【正文】  【摘 要】 以高中生物学必修2《遗传与进化》“DNA的复制”这一教学主题为例，阐明高中生物学科“科学史循环探究”教学模式的构建、实践和反思，呈现生物学学科核心素养达成的教学改进过程，促进学生理解科学的本质，锻炼科学思维和提高科学探究能力。
　　【关键词】 科学史；生物教学；循环探究

　　一、科学史循环探究模式概述
　　科学史循环探究模式主要依据科学探究的认知、能力和情感态度三要素开展教学活动。科学探究的认知是人们在科学实践中实现的，是一个能动的、复杂的过程，是培养和发展科学探究能力的基础。科学探究的能力主要包括正确选择实验方法能力、实验设计能力和实验操作能力。科学探究的情感态度是指学生从科学家的经典研究案例中得到思想上的启迪，学习科学家敢于质疑，勤于实践，乐于团队合作，勇于创新的科学精神等。
　　科学史循环探究模式实施时，以提出问题、作出假设、选择探究程序、设计方案、检验实验、系统构建科学观点和学习评价这七个教学环节为本手，契合教学目标通过师生活动之妙手，使学科四大核心素养落地。该教学模式围绕着挑战性的探究主题，倡导学生沿着重要概念多途径探究，避免探究路径单一，引发有意义的深度学习。在更加开放的课堂教学中，学生敢于提出问题，探讨解决问题的方法，形成积极的内在学习动机，提高科学探究的关键能力，逐步成为有批判性和创造性的优秀学习者。笔者从教学中悉心探索，反复实践，尝试构建的生物科学史循环探究模式实施流程如图1所示。












图1  生物科学史循环探究模式实施流程

　　二、科学史循环探究模式实践案例
　　1. 教材分析
　　人教版（2019版）生物学必修2《遗传与进化》模块的内容“DNA的复制”，是基于实验的科学探究，涉及许多科学家的猜想、推论和实验，经历了多年曲折的探索过程，教材中对DNA复制方式的推测只给出了半保留和全保留两种方式（未提及散布式复制），经过了多次修正和完善才得出结论，该研究过程能够较好地呈现出科学观点的可变性与科学知识的发展性，让学生体会到系统构建科学观点过程是需要不断修正的。正如《普通高中生物学课程标准》指出“既能让学生获得基础的生物学知识，又能让学生领悟生物学家在研究过程中所持有的观点，以及解决问题的思路和方法，充分体现了学科特点和育人价值。”
　　2.教学目标 
　　通过介绍科学家探索DNA复制方式的历程，体验科学研究过程中严谨的探究思维和科学的研究方法， 感悟科学家善于思考和勇于实践的科学精神，认同科学探究是以质疑为出发点，以实证为依据去修正、求证，以科学逻辑为论辩尺的动态探索精神。掌握科学家的一般探究路径，运用“假说-演绎法”对DNA的三种复制方式进行演绎和推理，逐步建构DNA是通过半保留方式进行复制的生物学概念。
　　3.教学设计思路
　　教材设置了探究内容“DNA半保留复制的实验证据”，除了沃森和克里克的论文《核酸的分子结构》中对DNA复制方式的推测比较直观明了，这部分提供的其他科学研究史料不是很详尽。教师查阅资料整理出探索DNA复制方式的生物学史实，还原当时科学技术发展的社会现实，引导学生发现问题，借助建模运用假说-演绎法分析，在经历提出问题→假说→实验方案设计→实验检验→科学结论的探索过程中，寻找充足证据来严谨解释或辩驳DNA复制的方式，提高科学探究的关键能力，促进知识的提升和运用。
　　4.教学设计与实施
　　4.1 根据史实，提出问题
　　教师展示DNA分子物理模型，引导学生观察并回顾DNA分子由两条链反向平行盘旋成双螺旋结构，两条链上的碱基遵循碱基互补配对原则，通过氢键连接成碱基对。然后提供史实资料：
　　资料一：沃森、克里克所著《核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型》论文节选：“我们并非没有注意到，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”。
　　资料二：关于DNA分子的复制方式，引导学生充分思考，像科学家一样提出三种主要方式（图2）。①全保留复制：DNA分子作为模板进行复制，子代DNA分子含有两条全新的DNA 链；②半保留复制：双螺旋DNA分子复制时，双链中互补的碱基之间的氢键断裂，解开的两条单链均作为复制的模板，从细胞中吸取游离的脱氧核苷酸为原料，依据碱基互补配对原则结合到模板链上形成互补子链，母链和子莲盘旋在一起，新产生的每个子代DNA分子含有一条来自亲本DNA的母链和一条新合成的子链；③散布式复制：在双螺旋DNA复制过程中，亲代DNA分子两条链被分割成许多大小不等的片段，与新合成的DNA单链片段连接，复制完成后在子代DNA两条链中，母链和子链片段镶嵌存在。








图2  DNA复制方式猜想

　　查阅科学史料知道，当时科学家大多认同DNA是能够复制的，后来美国科学家科恩伯格也通过实验验证了DNA在一定条件下是可以复制的。首先面临的难题之一是DNA复制过程中，其稳定的双螺旋结构有没有解开？怎么解开？引导学生像科学家一样提出问题：合成DNA子链究竟以什么方式延伸？DNA复制以哪种方式进行？
　　4.2 提出猜想，构建模型
　　教师指导学生利用资料包（白磁板、不同颜色的磁条、马克笔等），以红色条带表示亲代DNA分子的一条链，以蓝色条带表示新合成的子链，以小组合作的方式在白磁板上分别构建半保留复制、全保留复制和散布式复制的模型，指导学生对亲子代DNA链做好标注，用箭头画出亲代DNA链传递到子一代和子二代的路径，并补全假说的名称。
　　教师引导学生对模型构建情况进行小组间点评后，进一步提出问题：我们应如何设计实验检验这三种假说的正确性？这个实验要解决的最关键的问题是什么？学生依据构建的模型容易得知，关键问题是要监测到DNA分子复制之后母链的去向，首先要解决的技术问题就是将DNA母链与新合成的DNA子链区分开来。
　　4.3 评估分析，实验检验
　　4.3.1验证DNA分子复制方式的证据
　　查阅化学相关知识得知氮是稳定型同位素，DNA分子中的氮元素不能通过检测放射性来推断亲代DNA链的去向，引导学生像科学家梅瑟生和斯塔尔一样想到其他解决问题的方法。因此教师借助科普资料向学生介绍氮的同位素标记技术及密度梯度离心技术。即以大肠杆菌和含有氯化铵的培养液为实验材料，使亲代DNA母链和新合成DNA子链标记上不同的氮同位素，提取出亲子代DNA分别用密度梯度离心得出结果，记录DNA带的位置。再引导学生对DNA的三种可能复制方式评估分析，预期得出不同的实验结果，即离心管中相应的DNA带分布情况，在以上构建的模型旁画出。
　　4.3.2实验结果的分析与讨论
　　教师点评了各学习小组构建的DNA分子复制模型后，教师简单讲解紫外线吸收法的原理，展示梅瑟生和斯塔尔利用紫外线吸收法所得到的真实实验结果（图3）。学生观察得出，亲代DNA带的位置最靠右，说明密度最？，因此在离？管中的位置对应的是重带；而子一代DNA也只有？种带，但是？亲代的密度要略？，在离心管中对应中带（杂交带）；同理，1.9代约等于？二代，图中明显可以看出是两条条带，且分别对应中带和轻带。
　　将客观事实联系模型，用15N标记的亲代DNA具有单一的重带，在14N培养基中培养产生子一代DNA，其密度介于重带和轻带之间（杂交带），此时可以排除全保留复制方式。亲代DNA复制一次产生的子一代离心结果，还不足以证明DNA是半保留复制还是散布式复制。因此，教师要继续引导学生分析子二代、子三代的实验结果，以支持或辩驳学生自身提出的观点。随着复制代数的增加，轻带的量越来越多，而杂交带始终存在且量保持相同，可以排除散布式复制，从而证明DNA是半保留复制。











图3 梅瑟生和斯塔尔的密度梯度离心实验结果

　　4.4 证据论证，得出结论
　　教师引导学生将梅瑟生和斯塔尔所得到的真实实验结果与他们演绎推理的复制方式的实验结果进？比较，得出DNA分子半保留复制的假说符合真实的实验结果，由此学生通过这一完整的科学探究过程可以得出结论，DNA复制是半保留方式。














图4  DNA半保留方式复制的循环探究流程
　　采用科学史循环探究教学模式（图4），充分还原科学史事实，有助于学生对事实性知识的获得，明晰实验原理和科学探究程序，正确选择实验材料，控制变量，观测因变量，有助于学生深入理解“DNA通过半保留方式进行复制”的概念，生物学学科核心素养得到充分发展。
　　5.教学反思：承载的学科核心素养侧重点分析
　　生命观念：生物学科核心素养如何在学科教学中落地，方法之一是让学生在课堂活动中“做事”。教学过程中以重现生物科学史事实为线索，利用假说-演绎法引导学生循环探究DNA的复制方式，在发现生物学事实和验证生物学规律过程中，训练学生架构生物学事实之间的关联整合能力，建构形成DNA复制的概念，帮助学生深度理解DNA的半保留复制机制。生物科学史循环教学呈现的科学家的创造性劳动过程，有利于学生在物质观、结构与功能观、信息观之间建立动态联系，认同生物科学发展演变规律，树立正确的人生观、价值观和世界观。
　　科学探究：提炼科学探究的关键能力，以带动整体学科核心素养。探索DNA复制方式呈现出的实验设计基本流程，有助于学生理解科学探究的基本环节，还能像科学家一样去思考如何正确选择实验方法，进而正确规范地进行实验操作、分析结果，找出证据论证。学生还从经典科学探究史实中得到启发，学习科学家敢于质疑，立足实践，勇于创新的科学精神。
　　科学思维：首先，科学史料中沃森和克里克基于DNA双螺旋结构模型作出了DNA半保留复制的预测，体现了结构与功能观是科学研究的基础，还关注对他人科学思想的评估。科学探究过程要对事物保持公正的看法，积极寻找科学证据加以证实，批判性评估自己和他人的观点。学生依据科学探究资料包，分小组运用论证模式进行分析，再次经历疑问、猜想、证据论证、演绎推理、得出结论等环节，进而强化了论证式科学思维的培养。其次，探究DNA复制方式是半保留还是其他方式，学生利用化学知识容易得知氮的同位素无放射性，不能通过检测放射性来区分亲代和子代DNA链。适时引入科学史料介绍密度梯度离心分离DNA的方法，还原科学家积极有效、原创的解决问题方案，体现科学探究中跨学科交叉的必要性，说明科学家新颖、独特的创造性思维对科学探究推进有非常积极的意义。
　　社会责任：一部科学史，是不断发现新现象，逐步完善新概念，解释新规律，创造新方法的过程。通过大量科学事实，使学生认同科学家的探索求真、交流合作等科学探究精神。以科学家胸怀科学良知的道德使命为主线，挖掘出与时俱进的教育理念，以“立德树人”的教育目标为最高统摄，唤醒自身对社会和人类福祉承担的责任，发挥科学史的教育功能。
　　科学史循环探究教学具有开放性，真实的科学史情境可能使学生提出多元化的前科学概念，概念不会凭空产生，课前教师要善于诊断学情，挖掘学习目标的“最近发展区”，教学过程予以正面、积极的评价，引发学生认知冲突，辨别考证后去解决问题，促进深度学习，形成科学概念。
　　参考文献：
　　[1] 中华人民共和国教育部.普通高中生物课程标准：2017年版[M].北京：人民教育出版社，2018.
　　[2] 林建春.论证式教学在高中生物学科学史教学中的应用[J].中学生物教学，2021，49，（3）：30-33.
　　[3] 刘本举.“DNA的复制”基于科学史探究的教学设计.生物学教学，2008，33（3）：31-33.
　　[4] 刘祖洞.遗传学.北京：高等教育出版社，1992.
　　注：本文系广西教育科学“十三五”规划2018年度广西教育研究专项课题“广西普通高中生物学科教学关键问题实践研究-4”（2018ZJY239）的研究成果。