基于生物學(xué)核心素養(yǎng)的“DNA的結(jié)構(gòu)”教學(xué)設(shè)計

王曉紅

（上海市淞浦中學(xué) 上海 200941）

1 教材分析與設(shè)計思路

上科版高中《生命科學(xué)》第二冊第六章第一節(jié)遺傳信息的內(nèi)容，屬于學(xué)習(xí)水平B級，主要教學(xué)內(nèi)容包括DNA是遺傳物質(zhì)、DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)、蘊藏在DNA分子中的遺傳信息），以及DNA分子模型的搭建活動。其中DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)、蘊藏在DNA分子中的遺傳信息是建立在DNA是遺傳物質(zhì)的學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生通過探索DNA分子結(jié)構(gòu)進一步理解DNA是遺傳物質(zhì)。教師在設(shè)計教學(xué)時，把后兩部分內(nèi)容和實驗作為第二課時。DNA的結(jié)構(gòu)在遺傳和進化學(xué)習(xí)中起到承上啟下的作用，只有真正理解了DNA的結(jié)構(gòu)，學(xué)生才能理解DNA的特點、DNA復(fù)制以及指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的原理，從而明確DNA擔(dān)當(dāng)遺傳物質(zhì)的理由，對DNA結(jié)構(gòu)的研究也為認識基因突變、染色體復(fù)制和遺傳重組成做鋪墊。

本節(jié)課的教學(xué)重點在于通過對DNA結(jié)構(gòu)模型的建構(gòu)，理解DNA的結(jié)構(gòu)特點；難點在于DNA與基因染色體的關(guān)系、DNA的結(jié)構(gòu)特點如何與DNA的功能特點相適應(yīng)、解釋DNA與遺傳變異進化的關(guān)系。

本節(jié)課通過DNA的雕塑和DNA研究的科學(xué)史入手，建構(gòu)DNA的結(jié)構(gòu)模型，了解DNA的結(jié)構(gòu)，以及由DNA結(jié)構(gòu)決定的DNA的特點，同時在搭建的結(jié)構(gòu)上直觀地發(fā)現(xiàn)DNA與基因和染色體的關(guān)系，最后把DNA的相關(guān)知識用“知識樹”貫穿起來，旨在建立結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的生物學(xué)思想，形成生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 教學(xué)目標

（1）分析DNA的結(jié)構(gòu)模型，領(lǐng)會脫氧核苷酸形成DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的要素，歸納DNA的結(jié)構(gòu)特點，推斷DNA的功能特點；比較DNA與染色體、基因的關(guān)系，描述DNA蘊藏遺傳信息。

（2）通過克隆羊多莉的培養(yǎng)過程和特征，推斷DNA主要存在的部位，獲得獲取信息、分析信息的能力；經(jīng)歷模型建構(gòu)的過程，理解堿基互補配對原則，培養(yǎng)科學(xué)探究、動手操作能力；通過DNA結(jié)構(gòu)模型的搭建，對模型進行觀察比較，從結(jié)構(gòu)上論證DNA的多樣性、穩(wěn)定性和特異性，培養(yǎng)觀察、比較、歸納的能力。

（3）在科學(xué)史的學(xué)習(xí)過程中，明確科學(xué)探究需要嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度、鍥而不舍的科學(xué)精神；在模型搭建過程中，感受合作精神，認同前人成果的重要性，體驗結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生物學(xué)思想；感受生命的奧秘，體驗生命之美。

3 教學(xué)過程

3.1 創(chuàng)設(shè)科學(xué)史情境導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

教師展示世界各地幾幅著名雕塑，學(xué)生通過分析找出它們共同的元素：DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。教師以此點題DNA結(jié)構(gòu)在生命科學(xué)研究領(lǐng)域的地位，在人類探索生命奧秘旅程中的重要性?？茖W(xué)家為了探索DNA蘊藏的秘密，進行了不懈的努力。學(xué)生交流課前準備的關(guān)于DNA發(fā)現(xiàn)和研究的科學(xué)史，明確DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立標志生命科學(xué)進入分子水平的研究，同時感悟科學(xué)研究需要嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度和鍥而不舍的科學(xué)精神，科學(xué)家的成功離不開前人的貢獻。

3.2 創(chuàng)設(shè)知識背景，溫故而知新

學(xué)生回憶，DNA是遺傳物質(zhì)，DNA與遺傳有關(guān)。教師引導(dǎo)學(xué)生觀察克隆羊多莉的誕生過程，根據(jù)多莉羊的性狀與提供細胞核的白面母羊相似，得出DNA在細胞核中的結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、處理信息、分析信息的能力。

接著，教師提出以下問題，促進學(xué)生思考：

①同種生物體內(nèi)的每個細胞DNA都相同嗎？做親子鑒定或身份鑒定時用哪種的細胞？

②不同生物體內(nèi)的細胞DNA相同嗎？③DNA的不同如何得以體現(xiàn)？

3.3 小組建構(gòu)模型，創(chuàng)立DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)

3.3.1構(gòu)建模型1——脫氧核苷酸的搭建

學(xué)生回憶，回答以下問題：①組成DNA的基本單位是什么？②每個脫氧核苷酸的結(jié)構(gòu)組成是什么？③組成DNA的堿基有哪幾種？

教師提供以下教具：用圓形模具代表磷酸基團，五邊形代表脫氧核糖，4種不同顏色的長方形分別代表A、T、G、C 4種堿基。學(xué)生4人一組，每人完成2個脫氧核苷酸模型的制作。

教師用多媒體展示正確的連接方法，提示學(xué)生解堿基、磷酸與脫氧核糖的碳原子的位置關(guān)系，并提出問題：大家搭建的脫氧核苷酸有什么區(qū)別？

3.3.2 構(gòu)建模型2——搭建10個脫氧核苷酸組成的長鏈

學(xué)生搭建10個脫氧核苷酸組成的長鏈，注意兩個脫氧核苷酸之間的連接。教師提出問題：你們所搭建的脫氧核苷酸鏈與所展示的脫氧核苷酸鏈有什么異同？相同在哪里？不同在哪里？這些信息說明了什么？你還可以搭出不同的脫氧核苷酸嗎？

教師在此處埋下了很多伏筆，為得出DNA的結(jié)構(gòu)特點奠定基礎(chǔ)。學(xué)生在搭建過程中，不斷嘗試思考比較，鍛煉了動手能力觀察能力、分析能力和交流表達能力。

3.3.3 構(gòu)建模型3——DNA雙螺旋模型建構(gòu)

教師提出問題：20世紀50年代初，富蘭克林和威爾金斯使用晶體學(xué)、數(shù)學(xué)計算分別提出了雙螺旋和三螺旋結(jié)構(gòu)，并同時提出磷酸根在螺旋外側(cè)，堿基在螺旋內(nèi)側(cè)的觀點；1952年，奧地利化學(xué)家查戈夫測定DNA中4種堿基含量，得出A=T，C=G；1953年，根據(jù)富蘭克林的DNA晶體X射線衍射照片，富蘭克林和威爾金斯的數(shù)據(jù)，沃森和克里克用鐵皮、鐵棍、鐵絲搭建了DNA雙螺旋模型（10個堿基對右旋一周）。同學(xué)們，你們可以嗎？

學(xué)生交流搭建成果，師生共同指出搭建過程中的問題，并進行糾正（主要問題是兩條鏈沒有反向平行；兩個基團連接失誤；不符合堿基互補配對的原則），展示各組正確的模型。

3.4 口訣小結(jié)，練習(xí)鞏固

教師利用“54321”的口訣小結(jié)DNA的結(jié)構(gòu)（圖1），并利用小練習(xí)進行鞏固。

圖1“54321”的口訣示意圖

3.5 比較分析模型，歸納DNA的結(jié)構(gòu)特點

教師引導(dǎo)各組學(xué)生比較各自以及教師展示的模型之間的異同點，小結(jié)DNA的特點：磷酸和脫氧核糖相間組成的骨架是基本不變的；堿基互補配對原則是穩(wěn)定不變的；堿基對的排列順序是多種多樣的，分別體現(xiàn)了DNA的穩(wěn)定性和多樣性、特異性。通過直觀的模具，學(xué)生很容易總結(jié)DNA的特點。

教師提出問題：正因為DNA的堿基配對原則在DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯過程中穩(wěn)定不變，才保證了生物遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定，而堿基對的千變?nèi)f化使生物個體存在特異性，生物群體的多樣性。DNA為什么可以作為遺傳物質(zhì)？

3.6 利用模型結(jié)合資料，理清基因、DNA、染色體的關(guān)系

學(xué)生從模型上看出，堿基對的排列順序是不同的。教師解釋堿基對的排列順序蘊含遺傳信息，并展示染色體由DNA和蛋白質(zhì)組成的圖片，告訴學(xué)生：DNA上堿基對的排列順序代表遺傳信息，有遺傳效應(yīng)的DNA片段代表基因；一條染色體上有1或2個DNA分子，有很多個基因。

3.7 繪制“知識樹”（圖2），總結(jié)課堂

4 教學(xué)反思

教師認真分析教材和學(xué)生的學(xué)情，依據(jù)布魯姆教學(xué)目標分類學(xué)理論，把教學(xué)內(nèi)容根據(jù)不同層次的教學(xué)要求設(shè)定相應(yīng)的教學(xué)目標，采用不同的教學(xué)手段，以達到生物核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

4.1 緊扣教學(xué)主線，確立“結(jié)構(gòu)功能觀”生命觀念，認識生命的內(nèi)涵

在整個教學(xué)設(shè)計中，呈現(xiàn)了結(jié)構(gòu)和功能相統(tǒng)一的生物學(xué)思想。教師以此為主線，課前設(shè)問：DNA為什么可以擔(dān)當(dāng)遺傳物質(zhì)？要解決這個問題必須了解DNA的結(jié)構(gòu)，從而引出課題。課中，學(xué)生搭建DNA結(jié)構(gòu)模型，具體了解DNA的結(jié)構(gòu)，歸納DNA的特點，理解DNA的結(jié)構(gòu)決定與遺傳變異進化有關(guān)。課末，教師再次回到DNA的功能上。這樣，整節(jié)課前后呼應(yīng)，課程結(jié)構(gòu)完整。

4.2 利用相關(guān)教學(xué)素材，通過對資料的信息獲取、比較、推理，引導(dǎo)學(xué)生進行理性思維

教師針對教學(xué)過程中的一些事實性知識，如DNA是雙螺旋結(jié)構(gòu)（外觀）、DNA存在部位、DNA是什么、基因染色體的概念和關(guān)系等，采用了一些相應(yīng)的圖片、素材，引導(dǎo)學(xué)生通過聯(lián)想類比DNA分子在生命科學(xué)研究領(lǐng)域的地位，培養(yǎng)學(xué)生的類比能力。根據(jù)克隆羊多莉培養(yǎng)過程的資料，學(xué)生比較、推理得出遺傳物質(zhì)存在于細胞核，培養(yǎng)了獲取信息、處理信息、分析信息的能力；通過對染色體組成的圖片的觀察，培養(yǎng)了觀察、比較的能力。

教師過渡至模型搭建時，使用了問題串，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，激發(fā)學(xué)生的思維風(fēng)暴。

在課堂小結(jié)DNA的結(jié)構(gòu)時，教師采用的“54321”口訣、課堂總結(jié)中采用的“知識樹”總結(jié)，都有利于學(xué)生歸納總結(jié)能力的培養(yǎng)。

4.3 物理模型的搭建，在體驗中參與科學(xué)探究

對于概念性知識，如堿基互補配對原則、程序性知識如DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，教師在知識達成過程中采用了學(xué)生模型建構(gòu)和科學(xué)史相結(jié)合的體驗學(xué)習(xí)方式，模擬科學(xué)家的研究歷程。學(xué)生在模型建構(gòu)過程中發(fā)現(xiàn)很多問題，教師利用科學(xué)史及時給予相應(yīng)的信息，師生共同解決問題，繼而又產(chǎn)生新的問題。這樣使學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、新的問題的循環(huán)中體驗科學(xué)研究的樂趣。

4.4 科學(xué)史的引入，提升社會責(zé)任

教師在授課過程中有兩處引入了科學(xué)史。新課伊始，學(xué)生交流課前準備的DNA發(fā)現(xiàn)史，目的在于明確科學(xué)探索需要嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度和鍥而不舍的科學(xué)精神；DNA搭建過程中引入科學(xué)史，為學(xué)生在模型搭建過程中解決問題提供素材，同時使學(xué)生感悟科學(xué)研究的成功建立于前人的勞動成果和共同合作的基礎(chǔ)上。