STEM教育在高中生物探究式教学中的初探
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摘 要：基于STEM教育理念，开展DNA分子的结构的探究式教学，旨在为新高考生物教学模式的改革与创新提供参考。
关键词：STEM教育;探究式教学;物理模型
STEM教育是科学、技术、工程与数学等多学科交叉融合，以问题为导向而形成系统化学习经验的教育方式，它培养学生运用多学科交叉知识解决实际问题，发展学生终身学习的能力。本文基于STEM教育，以构建DNA双螺旋结构的科学史为基础，通过小组合作探究的方式，运用模型与建模，归纳-概括的方法，开展DNA分子结构的探究式教学，提升学生多学科交叉知识的综合应用能力和科学探究能力，达成生物学科核心素养。
一、 创设情境，感受双螺旋之美
教师展示双螺旋结构的建筑和雕像的图片，同学感受双螺旋的科学之美。
设疑1：在实验证明DNA是生物体的遗传物质之后，人们质疑：DNA是如何储存遗传信息和决定生物性状？它应具备何种结构与其功能相适应？小组讨论：DNA。
设疑2：若时间倒流到1951年，根据当时已有材料，你能否破解DNA的结构之谜？
二、 探究DNA双螺旋结构的构建历程
（一） 旧知链接：知识抢答——DNA的组成
抢答题目：DNA全称是什么？基本单位是什么？碱基有几种，分别是什么？DNA的每一条链是如何组成的？各小组踊跃的抢答，课堂气氛热烈。
知识抢答活动吸引学生的兴趣，渲染课堂氛围，借助问题引导学生有序回忆DNA的组成，为DNA分子结构的学习埋下伏笔。
（二） 探究DNA双螺旋结构的构建历程
视频播放：生命的秘密——DNA，结合课本内容，沿着科学家探索生物世界的道路，小组讨论构建DNA模型的过程，并归纳概括。各小组交流后归纳：沃森和克里克构建DNA双螺旋结构模型的历程。
思考：1. 上述资料中涉及哪些学科的知识和方法？这对理解生物学科的发展有什么启示？小组回答：物理学、生物化学、数学及分子生物学等;X射线衍射结构分析、建构模型等方法;多学科交叉运用，推动生物学的发展。
思考：2. 沃森和克里克默契配合，构建了DNA双螺旋结构模型，给予你哪些启示？小组回答：善于学习和借鉴他人的研究成果和经验;善于与他人交流和合作;锲而不舍的科学精神。
利用视频资料介绍DNA结构的构建历程后，由学生自主归纳与概括，有助于他们理解科学的本质和研究的思路，认同与人合作在科学研究中的重要性和技术的进步在探索遗传物质奥秘中的重要作用，形成科学态度和价值观。
（三） 构建DNA分子结构物理模型
1. 探究活动：构建模型，归纳特点
材料：DNA分子结构——球棍模型，包括脱氧核糖20个，磷酸分子20个，碱基A、T、C、G各5个，连接棒60个。
小组探究如何构建模型，思路：制作脱氧核苷酸→脱氧核苷酸单链→双链DNA→DNA双螺旋结构。
小组展示和观察DNA模型，思考讨论：你的模型是否完全正确？若发现有不完全正确之处指出并说明改进，尝试分析DNA结构特点。小组成员与他人交流所得结果和存在的问题后，运用科学术语精确阐明：DNA分子是由四种脱氧核苷酸构成，两条碱基互补配对（A与T配对，G与C配对）的反向平行长链形成双螺旋结构，脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架;碱基对通过氢键连接排列在内侧;具有稳定性、多样性和特异性等特性。
类比记忆，DNA——螺旋楼梯，碱基对——台阶，磷酸-脱氧核糖骨架——扶手。
科学-技术-社会：DNA分型技术，测定特殊片段的DNA的序列，用于個人识别、亲缘鉴定、建立DNA数据库等。
学生采用建模与模型，观察法、比较分析法、归纳概括法完成DNA分子结构的探究式学习，从基本单位到平面结构再到空间结构，逐步认识DNA分子，发展学生观察、分析、操作等科学探究能力，形成科学的思维方法。学生能应用DNA的相关概念和模型分析，解决个人识别、亲缘鉴定、建立DNA数据库等实际问题，面对亲缘鉴定有争议的社会议题，通过逻辑思维阐明个人立场，培养社会责任感。
2. 运用模型，推算DNA分子的碱基比例
学生观察DNA结构模型，完成教材拓展题，根据碱基互补配对原则，推导出相关的数学公式，概括规律。
规律一：在双链DNA分子中，互补碱基两两相等，A=T，C=G，A+G=C+T;
规律二：在双链DNA分子中，互补的两碱基之和，在已知链、互补链及双链中恒等;
规律三：DNA分子一条链中（A+G）/（C+T）的比值是互补链的倒数，整个DNA分子中该比值等于1。
巩固提升：某双链DNA分子中，G与C之和占全部碱基总数的34%，其一条链中的T与C分别占该链碱基总数的32%和18%，则在它的互补链中，T和C分别占该链碱基总数的比为（A）
A. 34%和16%
B. 34%和18%
C. 16%和34%
D. 32%和18%
运用模型，挖掘DNA分子结构中隐含的原理，培养学生分析问题的能力，依据碱基互补配对原则，推算DNA分子的碱基比例，学会用数学语言表述生命现象，锻炼学生的数理逻辑思维。
3. 小结与评价
学生绘制DNA分子结构的概念图，小结本节内容。
评价：各小组均能利用材料正确拼接成DNA双螺旋结构，展示模型，观察模型，发现问题，作解释说明，能准确描述DNA分子的结构特点，培养学生的科学探究能力和发展生物学科的理性思维。
（四） 反思
本节以学生探究活动还原科学史和构建物理模型，阐明DNA作为遗传物质所具有的特征，树立结构与功能相适应的生命观念;重视渗透科学、技术、社会相互关系的教育，通过DNA分型技术帮助学生认识生物学与社会发展的紧密联系，感悟社会的责任与担当;注重培养学生应用多学科交叉知识解决DNA的相关问题，促进STEM教育融入生物课堂，并结合探究式教学，形成新型教学模式，为新高考生物教学模式的改革与创新提供参考。
参考文献：
[1]孙茂雪.在探究实验中渗透STEM教育[J].中学生物学，2017，33（3）：46-47.
[2]官仕坤.对高中生物模型教学的几点思考[J].中学生物教学，2018，2（1）：37-38.
作者简介：
钟圣，福建省龙岩市，福建省龙岩第一中学。
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