運(yùn)用模型構(gòu)建法進(jìn)行“DNA分子的結(jié)構(gòu)”一節(jié)的教學(xué)

李晨　李高峰

摘 要 本文以“DNA分子的結(jié)構(gòu)”一節(jié)為例，采用模型建構(gòu)的方法進(jìn)行教學(xué)，結(jié)合生命科學(xué)史，展示DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，學(xué)生自主構(gòu)建DNA雙螺旋模型，教師分析學(xué)生構(gòu)建模型中遇到的問題，歸納總結(jié)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中基本骨架、堿基等方面存在的規(guī)律，在此基礎(chǔ)上畫概念圖，建構(gòu)完整的知識體系。

關(guān)鍵詞 模型構(gòu)建 高中生物 科學(xué)史 概念圖

中圖分類號：G633 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1教材分析與設(shè)計(jì)思路

《普通高中——生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》要求學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)課的內(nèi)容后可以概述DNA分子是由四種脫氧核苷酸構(gòu)成，通常由兩條堿基互補(bǔ)配對的反向平行長鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，堿基的排列順序編碼了遺傳信息?！癉NA分子的結(jié)構(gòu)”是人教版必修2第三章第二節(jié)的內(nèi)容，主要結(jié)合生命科學(xué)史呈現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建過程，學(xué)生自主拼裝DNA雙螺旋模型，通過模型構(gòu)建發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)，其難點(diǎn)在于靈活運(yùn)用堿基互補(bǔ)配對原則總結(jié)堿基內(nèi)部數(shù)目的規(guī)律。

學(xué)生在“分子與細(xì)胞”中已經(jīng)知道DNA組成元素以及組成單位，但對其空間結(jié)構(gòu)的認(rèn)知是片面且模糊的，只關(guān)注了結(jié)構(gòu)的整體卻忽略了單一結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系。DNA 分子雙螺旋結(jié)構(gòu)物理模型的構(gòu)建是從 DNA 的基本結(jié)構(gòu)脫氧核苷酸開始的，由脫氧核苷酸的拼裝到 DNA 單鏈，又由 DNA 單鏈到 DNA 雙鏈，一步一步逐漸使結(jié)構(gòu)完善，在構(gòu)建的過程中也逐步使學(xué)生認(rèn)識到自己對 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)認(rèn)識的錯誤，與頭腦中原有的認(rèn)知發(fā)生沖突，這樣認(rèn)知上的碰撞可以幫助學(xué)生更深刻的記憶。學(xué)生在“遺傳與進(jìn)化”前幾章的學(xué)習(xí)中對脫氧核苷酸、基因、染色體、DNA、遺傳因子等一些抽象化的概念往往會混淆，此時需要教師幫助學(xué)生理清概念，建立概念之間的聯(lián)系，同時將這些知識內(nèi)化，由惰性知識轉(zhuǎn)化為活性知識。為下一節(jié)學(xué)習(xí)DNA分子的復(fù)制打下良好的基礎(chǔ)。

2教學(xué)目標(biāo)

依據(jù)《普通高中——生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》并圍繞核心素養(yǎng)的要求制定了如下教學(xué)目標(biāo)：

（1）學(xué)生通過教材中資料的分析理解DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建歷程，就科學(xué)家探索基因的本質(zhì)的過程與方法進(jìn)行分析和討論、領(lǐng)悟假說—演繹法在科學(xué)研究中的應(yīng)用，體會科學(xué)家善于批判質(zhì)疑、勇于探究的精神。

（2）學(xué)生通過分析DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)，明確DNA分子中脫氧核糖和磷酸交替排列構(gòu)成了基本骨架，且DNA雙鏈之間的連接遵循堿基互補(bǔ)配對原則，以此進(jìn)行問題探究，分析DNA雙鏈和單鏈中胸腺數(shù)、嘧啶數(shù)的規(guī)律，通過構(gòu)建DNA分子模型檢驗(yàn)猜想正確與否，培養(yǎng)學(xué)生樂學(xué)善學(xué)、勤于反思的學(xué)習(xí)態(tài)度。

（3）學(xué)生在教師的引導(dǎo)下繪制出遺傳因子、基因、染色體、DNA等重要概念的概念圖（如圖1）。

3教學(xué)過程

3.1創(chuàng)設(shè)情境—分析生命科學(xué)史，導(dǎo)入主題

課件展示，分析資料：圖片展示坐落于北京中關(guān)村高新科技園區(qū)的DNA雕塑、2003年英國發(fā)行的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)紀(jì)念幣、2004年雅典奧運(yùn)會開幕投射的DNA雙螺旋模型，這都顯示出世界各地的人們對于這一首“生命樂章”的關(guān)注，不過其探究的過程并不是一帆風(fēng)順的，按照時間順序?qū)W(xué)生帶回1951年威爾金斯和富蘭克林首先發(fā)現(xiàn)的DNA衍射圖譜，這也正得益于當(dāng)時X射線技術(shù)的發(fā)展，讓學(xué)生感悟到生物科學(xué)的進(jìn)步離不開科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這張衍射圖譜同樣引起了物理學(xué)家克里克的關(guān)注，他可以幫助沃森理解晶體學(xué)的原理，以此推斷DNA分子呈雙螺旋結(jié)構(gòu)。深究其內(nèi)部機(jī)制，4種脫氧核苷酸又是如何連接？其內(nèi)部有什么奧秘？1952年春天，著名化學(xué)家查戈夫提供了重要的信息，DNA分子中嘧啶數(shù)總是等于嘌呤數(shù)，于是沃森和克里克將堿基置于內(nèi)部，讓A與T配對，G與C配對，磷酸和五碳糖在外部交替排列構(gòu)成DNA分子的基本骨架，學(xué)生據(jù)此明白學(xué)科之間的共通性，在學(xué)習(xí)的過程中應(yīng)該融會貫通。最后，將DNA雙螺旋模型向向?qū)W生展示，辨認(rèn)雙螺旋方向以及讓學(xué)生猜測其各部分組成。

3.2物理模型—理解DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

大多數(shù)學(xué)生對于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的理解僅是一個模糊的“面”，教師需要將其內(nèi)在的“點(diǎn)”指給學(xué)生，再讓學(xué)生將這些抽象的“點(diǎn)”轉(zhuǎn)化為立體結(jié)構(gòu)，加深理解。首先教師指出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以歸為三點(diǎn)：DNA分子呈雙鏈且反向平行；脫氧核糖和堿基交替排列在外側(cè)構(gòu)成基本骨架，堿基排列在內(nèi)測；堿基通過氫鍵相連，且遵循堿基互補(bǔ)配對原則，A-T、C-G配對，A與T之間由兩個氫鍵連接，C與G之間由三個氫鍵相連。基于教材的內(nèi)容學(xué)生可以自主完成DNA模型的拼裝。

首先，教師給學(xué)生一些專用拼裝DNA雙螺旋模型的零件，學(xué)生自主拼裝模型。為了形成良性的學(xué)習(xí)環(huán)境，先完成拼裝的同學(xué)有小獎品，激發(fā)學(xué)生們拼裝模型的興趣，在學(xué)生完成拼裝后，選擇幾位學(xué)生的DNA雙螺旋模型進(jìn)行點(diǎn)評、糾錯。學(xué)生構(gòu)建的DNA雙螺旋錯誤主要有以下幾點(diǎn)：

（1）螺旋方向?yàn)樽笫致菪?/p>

（2）雙鏈兩端一端都是磷酸基團(tuán)，一端都是五碳糖，沒有體現(xiàn)反向平行；

（3）沒有注意到A-T與C-G之間氫鍵的不同。

教師在分析學(xué)生問題的基礎(chǔ)上向?qū)W生展示，右手螺旋是指右手大拇指向上，其余四指握拳后環(huán)繞的方向就是DNA的螺旋方向，通過課件給學(xué)生展示DNA的平面結(jié)構(gòu)圖，DNA由脫氧核糖核苷酸脫水縮合而成，脫水縮合發(fā)生的部位是一個脫氧核苷酸的磷酸與下一個脫氧核苷酸的3號碳，通常將磷酸基團(tuán)稱為核苷酸鏈的5‘端，脫氧核糖3號碳所在方向稱為核苷酸鏈的3端，所以核酸是有方向性的分子，DNA的兩條鏈一條方向是5‘→3，另一條是3‘→5，故稱為反向平行。DNA是遺傳物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定有利于在親代與子代間傳遞，堿基之間通過氫鍵相連，氫鍵比較穩(wěn)定，且雙鏈之間只能是嘌呤和嘧啶配對，因?yàn)猷堰适请p環(huán)化合物，所占空間較大，嘧啶是單環(huán)化合物，所占空間較小，正因?yàn)槿绱耍堰逝c嘧啶配對體現(xiàn)互補(bǔ)原則，由于A、G、C、T之間最外層電子數(shù)不同，決定A-T之間通過兩個氫鍵相連，C-G之間通過三個氫鍵相連。對于學(xué)生在拼裝過程中出現(xiàn)的問題解釋其原理并更正，讓學(xué)生產(chǎn)生思維碰撞，提高學(xué)生興趣，學(xué)生課堂學(xué)習(xí)中參與度更高。

學(xué)生更正自己的DNA雙螺旋模型后，小組合作探究分析DNA分子結(jié)構(gòu)堿基排列的規(guī)律，得出如下結(jié)論：

（1）DNA雙鏈中，A的數(shù)目=T的數(shù)目，C的數(shù)目=G的數(shù)目，A+C/T+G等于1，單鏈中不成立。

（2）DNA雙鏈中，1鏈和2鏈中A+T/C+G的值互為倒數(shù)。

（3）DNA雙鏈中，脫氧核糖：堿基：磷酸基團(tuán)=1：1：1。

（4）一個DNA雙鏈分子，存在n個堿基對，則堿基排列方式有4n種，其排列順序代表遺傳信息。

學(xué)生在構(gòu)建DNA雙螺旋模型后，每個人的DNA雙螺旋分子堿基序列雖然不同，但是都遵循間堿基互補(bǔ)配對原則，因此在合作探究后不難得出以上結(jié)論，學(xué)生不再感覺這些規(guī)律晦澀難懂，更有利于以后靈活運(yùn)用。

3.3畫概念圖—厘清重要概念之間的聯(lián)系

將概念圖放在課堂教學(xué)的最后一個環(huán)節(jié)，可以幫助學(xué)生整合新舊知識，建構(gòu)知識網(wǎng)絡(luò)，在整體上把知識融會貫通。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，要記住知識并懂得意義，新知識就應(yīng)當(dāng)與現(xiàn)有的知識結(jié)構(gòu)整合，長期研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)過程中使用概念圖的學(xué)生，一段時間以后，對知識的熟練程度遠(yuǎn)超過未使用概念圖的學(xué)生。畫概念圖的學(xué)生解決學(xué)習(xí)中的問題時方式發(fā)法更靈活，因此在本節(jié)課堂學(xué)習(xí)最后，教師將容易與DNA混淆的遺傳因子、脫氧核苷酸、基因、染色體等幾個概念畫成完整的概念圖是非常有必要的。

4教學(xué)反思

《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn) 》中對模型建構(gòu)有如下要求：了解建立模型的科學(xué)方法，在此過程中培養(yǎng)學(xué)生的建模思維和建模能力。利用好的模型進(jìn)行教學(xué)，提高學(xué)生課堂的整體參與度。本節(jié)課將抽象的DNA分子結(jié)構(gòu)具體化，有利于學(xué)生理解其內(nèi)部的規(guī)律，同時將學(xué)生經(jīng)常混淆的遺傳學(xué)概念繪成概念圖，建立知識之間的聯(lián)系，有助于學(xué)生記憶和掌握。

參考文獻(xiàn)

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