DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)和制作

王 靜 （江蘇省徐州市徐州高級(jí)中學(xué) 江蘇徐州 221000）

DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)和制作

王 靜 （江蘇省徐州市徐州高級(jí)中學(xué) 江蘇徐州 221000）

《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》提出，學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)指學(xué)生應(yīng)具備的，能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是關(guān)于學(xué)生知識(shí)、技能、情感、態(tài)度、價(jià)值觀等多方面要求的綜合表現(xiàn)，而從自主發(fā)展（學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、健康生活）、文化基礎(chǔ)（人文底蘊(yùn)、科學(xué)精神）、社會(huì)參與（責(zé)任擔(dān)當(dāng)、實(shí)踐創(chuàng)新）等3部分加以培育。在核心素養(yǎng)理念的指引下，筆者在教學(xué)過程中逐步嘗試運(yùn)用各種方法，培育學(xué)生的核心素養(yǎng)，教學(xué)案例也曾獲得教育部“一師一優(yōu)課、一課一名師”優(yōu)課?，F(xiàn)以“設(shè)計(jì)和制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”一課為例，談?wù)勅绾卧诟咧猩飳?shí)驗(yàn)課上培育學(xué)生的核心素養(yǎng)。

1 教學(xué)思路

DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)是分子學(xué)的知識(shí)。這部分知識(shí)比較抽象，學(xué)生較難掌握。本節(jié)課通過讓學(xué)生設(shè)計(jì)和制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，旨在幫助學(xué)生理解DNA分子的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。因此，教學(xué)設(shè)計(jì)從以下幾方面考慮：

（1）從分子水平了解遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，教師引導(dǎo)學(xué)生充分了解DNA分子的基本組成單位和DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)，為設(shè)計(jì)和制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型做好知識(shí)鋪墊。

（2）教師要促進(jìn)學(xué)生形成DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的思維空間構(gòu)象。這樣，學(xué)生既有形象直觀的認(rèn)識(shí)，又有抽象的理解，為進(jìn)一步理解DNA分子如何儲(chǔ)備大量的遺傳信息打下基礎(chǔ)。

（3）實(shí)驗(yàn)過程遵循學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主、教師指導(dǎo)為輔的原則，采用了獨(dú)立學(xué)習(xí)與小組學(xué)習(xí)策略、競(jìng)爭(zhēng)與合作學(xué)習(xí)策略。教師課前布置學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生先自行思考設(shè)計(jì)和制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的方案；然后教師引導(dǎo)學(xué)生充分開展小組合作學(xué)習(xí)，并以小組為單位在課前準(zhǔn)備好制作模型所需要的材料；課上學(xué)生進(jìn)行模型的拼裝、展示和說明，小組之間進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。教師在整個(gè)過程中給予及時(shí)、恰當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)和幫助。

（4）本實(shí)驗(yàn)注重聯(lián)系學(xué)生的生活實(shí)際，利用常見且成本較低的材料，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，點(diǎn)燃了學(xué)生動(dòng)手操作的熱情。

2 教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)目標(biāo)：

通過設(shè)計(jì)DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的制作方案，加深對(duì)DNA分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的理解和認(rèn)識(shí)。

過程與技能目標(biāo)：

通過制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，培養(yǎng)動(dòng)手操作能力。

情感、態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：

交流討論DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型制作過程中需要注意的問題，進(jìn)一步養(yǎng)成小組合作學(xué)習(xí)習(xí)慣，培養(yǎng)審美能力。

3 教學(xué)準(zhǔn)備

學(xué)生在課前積極思考并充分開展小組合作學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制作模型的方案，準(zhǔn)備制作模型需要使用的各種材料。

4 教學(xué)過程

4.1 學(xué)生小組內(nèi)交流討論設(shè)計(jì)方案

4.2 每個(gè)小組派代表向全班匯報(bào)本組的主要設(shè)計(jì)方案

小組1：我們組選取橡皮泥和回形針作為主要材料來制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，色彩鮮艷，標(biāo)示明顯。

小組2：我們組選取食物來制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。因?yàn)槭澄铽@取方便，成本也很低，有些食物還有特殊顏色，能體現(xiàn)出各個(gè)結(jié)構(gòu)，還有一大優(yōu)勢(shì)就是剩下的食物還可以吃。

小組3：我們組是用人來做的模型，先保密，一會(huì)兒再給大家驚喜！

小組4：我們組思考制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型如何能夠創(chuàng)新呢？于是我們想到如果能體現(xiàn)出DNA分子的解旋，將會(huì)使大家眼前一亮。我們發(fā)現(xiàn)拉鏈可以體現(xiàn)這一特點(diǎn)，并以此為突破點(diǎn)，用純手工制作模型。

4.3 小組合作制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型

4.4 交流展示，自評(píng)互評(píng)

小組1：我們組用橙色的橡皮泥表示磷酸；用紅色的橡皮泥表示脫氧核糖，而且兩條鏈中放置的方向不同，體現(xiàn)出了平行且反向的特點(diǎn)；用粉色、黃色、紫色和綠色的橡皮泥分別表示A、T、G、C四種堿基（注意遵循堿基互補(bǔ)配對(duì)原則）；再用不同顏色的回形針表示出五號(hào)碳以及磷酸二酯鍵、氫鍵等。其中要特別注意五號(hào)碳的表示以及氫鍵數(shù)量的表示。我們的模型最大的特點(diǎn)就是各個(gè)結(jié)構(gòu)表示得非常清楚，并且色彩鮮艷，仿佛帶著大家進(jìn)入了一個(gè)童話般的世界，我們把模型命名為“童話王國”。但是我們的模型的缺點(diǎn)就是只能體現(xiàn)出DNA分子的平面結(jié)構(gòu)，而不能體現(xiàn)出它的立體結(jié)構(gòu)。改進(jìn)方案：將橡皮泥固定在同一形狀的泡沫板上，并把模型做成雙螺旋結(jié)構(gòu)（圖1）這樣既能看到平面結(jié)構(gòu)，又能看到立體結(jié)構(gòu)。

圖1 小組1的模型示意

小組2：我們組的模型叫“舌尖上的DNA”。我們用大櫻桃表示磷酸；用蘋果刻成五邊形表示脫氧核糖，也注意到了兩條鏈的平行且反向的問題；用西瓜皮刻成A、T、G、C的形狀表示四種堿基（注意遵循堿基互補(bǔ)配對(duì)原則），四種堿基的雕刻很不容易，著實(shí)費(fèi)了我們不少功夫；我們用牙簽表示各種化學(xué)鍵，比如堿基中間用牙簽表示氫鍵，A和T之間是2個(gè)氫鍵，G和C之間是3個(gè)氫鍵。我們模型的最大優(yōu)點(diǎn)就是可以吃，但是我們和第一組一樣，也不能體現(xiàn)出DNA分子的立體結(jié)構(gòu)。改進(jìn)方案:可用彈性較好的塑料棒代替牙簽，將塑料棒兩端做成鉤子，使蘋果等結(jié)構(gòu)不易脫落（圖2）。

圖2 小組2的模型示意

小組3：我們組的模型絕對(duì)高大上，它還有一個(gè)響亮的名字叫“superman組合”。我們用乒乓球拍表示磷酸；用身上的五邊形卡紙表示脫氧核糖，我們兩排同學(xué)一排面向大家，一排背向大家，表示出了DNA分子兩條鏈的平行且反向的特點(diǎn)；我們用胳膊上的長方形卡紙表示A、T、G、C四種堿基（注意遵循堿基互補(bǔ)配對(duì)原則）；用卷起來的紙棒表示氫鍵及數(shù)量；用胳膊的彎曲表示出五號(hào)碳；用腿表示出磷酸二酯鍵的部分結(jié)構(gòu)。改進(jìn)方案:找個(gè)臺(tái)階至少有10級(jí)的樓梯，且較陡，這樣既能滿足有10個(gè)脫氧核苷酸對(duì)，又有助于觀察（圖 3）。

圖3 小組3的模型示意

小組4：請(qǐng)大家看我們的純手工制作的DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，我們把它命名為“家鄉(xiāng)美”。我們用藍(lán)色的扣子表示磷酸；用玫紅色的五邊形布包表示脫氧核糖，我們也注意了平行且反向的問題；用四種不同顏色的長方形布包表示A、T、G、C四種堿基（注意遵循堿基互補(bǔ)配對(duì)原則）；用編好的繩子表示五號(hào)碳、磷酸二酯鍵等；用粗的水彩筆在拉鏈上畫出氫鍵，當(dāng)然要特別注意氫鍵的數(shù)目；兩條單鏈上各有一個(gè)游離的磷酸。下面請(qǐng)我的兩個(gè)助手旋轉(zhuǎn)一下，展示出DNA分子的立體結(jié)構(gòu)。我們組的創(chuàng)新之處在于，當(dāng)我們把拉鏈拉開的時(shí)候就能夠體現(xiàn)出解旋，實(shí)際上DNA分子是邊解旋邊復(fù)制的，而且可以從多個(gè)點(diǎn)開始，別的組你們能解旋嗎？改進(jìn)方案：可在雙鏈的上、下輔助2根棍子，用來保持雙鏈的平行，這樣模型就方便旋轉(zhuǎn)了（圖4）。

圖4 小組4的模型示意

4.5 小結(jié)

學(xué)生總結(jié)DNA分子的結(jié)構(gòu)特征：①DNA分子是由兩條反向平行的脫氧核苷酸長鏈盤旋成雙螺旋結(jié)構(gòu)。②DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連接，排列在外側(cè)，構(gòu)成基本骨架；堿基在內(nèi)側(cè)。③兩條鏈上的堿基通過氫鍵連接成堿基對(duì)，且遵循堿基互補(bǔ)配對(duì)原則。

5 教后反思

本教學(xué)實(shí)踐過程中，學(xué)生能夠積極開動(dòng)腦筋，大膽想象，利用所學(xué)知識(shí)和身邊可以找到的各種材料，設(shè)計(jì)和制作DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，且效果顯著，實(shí)驗(yàn)很成功。教后的主要體會(huì)如下。

5.1 設(shè)計(jì)模型階段培養(yǎng)學(xué)生“學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)”的素養(yǎng)

要想制作出一個(gè)出彩的模型，必須首先掌握DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。這就要求學(xué)生在課前就要學(xué)會(huì)自主學(xué)習(xí)，搜集相關(guān)資料，設(shè)計(jì)好制作方案，準(zhǔn)備好相關(guān)實(shí)驗(yàn)材料。這個(gè)階段充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。

5.2 制作模型階段培養(yǎng)學(xué)生“實(shí)踐創(chuàng)新”的素養(yǎng)

本實(shí)驗(yàn)注重聯(lián)系學(xué)生的生活實(shí)際，利用常見且成本較低的材料制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。學(xué)生在設(shè)計(jì)和制作的過程中不斷修改方案，展示成果的過程中還要進(jìn)行自評(píng)和互評(píng)，找出優(yōu)缺點(diǎn)，提出改進(jìn)意見，這個(gè)過程點(diǎn)燃了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的熱情，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

5.3 整個(gè)設(shè)計(jì)和制作模型的過程中培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)精神”的素養(yǎng)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程都堅(jiān)持以科學(xué)的態(tài)度討論、設(shè)計(jì)、制作、評(píng)價(jià)、改進(jìn)。制作模型的過程也是一個(gè)知識(shí)內(nèi)化的過程。在這樣一個(gè)過程中，學(xué)生還能夠自己發(fā)現(xiàn)和解決科學(xué)問題。比如：

① 學(xué)生能夠注意到核苷酸對(duì)的數(shù)量問題：DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)中，一般每轉(zhuǎn)一圈有10個(gè)核苷酸對(duì)，雙螺旋總處于能量最低狀態(tài)。若正常的DNA雙螺旋額外多轉(zhuǎn)或少轉(zhuǎn)幾圈，使每轉(zhuǎn)一圈的核苷酸數(shù)目大于或小于10，就會(huì)出現(xiàn)雙螺旋立體結(jié)構(gòu)的改變，在DNA分子中產(chǎn)生額外的張力。

② 學(xué)生能夠注意到實(shí)驗(yàn)中的旋轉(zhuǎn)方式應(yīng)體現(xiàn)右手螺旋：旋轉(zhuǎn)體現(xiàn)立體結(jié)構(gòu)的時(shí)候，為什么右手向右旋，左手向左旋，而不反過來旋轉(zhuǎn)？一般DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)分為兩大類：一類是右手螺旋，如A-DNA和B-DNA，其中B-DNA是最常見的；另一類是左手螺旋，如Z-DNA。

文件編號(hào)：1003-7586(2017)10-0078-03

本文為江蘇省中小學(xué)教學(xué)研究室立項(xiàng)課題“高中生物教學(xué)進(jìn)行生命教育的實(shí)踐研究”（課題編號(hào)為2015JK11-L058）的研究成果。