STEM教育在高中生物探究式教學中的初探
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摘 要：基于STEM教育理念，開展DNA分子的結構的探究式教學，旨在為新高考生物教學模式的改革與創新提供參考。
關鍵詞：STEM教育;探究式教學;物理模型
STEM教育是科學、技術、工程與數學等多學科交叉融合，以問題為導向而形成系統化學習經驗的教育方式，它培養學生運用多學科交叉知識解決實際問題，發展學生終身學習的能力。本文基于STEM教育，以構建DNA雙螺旋結構的科學史為基礎，通過小組合作探究的方式，運用模型與建模，歸納-概括的方法，開展DNA分子結構的探究式教學，提升學生多學科交叉知識的綜合應用能力和科學探究能力，達成生物學科核心素養。
一、 創設情境，感受雙螺旋之美
教師展示雙螺旋結構的建筑和雕像的圖片，同學感受雙螺旋的科學之美。
設疑1：在實驗證明DNA是生物體的遺傳物質之后，人們質疑：DNA是如何儲存遺傳信息和決定生物性狀？它應具備何種結構與其功能相適應？小組討論：DNA。
設疑2：若時間倒流到1951年，根據當時已有材料，你能否破解DNA的結構之謎？
二、 探究DNA雙螺旋結構的構建歷程
?。ㄒ唬?舊知鏈接：知識搶答——DNA的組成
搶答題目：DNA全稱是什么？基本單位是什么？堿基有幾種，分別是什么？DNA的每一條鏈是如何組成的？各小組踴躍的搶答，課堂氣氛熱烈。
知識搶答活動吸引學生的興趣，渲染課堂氛圍，借助問題引導學生有序回憶DNA的組成，為DNA分子結構的學習埋下伏筆。
?。ǘ?探究DNA雙螺旋結構的構建歷程
視頻播放：生命的秘密——DNA，結合課本內容，沿著科學家探索生物世界的道路，小組討論構建DNA模型的過程，并歸納概括。各小組交流后歸納：沃森和克里克構建DNA雙螺旋結構模型的歷程。
思考：1. 上述資料中涉及哪些學科的知識和方法？這對理解生物學科的發展有什么啟示？小組回答：物理學、生物化學、數學及分子生物學等;X射線衍射結構分析、建構模型等方法;多學科交叉運用，推動生物學的發展。
思考：2. 沃森和克里克默契配合，構建了DNA雙螺旋結構模型，給予你哪些啟示？小組回答：善于學習和借鑒他人的研究成果和經驗;善于與他人交流和合作;鍥而不舍的科學精神。
利用視頻資料介紹DNA結構的構建歷程后，由學生自主歸納與概括，有助于他們理解科學的本質和研究的思路，認同與人合作在科學研究中的重要性和技術的進步在探索遺傳物質奧秘中的重要作用，形成科學態度和價值觀。
（三） 構建DNA分子結構物理模型
1. 探究活動：構建模型，歸納特點
材料：DNA分子結構——球棍模型，包括脫氧核糖20個，磷酸分子20個，堿基A、T、C、G各5個，連接棒60個。
小組探究如何構建模型，思路：制作脫氧核苷酸→脫氧核苷酸單鏈→雙鏈DNA→DNA雙螺旋結構。
小組展示和觀察DNA模型，思考討論：你的模型是否完全正確？若發現有不完全正確之處指出并說明改進，嘗試分析DNA結構特點。小組成員與他人交流所得結果和存在的問題后，運用科學術語精確闡明：DNA分子是由四種脫氧核苷酸構成，兩條堿基互補配對（A與T配對，G與C配對）的反向平行長鏈形成雙螺旋結構，脫氧核糖和磷酸交替連接，排列在外側，構成基本骨架;堿基對通過氫鍵連接排列在內側;具有穩定性、多樣性和特異性等特性。
類比記憶，DNA——螺旋樓梯，堿基對——臺階，磷酸-脫氧核糖骨架——扶手。
科學-技術-社會：DNA分型技術，測定特殊片段的DNA的序列，用于個人識別、親緣鑒定、建立DNA數據庫等。
學生采用建模與模型，觀察法、比較分析法、歸納概括法完成DNA分子結構的探究式學習，從基本單位到平面結構再到空間結構，逐步認識DNA分子，發展學生觀察、分析、操作等科學探究能力，形成科學的思維方法。學生能應用DNA的相關概念和模型分析，解決個人識別、親緣鑒定、建立DNA數據庫等實際問題，面對親緣鑒定有爭議的社會議題，通過邏輯思維闡明個人立場，培養社會責任感。
2. 運用模型，推算DNA分子的堿基比例
學生觀察DNA結構模型，完成教材拓展題，根據堿基互補配對原則，推導出相關的數學公式，概括規律。
規律一：在雙鏈DNA分子中，互補堿基兩兩相等，A=T，C=G，A+G=C+T;
規律二：在雙鏈DNA分子中，互補的兩堿基之和，在已知鏈、互補鏈及雙鏈中恒等;
規律三：DNA分子一條鏈中（A+G）/（C+T）的比值是互補鏈的倒數，整個DNA分子中該比值等于1。
鞏固提升：某雙鏈DNA分子中，G與C之和占全部堿基總數的34%，其一條鏈中的T與C分別占該鏈堿基總數的32%和18%，則在它的互補鏈中，T和C分別占該鏈堿基總數的比為（A）
A. 34%和16%
B. 34%和18%
C. 16%和34%
D. 32%和18%
運用模型，挖掘DNA分子結構中隱含的原理，培養學生分析問題的能力，依據堿基互補配對原則，推算DNA分子的堿基比例，學會用數學語言表述生命現象，鍛煉學生的數理邏輯思維。
3. 小結與評價
學生繪制DNA分子結構的概念圖，小結本節內容。
評價：各小組均能利用材料正確拼接成DNA雙螺旋結構，展示模型，觀察模型，發現問題，作解釋說明，能準確描述DNA分子的結構特點，培養學生的科學探究能力和發展生物學科的理性思維。
?。ㄋ模?反思
本節以學生探究活動還原科學史和構建物理模型，闡明DNA作為遺傳物質所具有的特征，樹立結構與功能相適應的生命觀念;重視滲透科學、技術、社會相互關系的教育，通過DNA分型技術幫助學生認識生物學與社會發展的緊密聯系，感悟社會的責任與擔當;注重培養學生應用多學科交叉知識解決DNA的相關問題，促進STEM教育融入生物課堂，并結合探究式教學，形成新型教學模式，為新高考生物教學模式的改革與創新提供參考。
參考文獻：
[1]孫茂雪.在探究實驗中滲透STEM教育[J].中學生物學，2017，33（3）：46-47.
[2]官仕坤.對高中生物模型教學的幾點思考[J].中學生物教學，2018，2（1）：37-38.
作者簡介：
鐘圣，福建省龍巖市，福建省龍巖第一中學。
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