1. 引言
《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》明确指出，对学生科学思维的培养是要提升其运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力[1]。新课标强调学生的主体地位，提倡教育教学从学生生活经验出发，组织学生开展探究性的自主观察、自主思考、自主提问等多元化的主动学习活动，培养学生运用科学手段解决现实生物学问题的能力[2]。为实现新课标提出的培养要求，教师需围绕确切的教学目标，选择契合“学生中心”的教学模式，在此基础上开展有效教学，促进学生生物学科核心素养的发展。7E教学模式符合教学需求，因而将其应用于高中生物学教学工作中并以“DNA的复制”为例进行阐述。
2. 7E教学模式与科学思维
2.1. 科学思维
科学思维是生物学学科核心素养的要素之一，培养科学思维已成为生物学课程的重要内容。新课标中明确指出学生应该在学习过程中逐步发展科学思维，如能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法，探讨、阐释现象及规律，审视或论证生物学社会议题。生物学教师必须把课标中的科学思维与生物学的具体内容结合起来，凸显生物学学科中的科学思维所具有的特征属性[3]。教师要重视生物学概念的教学，注重引导学生在事实基础上通过抽象和概括等思维建构概念。在教学过程中将科学思维与科学史、探究活动、模型建构等有机结合起来，通过分析科学家的实验和亲身参与探究活动，在获取证据、逻辑推理等方面提升能力[4]。
2.2. 7E教学模式
“7E”教学模式是以探究为基本方式，围绕新概念展开以小组合作学习为基本组织形式的活动，要求学生主动思考、积极回答、敢于展示、大胆质疑，以促进学生建构生物学概念的学习过程[5]。其包括激发(Elicit)、参与(Engage)、探究(Explore)、解释(Explain)、精致(Elaborate)、延伸(Extend)、评价(Evaluate) 7个环节。该模式聚焦“围绕探究活动开展主动性学习”的理念，强调从学生现有的知识基础出发，贴近生活实际，培养学生将所学新知应用于解决实际问题的能力，这与新课标对科学思维的要求与教学建议高度契合[6]。
3. 《DNA的复制》教学设计
3.1. 教材分析
本节课是人教版(2019)必修二《遗传与进化》第三章第3节的内容，承接着前两节中对于DNA功能、DNA结构的学习，对DNA分子如何发挥“遗传”作用做出了解释，阐述了DNA通过半保留复制将遗传信息从亲代传递给子代，保持了遗传信息的连续性，并从分子层面阐述遗传物质的本质，体现了科学探究的内在逻辑，也符合学生学习的内在逻辑。同时本节也是学习第四章《基因的表达》、第五章《基因突变及其他变异》的知识基础。
3.2. 学情分析
本节课的授课对象是高一学生，在前段时间的学习中已系统明确了假说–演绎法基本步骤，并可运用其解决新问题，也知晓DNA作为遗传物质在亲子代之间传递遗传信息的作用以及DNA的空间结构。同时高中学生思维活跃，具备一定的抽象思维能力，对生物学具有较强的求知欲和好奇心，且学生制作过有丝分裂、减数分裂及DNA双螺旋结构模型，具有动手操作与合作探究能力。但由于思维的活跃性及知识基础的薄弱，学生在进行学习时往往抓不住重点，只注重模型建立和讨论过程的参与感，容易导致小组讨论效率低、结论缺乏完整性等各种问题。且学生归纳思维受限、实证意识不敏锐，需要教师的进一步培养。
3.3. 教学重难点
教学重点：运用假说–演绎法探究DNA的复制方式。
DNA复制的条件、过程、特点。
教学难点：运用假说–演绎法探究DNA的复制方式。
DNA复制的过程。
3.4. 教学方法
讲授法、探究合作法、问题驱动法、模型建构法、资料分析法。
3.5. 教学目标
1) 阐述运用假说–演绎法进行科学探究的基本思路，基于假说进行演绎推理，预测半保留复制、全保留复制的实验结果，提升逻辑思维能力和科学探究能力。
2) 借助模型重现科学家探究过程，小组合作构建DNA复制方式、DNA复制过程的模型，在动手操作中内化知识，在交流展示中评估模型，发展批判性思维，提升合作交流能力。
3) 对DNA复制过程的资料进行分析整理，提取关键信息，加深DNA复制过程相关知识的理解，提高归纳分析的理性思维，认同科学探究是一个不断深化的过程。
4) 基于DNA的结构特点以及半保留复制机制的理解，进一步形成结构与功能相适应的观念，明确DNA准确复制是遗传信息稳定传递的基础，理解生命的延续与发展。
5) 将DNA复制有关知识运用到新冠病毒的核酸检测中，认同科技进步对社会发展的重要作用，联想PCR技术在日常生活中的应用，形成知识与生活相关联的观念。
3.6. 教学过程
3.6.1. 激发
展示DNA双螺旋结构模型，带领学生回顾DNA结构特点。
展示沃森、克里克《核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型》论文结尾的一句话，引导学生通过这句话及DNA的结构特点去思考DNA复制的可能方式是什么。
【设计意图】激发环节最重要的在于激发学生学习动机，暴露前科学概念。通过观察DNA结构模型，回忆上节课学过的DNA结构旧知识，从熟悉的知识设置疑问，有利于降低学生学习难度，利于本节课的开始。且提出沃森、克里克论文的最后一句话设置悬念，引起学生强烈好奇心，勾起学生对DNA如何复制的探索欲望。
3.6.2. 参与
【简化问题】如果以一条单链为单位组成2个DNA分子，复制一次共四条链有几种组合方式？请同学上台利用模型进行组合。完毕后教师肯定学生的答案，对照其组合方式，归纳图1中半保留复制和全保留复制两种假说。
Figure 1. The two hypotheses of semi-conservative replication and conservative replication
图1. 半保留与全保留复制的两种假设
【设计意图】简化问题，限制条件，引导学生自己提出假说。教师为学生搭建恰当的“脚手架”，将DNA如何复制转化为4条单链如何两两组合形成新的DNA分子，将复杂的大问题分解为简单易懂的小问题，避免学生因问题超出自身思考能力而产生挫败感。
3.6.3. 探究(模型建构)、解释
探究为中心环节，在探究过程中结合模型建构，让学生充分发挥主观能动性进行讨论交流、合作学习。通过“探究–建模–解释–验证–修正”，将所学内容从记忆层面转化到应用层面，让知识不再浮于表面，而是真实提高学生比较分析、归纳推理的能力，强化其批判性思维，培养其科学精神与实证意识。
到底何种假说是正确的？这两种假说虽然只是人们对于DNA复制方式的推测，但每一种假说的提出都值得被尊重，在有确凿的证据证明之前都有可能是正确的。要想确定假说的准确性，必须要通过实验来进行验证。具体教学环节如表1所示：
Table 1. Teaching process of exploration and explanation
表1. 探究、解释教学环节
教师活动 |
学生活动 |
设计意图 |
【演绎推理】引导学生思考如何设计实验进行探究，利用问题支架帮助学生梳理实验思路，确定实验流程。 【提问——明确实验思路】 1.半保留复制和全保留复制最大的区别是什么？ 2.怎样区分母链和子链？ 【教师活动】具体讲解实验流程，并带领学生一起标注亲代及复制第一次的DNA分子每条链的标记情况。 |
积极思考、回答问题，说出每条链的标记情况。 |
寻找最近发展区，通过问题支架引导，将复杂问题情境的任务分解，明确实验思路和实验流程。 |
【探究活动一】小组合作，构建按照半保留、全保留方式复制第二次的DNA模型图，并标注每条单链的标记情况。 【教师活动】请两个小组的代表上台演示DNA模型图和标记情况，并进行解释。教师和其他同学对此进行评价和完善。 【提问——明确密度梯度离心法】 1. DNA分子全部混在一起，如何进行区分？ 2. 三种标记的DNA分别会停留在试管哪个位置？ |
小组合作，构建模型，进行标注。结合噬菌体侵染细菌实验中用到的方法思考分离方式。 |
分布演绎，化繁为简，将实验步骤进行拆分，深化对概念的理解。 |
【探究活动二】小组合作，请画出离心后亲代到复制第二次DNA在离心管中的条带分布情况。 (a) 探究活动二 【实验验证】展示梅塞尔森和斯塔尔的实验结果图，请学生将两种复制方式的推理结果与实验结果图进行对比。 (b) 实验结果图 【得出结论】DNA的复制以半保留的方式进行。 |
与小组间谈论交流，拖动不同颜色的条带将其放入正确位置。对比台上同学的答案对自身答案进行修改或补充。 对照梅塞尔森和斯塔尔的实验结果图，得出半保留复制正确的结论。 |
根据密度梯度离心法对每一代DNA的条带分布情况进行演绎，训练学生逻辑思维，帮助学生体会演绎推理思维的魅力。 利用真实实验证据做对比，亲历科学家路程，培养学生实证意识、科学思维，从科学证据出发，拒绝无理由猜测。 |
【DNA的复制过程】DNA分子是如何实现自我复制将遗传信息传递下去呢？利用四大问题、四则资料帮助学生梳理DNA复制过程。 【问题1】DNA复制发生的时间和场所？(思考真核、原核生物的区别) 资料1：科学家将变形虫放在标记过的脱氧核苷酸培养液中，一段时间后在细胞核中首先发现有标记的DNA分子。 资料2：科学家分析得知，在细胞分裂间期时细胞中脱氧核苷酸含量开始时很低，不久急剧增加，后又逐渐降低到初始水平。 【问题2】DNA复制时，双螺旋需要打开吗？破坏什么结构？ 资料3：科学家们寻找到一种酶，它能够在DNA复制时破坏互补碱基对的氢键结构而打开DNA双螺旋结构，这种酶被称为解旋酶。解旋酶沿着核酸链定向移动，并利用ATP水解提供的能量打开互补的DNA双链，获得单链。 【问题3】如何合成子链？需要什么物质？ (c) 资料4 【教师活动】讲解“DNA聚合酶的特点”引出子链的正确延伸方向。 【问题4】子代DNA的空间结构如何形成？ |
分析资料，区分原核生物及真核生物在复制场所的不同。对材料进行关键信息的提取总结，解答当前问题。 |
改变传统讲授法机械记忆的方式，提供相关资料让学生分析，提炼关键信息，进行知识学习。提高学生自我归纳能力，突出学生的主体地位。搭建问题支架解决复制过程的几大关键性问题。 |
【探究活动三】小组合作，利用各组上节课制作的DNA结构模型，根据上述信息构建DNA复制过程的模型。 (d) 制作的DNA结构模型图 【教师活动】播放DNA复制的视频，对照视频和学生展示的模型再次讲解，请同学们对模型进行修正和完善。 视频来源： https://www.bilibili.com/video/BV1ssLoz4E5j?vd_source=c4f9254b13eaf153a8dffd37f3d40112 |
小组合作，利用手中建造的模型模拟DNA复制过程，注意其中关键步骤。 学生观看视频，修改模型，再次明确DNA复制过程中的重要知识点。 |
通过自己制作的模型进行知识的二次构建，可加强学生的成就感。微观变宏观，将枯燥无味的记忆性知识转化为具体操作流程，增强知识趣味性，有利于知识的内化。 动静结合，化静为动。通过自己模型演示后观看视频，修正模型演示过程中的错误之处。抽象变具体，直观清晰展示DNA复制过程。 |
3.6.4. 精致
通过模型的构建和DNA复制过程的学习，你认为DNA能够准确复制的原因是什么？它的精确复制有何生物学意义？
【设计意图】精致环节在于对新概念持续深入地进行挖掘，扩展DNA复制内容的深度和广度，促进学生知识体系的构建和发散思维的形成，教师要引导学生将生物学概念内化并应用于更深层次的理解。
3.6.5. 延伸
教师展示图2并提问：
1) 新冠病毒核酸检测试剂盒中可能有什么成分？
2) 你认为PCR技术还可以应用在哪里？
Figure 2. PCR technology
图2. PCR技术
【设计意图】结合学生经历过的核酸检测吸引注意力，使学生运用本节课所学DNA复制的条件解决实际问题，即PCR要完成DNA的扩增需要添加哪些物质，培养知识迁移能力，形成社会责任的意识。教师引导学生将科学概念应用于“核酸检测”情境中，检测学生对本节知识的掌握程度。
3.6.6. 评价
评价不可单一模糊，需做到总结性评价和形成性评价相结合，将评价贯穿整个教学过程。本节课的评价维度设计符合新课标提出的评价理念，具体评价内容如表2所示。通过教师评价、学生互评、学生自评等方式对探究过程表现和实践作业等进行评价，形成多元化、全面化的评价体系。教师根据评价结果发现学生问题，调整教学策略以提升教学效果，实现“教”与“学”的共同提升。
Table 2. Teaching evaluation form
表2. 教学评价表
评价维度 |
评价内容 |
自我评价 |
组内评价 |
教师评价 |
学习态度 |
上课认真，能够按时完成课后作业。 |
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目标明确，积极参与资料搜集、整理、分析。 |
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主动参与小组合作活动，独立承担分任务。 |
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思维状态 |
认真思考，有理有据。 |
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能够把所学知识迁移到新情境中，解释新问题。 |
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思路清晰，能从不同角度进行分析论证。 |
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探究能力 |
勇于表达自己的观点。 |
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能与小组的其他成员展开积极交流，贡献自己的观点。 |
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善于倾听、尊重他人，虚心听取他人的意见进行反思。 |
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备注 |
评价分为A、B、C、D四个等级，分别代表优秀、良好、合格、有待提高。 |
3.7. 小结与作业
1) 小结
教师带领学生回顾“假说–演绎法”在探究DNA复制方式的应用，请同学们总结DNA复制过程的重点内容。
【设计意图】小结是课堂结束前的点睛之笔，通过对核心知识点的总结归纳，帮助学生将零散信息结构化，加深知识的理解记忆从而形成自己的知识脉络。教师观察学生回答情况可判断教学目标是否达成，以便于及时调整当前教学进度。
2) 作业
请同学们梳理本节课知识，构建DNA复制过程的思维导图。查找PCR技术在现实生活中还有哪些应用，下节课进行小组展示。
【设计意图】作业为学生提供了重复练习和深入思考的机会，学生在课下按照自己的理解绘制思维导图，可以将这些复杂分散的知识串联起来，将其形成完整的知识体系，梳理出各部分内容的逻辑关系。
3.8. 板书设计
板书分为两部分内容(图3)。第一部分“探究DNA的复制方式”下栏给学生留有张贴空间，方便学生根据探究活动建构相关模型并展示，第二部分“DNA复制过程”采取提纲式板书罗列重要知识点，以层级结构呈现该部分知识框架，清晰直观。
Figure 3. Blackboard design for DNA replication
图3. DNA的复制板书设计
4. 结语
新课标强调了培养学生科学思维的必要性，而7E教学模式凭借其独特优势，在科学思维素养的培育与提升方面发挥着不可忽视的重要作用。本文根据新课标要求，在“7E”教学模式的指导下开展《DNA的复制》教学，期间穿插模型建构方法，为科学思维的教学提供一种具有理论依据和潜在价值的教学路径。教师在教学中利用科学史创造真实历史情境，从沃森与克里克发现的DNA结构模型导入课堂引起学生探索兴趣，根据梅塞尔森、斯塔尔实验过程的重难点创建合适的问题支架用以激发学生学习热情，引导学生积极参与课堂，设置各种探究活动使学生身临其境地参与其中又可发展其科学思维，实现整节课“DNA的复制”相关概念的建构，促进学生能力与思维的良性发展。教师在未来的生物学教学中，应重视并充分应用7E教学模式，推动学生生物学学科核心素养的全面提升[7]。
基金项目
本文受河南省研究生教育改革与质量提升工程项目(YJS2025KC33)的资助。
NOTES
*通讯作者。