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项目负责人：陶睿
项目成员：孔令瑶 张玉延
指导老师：彭湃
摘要： “DNA制造工厂”是基于将科普场馆展品扩展至学校日常教学的理念而设计的一项展品。本展品将难以观察的抽象知识转换为直观易懂的互动展品模型，运用模型教学策略，引导和帮助观众借助简单、直观的物理模型展开探究，主动构建“基因是DNA上具有遗传效应的片段”“基因控制生物的性状”等知识，补充了生物学遗传类互动展品的空缺，并通过此展品，开发出一条展品与教具结合的展品开发新思路。这些资源的开发利用不仅是对于学校课程资源的补充，而且有利于科技馆的进一步发展。
关键词： DNA 基因 互动展品
近年来，全国各地的科技馆建设如火如荼，也越来越受到公众欢迎。同时，生命科学、环境科学、生物技术等也日渐成为现代科技馆展览的热门主题。
由于生物科学尤其是遗传学方面的知识较为深奥、抽象，科技馆中的遗传学展品数量一般较少。近年来转基因技术日新月异，转基因食品备受关注。但是公众大多只知道基因与遗传有关，并不了解DNA与基因的关系。而基因是DNA上具有遗传效应的有效片段，这一概念虽然较为抽象但也是十分重要的知识，除了展示转基因技术的相关知识外，基因和DNA的基本概念也应该加以科普。
由于生物学展览通常缺少声光电等感官刺激，对观众的吸引力较小。根据笔者在上海科技馆、武汉科技馆等国内科普场馆的生物学，尤其是微观生物展区的观察，生物展区观众停留时间较短且兴趣不足。目前，国内科技馆生物展品具有以下几个特点。
国内科技馆生物展品多为动植物标本和人体系统器官结构的模型，大都采用图文展板、电子书、触摸屏、生物静态模型等形式展示，辅以大篇幅的文字对展品的解释。这种展示形式千篇一律，难以在第一时间吸引观众。
相较于物理展区大多数展品都可以让观众参与体验，生物展区的标本等大多在橱窗内，而大多数模型不具有拼接功能，互动性较差。
目前生物展区的分子水平的展品例如对转基因知识的科普大多以视频和图文形式呈现，而对于细胞的展示则以静态模型为主，微观展品的数量较少且直观性和形象性缺乏，导致观众难以深入了解微观世界。
目前科技馆生物类展品大多难以移动，在馆校结合时只能是学生来科技馆参观，且生物学中遗传计算类等难以观察的知识点在科技馆内缺乏相应展品，导致学生难以构建其概念。
教具是指在教学实践中，根据教学内容的需要，针对教学难点，为帮助学生理解和学习，提供的直观的感知材料。目前学校中使用的教具是以PPT和视频等多媒体和一些直观模型为主。例如动物和植物细胞结构的模型，以动画的形式展示有丝分裂和减数分裂的过程。
由于教师的人员配置较少，教师的教学压力较大，教学任务重，所以学校教育中很少有教师或者学生自制教具，一般是从专门的厂家购买或者教材配置的专门教具。
目前的教具多为静态形式，很少有教具是可以让学生动手操作拼接的。所以，学生只能通过这些教具和教师的讲解获取一些间接的经验，很难做到真正的“做中学”——通过自己的动手操作，获取属于自己的直接经验。
总而言之，现有的DNA双螺旋模型的制作主要是针对高中生，旨在展示碱基和氢键磷酸二酯键等知识，这对于初中生和年龄更小的学生来说较难理解。同时，DNA分子双螺旋结构和基因的概念、基因控制性状的原理是学习的重点和难点，且无法在显微镜下观察到，需要学生通过空间想象才能理解。在科技馆中设计此类可动手拼装的展品，能够生动、直观、形象地使观众了解基因和DNA的关系，以及基因如何控制生物的性状，可以极大地激发观众的学习兴趣。
国外曾经做过关于纳米世界的科普展览和相关效果评估调查，活动前，学生画出的最小东西为蚂蚁，而通过活动中进行的模型构建训练，学生在活动后画出的最小东西为细胞。说明模型构建法对于构建概念效果明显。对于DNA、病毒和基因等更加微小和抽象的概念，观众往往更难以理解，这就需要相关的物理学模型构建知识。综上所述，本项目选取DNA和基因为知识点设计了互动型展品，最终制作了由基因片段和空白片段组成的DNA可拼装展品，以及由并联电路组成的基因显性、隐性控制展示电路。
项目调研了国内几个科技馆生物展区遗传类展品的设计，对生物学展区遗传类的现有展品进行了考察评估，分析其在设计上的共异同点；学习现有展品的优点，分析其不足；观察、分析生物类展品之间的联系；到学校了解学生在学习基因与DNA的本质以及基因如何控制性状的知识点时，对于相关教具有哪些具体需求。
通过参观科技馆和调研学生学习情况，选取了初中和高中生物学知识中的三个概念：①基因是DNA上具有遗传效应的片段；②基因控制生物的性状；③隐性基因同时存在表现为隐性，显性基因只要存在一个就表现为显性。通过对以上知识点进行解构，项目团队逐步构思出互动展品“DNA制造工厂”设计方案，并绘制展品草图以及后期的技术设计图纸，制作了展品模型及成品。
模型建成后，项目组设计了一套与展品相适应的课堂教学活动实施方案，将展品模型带入学校，并以知识、能力、情感态度与价值观这三个维度作为重要标准对展品效果进行了评估。
①知识目标：学生了解基因是DNA上具有遗传效应的片段这一概念，并掌握显隐性对生物性状的控制规律。②能力目标：能够自主通过展品拼接DNA片段，并说出自己选取的基因拼接出的个体的性状。③情感态度与价值观目标：通过拼接DNA双螺旋模型，认识到每个人是不同的个体，世界上没有两片相同的叶子，正确对待人与人之间的差异性。
根据评估结果从内容和形式上再次对展品的评估结果进行分析，找出展品设计的不足之处，在形式和内容上对展品加以完善。
任何展品都会面临损坏问题。本项目设计的DNA片段拼接模型，需要体现显隐性基因控制性状，所以材料损坏对展品效果影响很大，这对展品材料的选择提出了很高的要求，对于等位基因对性状控制通路的维护也有一定的技术难度。
展品的制作过程中融入多媒体形式，加入声音频讲解，让展品表现形式更加丰富，增强操作的趣味性、准确性。
“DNA制造工厂”展品是由一个个基因和一些空白片段拼接组成的，丢失任何一段对整个展品都有影响，因此展品设计中要充分考虑其完整性。
展品是由多个片段组成，因此展品外形的选择上要注意连贯性、简洁性，并相呼应；展品颜色的选择和尺寸设计也需要考虑。
将多个控制不同性状的基因（分为显性和隐性，用不同深浅的颜色表示，并在展品上加以文字标注）和一些空白片段，手动拼接成一个双螺旋的DNA片段。在此过程中观众可了解到不同基因控制不同性状，基因是DNA上具有遗传效应的片段。此外，展示牌标注大写字母控制的是显性性状，小写字母控制的是隐性性状，基因在体细胞内成对存在（见图1）。
图1 双螺旋DNA片段
实现展品与课堂教学相互评估来检验效果：一方面，将设计出来的展品在学校进行应用，通过观察学生使用展品的情况，来检验此展品对于该阶段学生的教学效果；另一方面，通过学生操作展品的表现，也可以检验学生对于这部分知识的掌握情况。
目前很多科技馆只注重对新型前沿科技进行展示，忽略了基础常设展品的创新。将有创意、新潮的设计融入经典陈列的展品中，不断更新，使生物展厅内的展品丰富起来，增强生物展厅与观众的互动性和对观众的吸引力。
将生物学中遗传物质这一难以观察的定义转化为物理模型，转变成形象直观的展品，使难以观察的生物知识得到了具象的展示。通过LED屏和通电导路的设计，用不同材料制作显性和隐性基因，生动形象地将基因对性状的控制原理展示出来，让生物知识变得形象、生动、有趣、易懂，让观众在自己动手操作的过程中理解并且记忆生物学原理。
目前科技馆的生物类展品以静态模型为主，而且偏大型、无法移动，中小学生只有通过参观科技馆的方式才可以体验。且科技馆一般没有专门的服务于馆校结合的部门，对于课标的改动和学校生物教学中遇到的困难难以深入了解。这就需要科技馆在设计展品时，加强与学校教师与学生的沟通，了解他们的需要、教学难点，从而有针对性地设计可以在正规课程中使用、帮助教学的展品。
教师在正规课程中设计教具时，往往受到场地、人员和经费的限制，无法设计出最为直观生动的教具。例如在初中学习动物的类群时，教师就难以将所有类型的生物带到课堂中，这就需要在设计教具时，综合利用科技馆的资源。因为科技馆有宽阔的场地和更为丰富的公共资源。且在教具设计时，可以借鉴科技馆的同类展品自制简易教具，在课堂上进行演示，让学生体验以激发学生的好奇心。鼓励学生课后去科技馆进一步体验此项展品，加深和拓宽对此知识点的理解，从而培养学生的知识扩展迁移能力。
目前的展品与教具多展示已有的科学成果，而缺乏让观众和学生自己去发现的过程。相较于将知识直接展示出来，体验式教学更容易让人记忆深刻，真正地理解知识。例如，在呼吸作用的实验中，学生通过将产生的气体通入澄清石灰水，观察到澄清石灰水变浑浊，就可以了解到呼吸作用会产生二氧化碳。比起直接将这些知识告诉他们，在体验中获得的知识更能融入其知识体系。