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5E教学模式应用于高中生物核心概念的教学

作者:jiaoshilw.com 更新时间:2018/2/5 15:42:21

 5E教学模式是美国生物学课程研究(BSCS)开发的一种基于建构主义理论和概念转变理论所开发的一种教学模式,该模式将课程分为参与(engagement)、探究(exploration)、解释(explanation)、拓展(elaboration)及评价(evaluation),简称5E教学模式。“参与”是5E教学模式的起始环节,通过创设问题来激发学生对学习内容的兴趣。问题情境可与课程内容和教学任务联系起来,尽量与学生的生活实际相联系,激发学生主动探究,自觉构建知识。“探究”是5E教学模式的中心环节,新课程提倡学生是主体,教师是引导者和组织者。这一环节就要求教师根据学生的认知冲突,引导学生进行探究。教师只需对学生思维活动进行适当引导,使学生能掌握准确的生物学概念。“解释”是5E教学模式的关键环节,教师要引导学生对探究结果进行分析和解释,让学生展示其对概念的理解、看法及认识,对学生的解释进行综合分析。“拓展”是在学生理解了新概念的基础上进行的,教师在此基础上对新概念作进一步深化、迁移到与此概念相关的知识,并与之建立某种联系,扩充概念的基本内涵,发展学生对概念的理解和应用技巧。“评价”是5E教学模式的最后环节,教师通过检测或提问的方式对整个教学活动做最后的评估,判断整个教学活动的优缺点,提供一个评估自己教学能力的机会。 
  此教学模式不仅可以提高课堂教学效率,而且有利于学生学习能力及沟通能力的培养,充分体现和尊重学生课堂主体地位。现以“DNA复制”一节教学为例,阐述5E教学模式在高中生物学教学中的实践探索。 
  1 分析教学内容,把握核心概念 
  “DNA复制”是浙科版高中生物必修二第三章第三节内容,本节的教学重点是DNA的复制方式和复制过程,教学难点是探究DNA的复制方式。教师在授课时,可以用教材第61页的“活动”和第64页的“小资料”为背景,展开探究式教学,并设置一定的问题情境,引导学生对实验进行分析,进而理解并掌握核心概念。 
  2 实施教学过程,准确构建概念 
  2.1 激发学生參与学习 
  参与课堂教学环节的活动形式有多样,教师可以提供问题情境,展示相异事件,以吸引学生参与课堂的注意力和激发学生学习兴趣。学生通过“DNA结构”一节的学习,已经明确DNA分子结构的多样性和特异性,DNA两条链之间碱基互补配对和反向平行的概念。但在学习DNA复制时,学生很难理解半保留复制时母链和子链之间的反向平行与DNA复制方向的矛盾。因此教师教学中应该为学生提供暴露这些已有知识的机会,以此激发学生的学习兴趣,积极参与课堂学习。 
  2.2 实施探究学习活动 
  《普通高中生物课程标准(实验)》倡导研究性学习来促进师生互动、生生互动,在此过程中不断完善、重组或细化学生已有的认识,使学生对某个概念的认识更丰富、更准确、更清晰。科学探究活动要求学生能够提出和分析问题、设计和实施方案、查找证据及分析数据,然后用证据进行解释、表达和交流。 
  活动1:教师从复习旧知导入新课,首先出示DNA分子结构模式图,组织学生复习巩固DNA分子结构的主要特点和遗传信息的概念,为本节课学习DNA复制即遗传信息的传递作铺垫。教师引导阅读教材,思考问题:① 作为遗传物质,DNA分子能贮存大量的遗传信息,这些遗传信息如何从亲代传递给子代呢?引出DNA复制的概念。② DNA复制的场所在哪里?③ 一个DNA分子有两条多核苷酸链,复制一次后能形成几个DNA分子?得到几条链? 
  学生通过教材阅读,归纳出DNA复制的概念:以原来DNA分子为模板合成相同分子的过程;关于DNA复制的场所问题,学生结合已学的细胞结构知识,原核生物的DNA场所在拟核,真核生物DNA主要存在于细胞核,从而判断不同细胞DNA复制的场所不同。针对第③题,教师可以引导学生计算并回答,检测学生对DNA复制概念的掌握程度。 
  教师通过设疑:DNA真是一种能自我复制的分子吗?DNA的复制方式及过程又是如何的呢?引出对DNA复制的探究。 
  活动2:教师引导学生回忆DNA复制的时间和场所,进而提出探究问题:完成DNA复制还需要哪些条件呢? 
  教师呈现资料:1958年美国生物化学家kornberg的设想:细胞内必有合成DNA所需要的一系列酶,所以他将大肠杆菌细胞破碎后,在其中加入4种脱氧核苷酸(实际上是4种脱氧核苷三磷酸),对其中一种核苷酸用同位素进行标记,经保温孵育后测定DNA含量,发现并没有DNA合成。再加少量DNA作为复制的模板和ATP,然后将上述混合液置于适宜温度下孵育一段时间,发现放射性标记已经进入DNA,说明有新的DNA合成。Kornberg测定了新DNA的碱基排列顺序,发现它们与模板DNA上的碱基序列非常相似,由此说明了DNA复制需要的条件。 
  根据资料,再结合必修2课本P63内容,学生能答出:如果要在生物体外完成DNA复制,必须具备模板、四种脱氧核苷酸、能量和酶(后者由大肠杆菌研磨液提供)。这类结论的得出也可通过分析教师预设的问题:① 事先加入的4种脱氧核苷酸起什么作用?② 大肠杆菌研磨液为DNA复制提供了什么条件?③ 如果不加“模板”DNA,那么新DNA可以合成吗? 
  活动3:为了充分给予学生探究发现的机会,教师设置问题情境,引导学生思考:你认为DNA复制的方式可能是怎样的呢?组织学生分组讨论DNA复制方式、子代DNA可能的链的组成。教师可引导学生用磁性贴纸或简笔画图进行分析,择优展示。之后可让学生展示各自讨论的结果,进行自评和互评。讨论的结果大体有两种设想:全保留复制和半保留复制。  教师呈现资料:1953年,Meselson和Stahl利用氮的同位素15NH4Cl为唯一氮源的培养基中生长,经过连续培养12代,从而使所有DNA分子标记上15N。15N-DNA的密度比普通14N-DNA的密度大,在氯化铯密度梯度离心时,这两种DNA形成不同的区带。如果将15N标记的大肠杆菌转移到普通培养基(含14N的氮源)中培养,经过一代以后,所有DNA的密度都介于15N-DNA和14N-DNA之间,即形成了一半含15N,一半含14N的杂合子,两代后,14N-DNA和14N-15N-DNA杂合子等量出现,若继续培养,可以看到14N-DNA分子增多,当把14N-15N杂合分子加热时,它们分开成14N链和15N链,这充分说明了,在DNA复制时,原来DNA分子均可被分成两个亚单位,这些亚单位经过多代复制后仍保持完整性。 
  据此史料,学生推测DNA分子复制过程为半保留复制,即子代DNA分子中仅保留一条亲代链,另一条链则是新合成的(可用磁性贴纸模拟,教师择优展示)。 
  活动4:教师提出当年科学家的一个疑问,也是最初否认双螺旋结构的原因:他们认为复制对于双螺旋结构来说是个困难,比如DNA全部打开后,很可能发生打结以及单链配错的情况。该史料让学生形成认知冲突,之后教师展示DNA复制过程的动画并让学生思考:DNA复制究竟是一个怎样的过程呢? 
  教师呈现资料:1963年,Cairns用放射自显影的方法第一次观察到完整的正在复制的大肠杆菌DNA,他将3H-脱氧核苷标记大肠杆菌DNA,然后将大肠杆菌的细胞璧去除,使完整DNA释放出来,铺在一张透析纸上,在显影后的片子中看到大肠杆菌DNA的全貌,用这种方法Cairns阐明了DNA复制以半保留的方式进行复制,并且是边解旋边复制方式进行的。 
  学生已经学过DNA分子结构,再结合半保留复制特点,利用所学知识进行推理并建构新的知识。学生观看DNA复制过程视频教师指导学生阅读教材P63,对文中的语句表述进行解释。随后,师生共同梳理DNA复制过程。 
  通过上述问题的讨论,学生对DNA复制过程大致有框架,只要完整的语言表述出来即可:DNA复制过程包括解旋、合成子链、形成双链DNA分子;而所谓的模板即是能提供合成一条互补链所需精确信息的核酸链。 
  对DNA复制过程的学习是以问题串形式引出,史实资料呈现证据,学生根据课本内容进行推理分析得出。这一方面体现了教师“用教材教”,另一方面这也能进一步培养学生分析实验的能力。 
  2.3 引导学生解释概念 
  解释环节是考验探究性学习过程有效性的阶段,使新概念过程或方法明确化和可理解化的过程。教师可以通过学生练习、解释等形式,给学生表达其对核心概念理解的机会,从而了解学生对核心概念的掌握程度。如在本节中,教师可根据课本中的核心概念,设置以下习题: 
  ① 如果用同位素32P标记一个噬菌体内的双链DNA分子,然后让它侵染大肠杆菌,最后释放出400个后代,则其后代中含有32P的噬菌体应占总数的 
  。 
  ② 某DNA分子的一条链上某个碱基由“G”突变为“C”,则该DNA复制n次,碱基序列发生改变的DNA占总DNA分子的 。 
  对①,学生根据核心概念“半保留复制”可知,400个后代中含有32P的噬菌体有2个,故应为0.5%;②考查对“模板链”的理解,题中一条模板链的碱基发生改变,则以这条链为模板合成的子链碱基均发生改变,故应为1/2。 
  2.4 促进概念迁移 
  学生初步掌握“DNA复制”“半保留复制”“模板链”等核心概念后,教师应创设问题情境,让学生明确核心概念的内涵及外延,促进概念的应用与迁移。教师可呈现以下资料,供学生讨论。 
  教师呈现资料1:1974年,Korenberg和Freedlender用姐妹染色单体色差法证明了半保留复制。在DNA复制过程中用胸苷尿嘧啶的类似物5-溴脱氧尿嘧啶(简称BUdR)掺入到新合成的DNA中,使新合成链中的T被BUdR所取代。这样母链中含有T,而新合成链中的T被BUdR取代。在掺入BUdR后经紫外光的照射,可损伤含有BUdR的双链,这样再用Giemsa染色,只有含T双链或T-BUdR杂种链可被染色,而BUdR双链则因DNA破坏染不上色。这样在荧光显微镜下可观察到两条姐妹染色单体有无荧光,这个实验可以直接观察结果。 
  针对资料,教师可以提出以下问题供学生讨论分析:① 经紫外线照射自显影后,第一次有丝分裂中期,每个染色体的两条染色单体中有几条被标记?到第二次有丝分裂中期,每个染色体有几条染色单体被标记?到第三次有丝分裂中期,又有几条染色单体被标记?② 上述结果说明了什么问题?③ 如果是到第一次至第三次有丝分裂后期,被标记的染色体又有几条呢? 
  教师呈現资料2:1958年H.Taylay用3H标记蚕豆根尖细胞的DNA,通过放射自显影技术证实了真核生物的DNA复制也符合半保留复制模型。每条染色体含有一条双链DNA分子,Taylay用3H标记蚕豆根尖细胞的DNA(标记双链),然后将细胞置于不含放射性的培养液中,让细胞进行有丝分裂。第一次有丝分裂中期,染色体全部有标记;第二次有丝分裂中期,染色体也全部有标记;后期细胞两极的放射性强度没有第一次有丝分裂后期强。 
  针对资料,教师可引导学生对DNA半保留复制过程和结果进行分析,可以提出以下问题供学生讨论:① 第一次有丝分裂、第二次有丝分裂、第三次有丝分裂中期细胞内染色体的染色情况如何(主要指各个染色体的染色情况和每个染色体的两个姐妹染色单体的染色情况)?② 这样的染色结果支持半保留复制模型吗?如何解释? 
  教师呈现资料3:由于DNA的两条链都可以作为模板而复制是从特定的复制起点开始双向复制,起点的一侧为3′→5′方向,另一侧为5′→3′方向,在3′→5′模板链上,子代DNA链可以连续复制,速度较快。而以5′→3′DNA链为模板合成的3′→5′互补链,不能按3′→5′方向进行,故必定要按照5′→3′方向先合成一系列较短的DNA片段,再连接起来,这种片段称之为冈崎片段,是由1968年冈崎、及其同事进行一系列实验证实的。 通过对资料1、2的分析,学生明确了原核生物和真核生物DNA复制过程一样,但复制后DNA存在的位置有差别,这可以从资料中的荧光标记和放射性标记中可以看出。资料3很好地解释了文首制造的认知冲突,起到首尾呼应的效果。 
  通过上述问题的解决,学生既可以学习实验思路和方法,并得到发散思维的训练,也训练和提高了学生的推理分析能力。同时资料1又向学生介绍了一种新的实验方法,让学生从一个新的角度进行科学方法的训练,体验了科学家的智慧,并使所学的知识得到应用和迁移。 
  2.5 评价概念学习 
  经过上述4个环节的教学,学生对于遗传信息的表达过程中所涉及的核心概念及其统领的普遍概念的理解已经较为深刻。这时,教师可以精选几道练习题观察学生对所学概念的理解,并综合评价,一方面保证概念教学目标的达成,另一方面也有助于改进概念教学 
  ① 假设一个双链均被32P标记的噬菌体DNA由5 000个碱基对组成,其中腺嘌呤占全部碱基的20%,用这个噬菌体侵染只含32P的大肠杆菌,共释放出100个子代噬菌体。下列叙述正确的是( ) 
  A. 该过程至少需要3×105个鸟嘌呤脱氧核苷酸 
  B. 噬菌体增殖需要细菌提供模版、原料和酶等 
  C. 含32P与只含32P的子代噬菌体的比例为1∶49 
  D. 该DNA发生突变,其控制的性状即发生改变 
  ② 下列叙述中错误的是( ) 
  A. 图中DNA分子复制是从多个起点同时开始的 
  B. 图中DNA分子复制是边解旋边双向复制 
  C. 真核生物DNA分子复制过程需要解旋酶 
  D. 真核生物的这种复制方式提高了复制速率 
  3 反思教学过程,完善5E教学模式 
  本节课上,教师通过组织学生分组讨论、动手作图和制作模型、分析史料推测并提出DNA复制方式,学生主动参与学习过程,自行分析资料、推断及推测实验结果、最后得出结论。学生不仅从中获得生命科学的基础知识,同时领悟科学家在對DNA复制过程的研究运用的科学技术以及解决问题的思路和方法,逐步养成科学思维的习惯。本节课采用的5E教学模式的教学目的正是如此,该模式不仅要求学生在与学习内容、教师和其他同学等互动过程中构建、重组与修正自己对生物学概念的认识,而且在动手和动脑过程中,最终达到提高学生生物素养这一核心目标。 
  由于DNA分子比较微小,肉眼不可见,本节课采用磁性贴纸模拟DNA复制的慢动作,辅助多媒体演示,结合科学史实的证据说明,再设置一系列的思考分析回答,将生命科学的微观领域的知识可视化,很好地突破了教学重点和难点。在具体教学过程中,教师要把握好时间,因为本节设计的探究活动较多,所以可以将5E中的最后一个环节“评价”作为课后作业,以保证本课结构的完整性。 
  参考文献: 
  [1] 刘本举.“DNA的复制”科学史的分析与教学建议[J].生物学通报.2014,49(3):30-33. 
  [2] 郝雪等.“遗传信息传递”的教学组织[J].生物学通报.2012,47(4):19-21. 
  [3] 沈同,王镜岩.生物化学[M].北京:高等教育出版社,1991. 
  [4] 吴相钰.必修2·遗传和进化[M].杭州:浙江科技出版社,2014.