跨学科教学在高中生物课堂教学中的应用实践

高中生物新课程标准倡导加强学科间的横向联系，鼓励教师在生物教学中尝试开展跨学科教学，发展学生核心素养。本文以高中生物学必修2“DNA的结构”为例，论述了以问题引导的小组合作学习的形式，借助物理、化学、数学等跨学科知识，开展科学史中DNA分子双螺旋结构模型建构的探究实验，引导学生开展模型建构、模型特点分析以及DNA分子碱基的相关数学计算的跨学科教学实践，以及开展跨学科教学的意义。

跨学科教学是指以一个学科为中心﹐对于其中一些知识点可以运用不同学科的知识展开对所指向的交叉部分内容进行加工和设计的教学。生物学作为一门自然科学，在学科发展过程中凝结着数学、物理、化学、技术等各学科的知识、方法与思想，非常适合开展跨学科教学。在《普通高中生物课程标准（2017年版）》中也明确指出，“注意学科间的联系：加强学科间的横向联系，有利于学生理解科学的本质，科学的思想方法和跨学科的科学概念和过程，发展生物学学科核心素养”。因此，在日常开展教学工作时，我们高中生物教师需要关注不同学科的交叉，适当开展跨学科教学实践，借鉴不同学科对生命现象的分析手段与思维方式，引导学生进一步理解生命本质的探索过程，提升学生生物学科素养的同时，形成跨学科融合的大生物学教学观念。本文以“DNA的结构”一节的教学为例，结合科学史资料，引导学生重温科学家探索之路，融合物理、化学相关知识，通过小组合作，借助磷酸、脱氧核糖和含氮碱基模型，尝试构建脱氧核苷酸、脱氧核苷酸长链、DNA双螺旋结构模型﹐概括DNA分子结构特点，在充分认识DNA分子结构的基础上开展DNA分子结构的相关计算，促进生物学学科核心素养的落实，尝试为跨学科教学的开展摸索一些经验方法。

1.教学分析与设计

“DNA的结构”是高中生物学必修2第三章第二节的内容，本节课既是对第一章孟德尔遗传定律学习的进一步深入，也是后续学习DNA分子复制、基因突变、基因工程等遗传知识的基础。DNA分子双螺旋结构是沃森和克里克结合多学科的研究，学科交叉融合中构建的成果，是开展跨学科教学的良好素材。因此在本节课的课堂教学中，老师可基于PBL理念，借助模型、问题串开展小组合作学习，引导学生结合DNA分子结构发现史中的物理、化学、生物史料，一起尝试构建DNA分子结构模型、结合所构建的DNA双螺旋模型、观察讨论分析总结DNA分子结构的特点、根据所构建模型的平面结构尝试进行DNA分子中双链碱基数量的相关数学计算等活动，使学生的生物生命观念、科学探究等生物核心素养得到提升，认可科学家探索求真的科学精神和科学家多学科融合的身份，感受多学科交叉渗透、交流合作、技术进步等对于科学发展的重要作用。

2.课堂教学实践

2.1.重温科学研究史，体验建模三部曲

生物科学史是生物课程资源的重要组成部分，是开展课堂探究活动的优秀素材。DNA双螺旋结构的发现科学史融合了物理、化学、生物和数学的多学科交叉，课堂中开展跨学科融合教学，师生在重温发现史的过程中共同尝试构建DNA双螺旋结构，既激发学生学习的兴趣，培养学生收集和处理信息的能力，还有助于培养学生的推理与演绎、归纳和创造的科学思维能力，在互助合作中学会研究问题的科学分析方法，体验科学发现是多学科融合的结晶，养成不畏艰险、持之以恒的科学精神。

2.1.1初识衍射图谱，推测DNA的空间结构

1951年之前，科学界的普遍认知：DNA是由脱氧核苷酸组成的，结合生物学必修1核苷酸的学习，同学们初步认知每个小组所提供的模型材料（小白球代表磷酸、五边形体代表脱氧核糖、红色、黄色、蓝色、绿色、塑料短圆柱分别代表A、C、G、T四种碱基，白色小细短棒代表连接的化学键，根据对DNA的已有学习，构建4种脱氧核苷酸模型。

随后，教师展示科学证据1，1951年春天，物理学家莫里斯·威尔金斯在意大利那不勒斯的一次生物大分子结构会议上展示了他和同事英国女科学家富兰克林应用X射线衍射技术获得的一张DNA的X射线衍射图谱﹐那么DNA的结构会是怎样的呢？展示富兰克林依据实验数据和图案对DNA结构的推测：DNA可能具有螺旋结构。此推测会涉及物理化学知识，首先向学生介绍×光衍射是一种基于物理现象的分析方法，由于x射线的波长特性和穿透性，该方法通常用于分析晶格结构。然后结合物理课堂所学的光的衍射知识，组织学生借助小弹簧和光束进行了光的衍射演示实验，观察衍射图案和小弹簧的形态，尝试理解科学家的推理：DNA具螺旋结构。

2.1.2跟随沃森和克里克脚步，搭建DNA单链，尝试构建DNA的双螺旋和三螺旋结构

建模能力被认为是将来学生从事科学探究的必备能力，在此模型构建活动中，学生先把已构建的脱氧核苷酸连接成一条单链，发现很难螺旋起来，于是教师展示科学证据2，1951年秋天，沃森和被DNA结构之谜深深吸引的克里克在英国卡文迪什实验室相遇，他们根据富兰克林对DNA空间结构的推测以及键距的数据等资料尝试构建DNA的双链和三链模型，他们是如何构建的呢？鼓励同学们进行讨论，先尝试双链模型的构建，根据每小组已构建的核苷酸长链，进行跨小组合作，把两组的核苷酸链进行螺旋，同学们的构建分成了两类：1.脱氧核糖和磷酸排在内侧;2.含氮碱基排在内侧。此时教师继续展示科学证据3，富兰克林研究发现DNA结构为螺旋型，结构是双链，有对称轴，DNA分子中的磷酸根基团暴露在水中。同学们根据科学实证进行模型修正，完成碱基排在内侧的双链模型，肯定学生的模型构建、修正与沃森和克里克推测构建的模型一致。那么，两条链中排在内部的碱基是如何建立联系的呢？

2.1.3结合格里菲斯和查哥夫的发现，再度调整双螺旋模型

本节模型构建的跨学科实践教学目标之一，帮助学生体验科学发现是一个不断修正完善的过程。在活动环节二，同学们构建的双链碱基对应关系有多种：嘧啶和嘧啶配对的、嘌呤和嘌呤配对的;嘌呤和嘧啶配对的;相同碱基配对的;此时教师展示科学证据4，1.格里菲斯计算DNA分子中堆在一起的碱基之间的吸引力得出，用氢键相连的碱基分子是靠在一起的，嘌呤有吸引嘧啶的趋势。2.1952年春天，痴迷于DNA螺旋结构建构的沃森和克里克从奥地利生物化学家查哥夫处获悉：在DNA中，嘧啶碱基和嘌呤碱基之间的比例是恒定的，组成DNA的四种碱基中腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）数量相等，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）数量相等。小组据此再次讨论两条链碱基之间的关系，老师引导出氢键、碱基对、碱基互补配对原则等概念。

小组同学合作共同修正各自小组构建的DNA模型，搭建出磷酸和脱氧核糖交替排列在外侧，碱基按照A与T配对，G与C配对的方式排列在内侧的双链结构，师生交流，提醒两条链的方向问题，至此同学们完成了DNA双螺旋结构的探究及构建历程。

教师补充资料：1953年，沃森与克里克成功构建了两条链反向平行的DNA分子双螺旋结构模型，并将这一研究成果发表在《自然》杂志。1962年，沃森、克里克和威尔金斯三人因这一研究成果共同获得了诺贝尔生理学和医学奖。

2.2观察已构模型，尝试总结DNA结构的特点

模型与建模是培养学生科学思维的基础，通过观察模型并尝试总结特点，有助于学生更好地理解所构建模型并加以应用。本节课学生动手制作的DNA分子双螺旋结构模型为物理模型，通过模型的构建，使学生能够像科学家一样了解知识的运作和产生，能够形象直观地将系统的内部动态和功能动态联系起来进行生动的学习。结合科学史完成DNA的模型建构后，教师呈现下列问题串：1.观察并说出DNA的空间结构特点，组成DNA分子的脱氧核苷酸链的方向、游离的磷酸数;2.观察并说出DNA分子中脱氧核糖、磷酸、含氮碱基的分布情况，三者的数量关系;3.观察并说出组成DNA分子的两条脱氧核苷酸链之间如何连接，遵循什么原则;4.推测DNA分子双链间不同碱基对中的氢键数是否相同，他们和DNA分子空间结构的稳定有何关系;5.各组制作的模型是否相同？各组模型混合在一起时，能否辨认出自己的模型？依据是什么？同学们结合问题串分组讨论，交流汇报，概括DNA的分子结构特点。结合问题5，教师引导学生总结出：每组所构建模型具有不同的碱基排列顺序，体现了DNA分子具有多样性;每小组可以找到自己建构的模型，是根据特定的碱基排列顺序，这是DNA分子的特异性。最后，引导学生观察课本中DNA分子结构模式图，总结出脱氧核苷酸之间靠磷酸二酯键连接，两条链的碱基间靠氢键连接，且GC对间3个氢键，AT对间2个氢键，DNA分子的两条反向互补链的5，端各有一个游离的磷酸基团。

2.3分析结构模型，尝试构建双链DNA中碱基的相关数学计算

知识点“碱基互补配对原则”在“DNA分子结构与复制”知识运用中是一个重点，相关计算也是一个难点，不少学生由于方法不当，经常出现错误。在实际教学中，我们通过构建数学模型，DNA分子的相关计算问题迎刃而解。本节课在学生认知DNA分子结构特点的基础上，及时引导学生分析DNA分子碱基的数学关系，通过绘制“万能公式（双链DNA）”<J：＼2022年第6期＼内芯＼6.10-1.jpg>讨论总结碱基数量的有关计算结论：1.双链DNA中，Tα+β=Aα+βGα+β=Cα+β;

2.即任两种非配对碱基之和的比值在两条链互为倒数，任两种配对碱基之和的比值在两条链中相同;3.，即任一条链中两种配对关系的碱基之和占该链的比值等于另一条链的相应比值，也等于整个DNA分子中的相应比值，4.，即任一种碱基占相应链的比值之和等于整个DNA分子中该种碱基所占比例的2倍。

通过以上碱基数量关系的分析和总结，学生的数学思维得到了训练，配有典例进行训练和计算，在后续的DNA复制和基因表达的相关计算问题将会迎刃而解。

3.教学实践反思

DNA的结构是高中生物学必修2以及选修3的基因工程等内容学习的基础，也是跨学科融合教学典型素材，本节课借助物理、化学、数学等跨学科知识，通过对DNA分子双螺旋结构模型的建构，大胆地改为探究型模型构建，学生跟随教师提供的证据资料，主动获取知识、参与模型构建，在互助合作中体验沃森、克里克的模型建构历程，尝试基于证据进行重复建模验证、修改模型、最终完善模型，以及体会总结DNA结构特点，并初步尝试DNA分子结构的相关计算的学习活动，有助于学生在发现问题，分析问题，解决问题的实践过程中培养科学探究能力，发展科学思维，形成生命观念，实现了2019年颁布的《中国高考评价体系》中指出的当前高考评价体系的改革将由传统的“知识立意”“能力立意”评价向“素养导向、能力为重、知识为基”综合评价的转变。

（基金项目：江苏省苏州市教育科学“十三五”规划课题“基于STEAM理念的探究实验课例的行动研究”，No：192005223。）