深度教学在“DNA的复制”一节中的实践

发表时间:2019-10-14 08:22


作者:张兴宇(福州第一中学)

*本文发表于《中学生物学》2019年第7期,第78-80页


摘 要 以“DNA的复制”新授课为例,从深度学习的特征出发,探讨在高中生物课堂中激发学生内在学习动力、在问题解决中发展学生核心素养联系学生已有知识建构新知识体系以及渗透元认知等深度教学策略。

关键词 深度教学   DNA复制   教学实践   核心素养


深度教学是一种教师引导学生进行深度学习的课堂教学策略。与传统的教师讲授灌输、学生被动接受等浅层学习相比,深度学习具有以内在学习需求为动力、在问题解决中发展高阶思维、注重知识联通与构建、运用元认知策略调控学习等特征[1]。本文以“DNA的复制”新授课的教学实践为例,探讨烙印深度学习特征的深度教学策略。


1 深度教学激发并保护学生内在的学习动力

深度学习关注学生的学习动力,其中,内在的学习动力是最珍贵的,它能最大程度激发和保持学生探究的欲望,这是进行深度学习的前提。因此,在课堂教学中,教师可以通过合适情境的设置来激发学生兴趣,让学生体会成就感,以培养学生内在的学习动力。

在“DNA的复制”一节的课堂导入中,笔者首先展示了一组“人类胚胎发育”的图片。利用这组图片,首先唤起学生对自身的关注,激发他们的学习兴趣;再通过问题的设置和引导,让学生联系已有知识,同时萌发新的思考,使课堂自然过渡到即将学习的内容。具体的问题设计和意图见表1:

表1课堂导入中配合图片情境的问题引导


教师问题引导
学生反应
设计意图
受精卵怎样发育成个体?
细胞分裂、分化,形成组织、器官,发育成个体
联系学生已有知识,能有认同感、获得感
知道这个发育过程至少有多少次细胞分裂吗?
没有具体概念(补充:不包括发育中凋亡的细胞,至少也有50万亿次)
让学生感受细胞分裂如此多次,需要一个“高保真”的机制保持前后代细胞的遗传连续性
③细胞分裂如此多次,为什么仍然能保持后代细胞还是同一个体的?
DNA复制
联系学生对有丝分裂的认识:染色体复制的实质就是DNA复制
④你认为DNA结构中有什么特点对DNA精确复制有帮助?
DNA双螺旋结构、
碱基互补配对原则
巩固旧知,让学生能对DNA复制做出一定的猜测



这些问题的设置紧扣图片情境, 能较好地让学生保持“踮起脚尖,够到果实”的状态,有利于保持学生的兴趣。紧接着笔者展示了1953年沃森、克里克发表的那篇关于DNA双螺旋结构的论文图片,指出他们当时也意识到“特定的碱基配对为遗传物质的复制提供了一种可能的机制”,与同学们的看法一致,让同学们获得成就感,保持对DNA复制的探究兴趣。为继续保持这种兴趣,笔者设计了一个模拟活动:每个学生有两红、两蓝四根电线,模拟四条DNA单链;教师出示两根蓝色电线螺旋在一起的模型作为亲代DNA,让学生模拟“1个亲代DNA,复制一次,得到两个子代DNA”,展示并表达自己的模型。这个模拟活动,将抽象的问题模型化,让每个学生动起来,手脑并用,让学生对DNA复制有各自的体悟。


2 深度教学在问题解决中发展学生的核心素养

    学生都有一定的知识和技能基础,但这些知识和技能往往是较为零散的,还不足以形成核心素养。如果这些知识和技能在一定的情境中,被运用于实际问题的解决,它们就有可能被组织起来,形成相互的联系,进而发展成学生的核心素养。

DNA是怎么复制的?学生围绕这个问题进行假设和探究,就能把已知的知识和方法在解决问题的过程中组织起来,进而形成科学思维。学生动手得到两个子代DNA的过程,其实就是对“DNA是怎样复制的”做出了自己的假设,教师此时对学生做出的两种假设进行总结:一是半保留复制、二是全保留复制。如何证明哪种假说是正确的?联系到之前学习的“假说-演绎法”,学生认识到接下来需要按照各自的假说进行演绎推理,然后设计实验进行验证。怎样进行演绎推理?如何设计实验?需要教师提供必要的支架来帮助学生落实问题的解决。笔者提示学生“用两条黑线表示亲代DNA双链,用红线表示子代DNA链,按两种不同的假设,演绎亲代DNA复制到第二代”。在实验的设计上,笔者通过问题串引导学生思考:①两种假说得到的子一代DNA最大的不同是什么?(通过观察,学生会发现子代DNA中母链和子链的组合不同)②怎样区分母链与子链?(学生会联系到同位素标记法)③用何种元素进行标记?(学生会有不同的答案,引导学生认同只要是组成DNA的元素,原则上均可用于标记,具体实施中可能因方法的不同而有所选择)④假设用N元素进行标记,如何让细胞中的DNA标记上?(学生能认识用14N或者15N的培养基培养细胞)⑤怎样让亲代DNA与子代DNA做上不同的标记?(学生意识到需要将DNA全部标记15N后,转移到14N的培养基上)⑥如何观察子代DNA中母链与子链的组合状况?(有的学生选择放射性同位素显影,这是一种常见的错误思路,教师要引导学生分析错误原因;学生关注到含不同N元素的DNA分子量不同,由此联系到离心的方法)通过以上的分析,笔者用梅塞尔森-斯塔尔的选择肯定学生的同时,提供CsCl密度梯度离心资料,让学生掌握正确的实验方法。

学生在理解了实验原理后,可以顺利地预测两种不同假设的密度梯度离心的结果,在教师的引导下解读梅塞尔森-斯塔尔的实验结果,并能利用模型将结果表达出来,直观地显示了半保留复制假说的正确性。此时,笔者设计了思维训练环节:“展示弥散复制假说,请寻找证据否定该假说”,有的学生从密度梯度离心结果分析,还有学生从弥散复制需要将双链切成若干段——能量不经济、片段聚合成“杂种”——增加错误概率等角度否定这种假说,这些都是学生积极思维,努力解决问题的表现。


3 深度教学善于引导学生联系已有知识,建构新的知识体系

深度学习关注学生已有经验与新知识之间的相互转化:一方面调动已有经验参与新知识的学习,另一方面把新知识与原有知识加以整合,构建出新的知识体系。这个过程中,概念模型的构建能让学生通过分类、归纳,发展学生的记忆、联想和迁移能力,优化学生的认知结构[2]

在“对DNA分子复制的推测”和“DNA半保留复制的实验证据”的教学中,联系学生已学习的“假说-演绎法”,让学生体验到一个完整的“提出问题-做出假设-演绎推理-设计实验-得出结论”的探究过程。在其中设计实验的环节,也是利用问题串来充分调动学生的已有知识,并将其整合到解决新问题的知识体系中。在DNA复制过程的教学中,笔者通过让学生阅读课本、补充思维导图的方式,引导学生构建DNA复制的概念图,见图1。

    

图1 “DNA复制”的思维导图

学生在初期构建的概念图,答案就仅局限在课本上,需要教师引导学生认识问题的本质,完善学生的概念图。例如学生分析DNA复制时间,回答“有丝分裂的间期和减数第一次分裂的间期”,教师应引导学生认识到DNA的复制是为了保证遗传的稳定性,因此细胞要分裂之前或者线粒体及叶绿体这样的细胞器在增殖时,都应有DNA复制的发生。分析DNA复制的场所,应该是细胞中DNA存在的位置:真核细胞除细胞核外,还有线粒体、叶绿体;原核细胞则在拟核等。分析DNA复制的意义,不仅有遗传信息的连续性,还可以联系到复制出现的差错提供了生物变异的来源。


4 深度教学关注元认知在教学中的渗透

深度教学强调元认知策略在教学中的应用,可以帮助教师和学生反思:目标是什么,该如何思考,为什么这样思考,是否达到目标?当问题还不能解决时,表现出探索新知的欲望和行动[3]。在教学中融入反思,可促进学生的元认知能力的发展。

在完成DNA复制过程的基本学习后,笔者展示了一幅图片:必修一《分子与细胞》第六章第3节“细胞的衰老和凋亡”中的“端粒学说”,让学生尝试解释为什么“DNA序列在每次细胞分裂后会缩短一截”?这是学生很熟悉的素材,但他们却发现自己现有的知识还不足以解释这个问题。这个环节让学生意识到一些虽然学习了却被自己忽略的问题,反思自己的学习还应注意些什么?同时对笔者抛出的这个“挑战性”的问题显示出浓厚的兴趣,对接下来针对DNA复制的拓展性学习跃跃欲试。学生在观看笔者提供的一则DNA复制的视频资料时,注意力很集中,迅速将视频中的一些关键点记录下来,最后应用学到的新知识来解释端粒缩短的问题。这样的教学环节不仅丰富了学生对DNA复制的认知,也为将来学习PCR技术打下基础;更重要的是激发了学生主动建构知识和解决复杂问题的内在动力,知道需要获取哪些信息或外在帮助来解决问题,实现了深度学习。

在课程的最后,笔者向同学们介绍了DNA复制的研究新进展——发表在《细胞》杂志上的关于单个DNA复制的观察研究。一方面让学生认识到科学技术的进步对人类认知发展的影响,另一方面意识到科学理论是不断发展更新的,自己需要不断地学习;更重要地是学会批判地看待网络上的一些信息,如真正的DNA复制,才不是课本里说的那样呢”等。独立思考、理性判断,这样一种懂得批判性学习、善于反思的学习体验正是元认知能力的体现,也是深度教学能够呈现的。


深度学习能充分调动学生的主观能动性,促进学生对知识的联想、迁移与应用,认识事物本质,发展学生高阶思维,并最终指向学生核心素养的形成[4]。因此,在高中生物课堂中,不断探讨引导学生深度学习的深度教学策略,值得教师不断的尝试与实践。


参考文献:

[1]付亦宁.深度学习的教学范式[J].全球教育展望,2017,360(7):47-56.

[2]吴菱,张锋.例析生物学教学中促进学生深度学习的策略[J].中学生物学,2017,33(6):23-25.

[3]杨丁,张颖之.基于元认知理论优化生物学教学设计[J].生物学教学,2017,42(11):30-31.

[4]郭华.深度学习及其意义[J].课程·教材·教法,2016,36(11):25-32.


(基金项目:福建省“十三五”第一批中学生物教学带头人培养对象课题“基于核心素养的“五化”教学策略的实践研究”,No.XKSW-2017002)