生在搭建过程中会遇到各种问题，如碱基无法正确配对、螺旋角度不合适等。教师引导学生小组内讨论，或与其他小组交流，共同解决问题，不断修正和完善模型。例如，学生可能会发现两条链必须反向平行才能使碱基正确配对并形成稳定结构。此环节是核心探究过程。学生通过亲自动手，将抽象的文字描述转化为具体的物理模型，不仅加深了对DNA结构特点（如两条链反向平行、碱基互补配对、双螺旋）的理解，更在“做中学”中体验了科学探究的艰辛与乐趣，培养了动手能力、合作能力和创新精神。教师在此过程中应扮演引导者和协助者的角色，鼓励学生大胆尝试，不怕犯错。4.模型展示与交流——促进思维碰撞各小组展示其构建的DNA模型，并阐述其结构特点、构建思路以及在过程中遇到的问题和解决方法。其他小组可以提问、质疑或提出改进建议。例如，某小组可能使用了不同的材料来区分不同的碱基，其他小组可以评价这种方法的优劣。教师引导学生共同总结DNA分子的结构特点：*由两条反向平行的脱氧核苷酸链盘旋成双螺旋结构。*脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；碱基排列在内侧。*两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对，并且遵循碱基互补配对原则（A与T配对，G与C配对）。此环节通过展示与交流，促进了学生之间的思维碰撞，加深了对DNA结构的理解，同时培养了学生的表达能力和批判性思维。5.模型应用与拓展——提升核心素养*结构与功能的联系：引导学生思考DNA双螺旋结构的稳定性对于遗传信息传递的意义；碱基对的排列顺序为何能储存大量遗传信息？（提示：碱基对的排列顺序千变万化）。此问题旨在深化“结构与功能相适应”的生命观念。*科学史教育：简要介绍沃森和克里克构建DNA模型的故事，强调他们如何借鉴他人成果（如富兰克林的衍射图谱）、如何通过合作与不懈努力最终获得成功。引导学生感悟科学研究的曲折历程和科学家的优秀品质，培养其科学精神和社会责任。*模型的局限性讨论：提问“我们构建的模型与真实的DNA分子有何异同？模型在科学研究中有何作用？”引导学生认识到模型是对真实事物的简化和抽象，其价值在于帮助理解和预测，但也存在一定的局限性。三、教学反思与启示“DNA分子的结构”模型建构教学，将抽象的微观结构直观化、具体化，有效突破了教学难点。在整个教学过程中，学生不再是被动接受知识的容器，而是主动参与的探究者。通过资料分析、动手建构、讨论交流等环节，学生的科学思维得到锻炼，探究能力得到提升，生命观念得以内化。反思：*材料选择：应提供多样化的建构材料，满足不同学生的需求和创意，但也要注意材料的安全性和易操作性。*时间控制：模型建构过程耗时可能较长，需要教师合理规划各环节时间，确保教学任务的完成。*差异化指导：对于动手能力较弱或理解有困难的学生，教师应给予更具针对性的指导和帮助。*评价方式：除了关注模型的准确性，更应关注学生在建构过程中的参与度、思维方式、合作精神以及解决问题的能力。启示：*核心素养的培养是一个潜移默化的过程：模型建构教学为核心素养的落地提供了有效途径，但需要教师在教学目标设计、教学过程组织、教学评价等各个环节都有意识地渗透和融入。*学生是学习的主体：教师应充分相信学生的潜能，创设宽松、民主的探究氛围，鼓励学生大胆尝试、积极思考、勇于创新。*科学史的融入价值：将科学史有机融入教学，不仅能激发学生的学习兴趣，更能让学生理解科学的本质，培养科学精神和人文素养。结语以核心素养为