基于“體驗式學(xué)習(xí)”的“DNA分子的結(jié)構(gòu)”教學(xué)設(shè)計

劉曉菊 李玉娜 （河北省盧龍縣中學(xué) 河北秦皇島 066400）

體驗式學(xué)習(xí)注重為學(xué)習(xí)者提供真實或模擬真實的環(huán)境，通過設(shè)計模擬活動，讓學(xué)習(xí)者通過個人在活動中充分“參與”來獲得個人的經(jīng)驗、感受、覺悟，然后進行交流和分享，并通過反思再總結(jié)提升為理論成果，最后將理論成果放到實踐應(yīng)用中去檢驗。體驗式教學(xué)注重學(xué)習(xí)者主觀能動性的發(fā)揮，并使其學(xué)習(xí)能力得到提升，因而體驗式教學(xué)在新課改中被廣泛應(yīng)用。而對于生物學(xué)這門與實際生產(chǎn)、生活聯(lián)系緊密的學(xué)科，體驗式教學(xué)更容易使學(xué)習(xí)者抓住知識的內(nèi)涵，理解知識的形成過程及運用知識解決實際問題，使知識內(nèi)化成學(xué)習(xí)者可把握的“點”和“面”。筆者以“DNA分子的結(jié)構(gòu)”一節(jié)課為例，著重實施了引導(dǎo)學(xué)生“體驗”并“學(xué)習(xí)”DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)。

1 教材分析及學(xué)情分析

1.1 教材分析

DNA分子的結(jié)構(gòu)是對前面已學(xué)習(xí)的孟德爾遺傳定律和減數(shù)分裂知識進一步的深化理解，也是學(xué)習(xí)整個遺傳模塊的基礎(chǔ)。它與必修1中所學(xué)的核酸和細胞的增殖等知識相聯(lián)系，同時也是學(xué)習(xí)DNA的復(fù)制、基因的表達、基因突變等知識及選修3中基因工程的基礎(chǔ)。

1.2 學(xué)情分析

學(xué)生已經(jīng)掌握核酸的種類、元素組成及其基本組成單位，認識了有絲分裂、減數(shù)分裂和受精作用等生物學(xué)基礎(chǔ)，掌握了生物的生殖過程、染色體的化學(xué)組成等相關(guān)知識，懂得DNA是主要的遺傳物質(zhì)，這為新知識的學(xué)習(xí)奠定了認知基礎(chǔ)。

2 教學(xué)目標

（1）了解DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建的科學(xué)史；概述DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點；制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，總結(jié)DNA分子的特性。

（2）通過動手制作模型，培養(yǎng)觀察分析能力、動手能力，結(jié)合資料分析DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的科學(xué)性，反思建模過程，體會建模的思想，提高建模能力。

（3）體驗科學(xué)家建立DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的艱辛與曲折，體驗科學(xué)家的堅持不懈、團結(jié)合作的精神，形成勇于創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度與為科學(xué)獻身的精神。

3 教學(xué)過程

3.1 導(dǎo)入激趣

教師展示北京中關(guān)村高科技園區(qū)的DNA雕塑圖片、雅典奧運會上“DNA的燈光秀”經(jīng)典場景。師生達成共識：DNA分子已經(jīng)成為現(xiàn)代高科技的標志和象征。

教師繼續(xù)展示兇殺案圖片，并說明：這起兇殺案的案情撲朔迷離，犯罪嫌疑人卻提供了不在現(xiàn)場的證據(jù)。這時，法醫(yī)在現(xiàn)場找到了留在被害人指甲中的一些皮膚組織，警方應(yīng)該如何破案？學(xué)生思考后回答：從被害人指甲中的皮膚細胞中提取到DNA，利用DNA鑒定技術(shù)協(xié)助破案 。

設(shè)計意圖：通過播放與社會熱點相聯(lián)系的圖片，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進學(xué)生回憶已有生物學(xué)相關(guān)知識。

3.2 學(xué)習(xí)“DNA分子規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”建構(gòu)的科學(xué)史

教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀人教版教材P47-48科學(xué)家建構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的故事，要求學(xué)生：總結(jié)每位科學(xué)家所做出的貢獻，并談?wù)勀闶艿降膯l(fā)。

第1組學(xué)生代表回答：威爾金斯和富蘭克林的貢獻是獲得了DNA衍射圖譜；查哥夫提供了非常有用的信息：A的數(shù)量等于T，C的數(shù)量等于G；沃森和克里克構(gòu)建了“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”。我們小組得到啟示：科學(xué)研究的過程可能是曲折的，最后的成果是建立在前人研究成果之上的，因此科學(xué)成果是科學(xué)家堅持不懈、團隊合作的成果。

設(shè)計意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生了解DNA分子模型構(gòu)建中的關(guān)鍵要點：堿基數(shù)目規(guī)律（A=T，C=G）。通過設(shè)問引導(dǎo)學(xué)生樹立科研志向，培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作意識，使學(xué)生形成勇于創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度與為科學(xué)獻身的正確的價值觀。

3.3 模型建構(gòu)，發(fā)揮學(xué)習(xí)者的主觀能動性

3.3.1 模型建構(gòu)1：一個“脫氧核苷酸”

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧人教版必修1“核酸”有關(guān)的內(nèi)容，組成DNA分子的基本組成單位是什么？是由哪些成分構(gòu)成？教師提示學(xué)生拿出課前分發(fā)到每個小組的相關(guān)教具（圖1），學(xué)生以小組為單位活動，用相關(guān)教具組裝DNA基本組成單位的模型（脫氧核苷酸）。在學(xué)生分組制作模型的過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生認識五碳糖的5個碳原子的位置。

5 min后，第2組學(xué)生代表展示模型并講解分析：DNA分子的基本組成單位是脫氧核苷酸，一分子脫氧核苷酸是由一分子含氮堿基、一分子脫氧核糖、一分子磷酸基團構(gòu)成。我們組構(gòu)建了4種脫氧核苷酸模型，字母A代表腺嘌呤，該模型代表“腺嘌呤脫氧核苷酸”，展示模型（圖2）。

圖1 模型構(gòu)建所需教具

圖2 第2組學(xué)生制作“腺嘌呤脫氧核苷酸”模型

設(shè)計意圖：讓學(xué)生動手制作并區(qū)分4種“脫氧核苷酸模型”，并認識各“元件”所代表的成分，為下一步制作“脫氧核苷酸鏈”模型做準備。這樣可以分散難點，使學(xué)生學(xué)習(xí)循序漸進。

3.3.2 模型建構(gòu)2：一條“脫氧核苷酸鏈”

教師繼續(xù)設(shè)問，一條脫氧核苷酸鏈中脫氧核苷酸之間是在什么部位相互連接的?通過什么化學(xué)鍵連接的?學(xué)生分小組活動，用不同顏色的導(dǎo)線作為新形成的化學(xué)鍵，使單個脫氧核苷酸形成脫氧核苷酸長鏈，第3組學(xué)生代表展示模型并做出相應(yīng)板畫（圖3）。

第3組學(xué)生代表根據(jù)板畫講解分析：一個脫氧核苷酸的3′碳原子上的-OH與另一個脫氧核苷酸的磷酸基團通過反應(yīng)，形成3′5′—磷酸二酯鍵，使兩個“脫氧核苷酸”連接起來，依此類推便可形成脫氧核苷酸長鏈，并展示模型（圖4）。教師對形成3′5′—磷酸二酯鍵過程進行拓展：一個脫氧核苷酸的3′羥基失去H原子，另一個脫氧核苷酸5′碳原子上的磷酸基失去H、O兩個原子，完成脫水縮合形成3′5′—磷酸二酯鍵。

圖3 第3組學(xué)生脫氧核苷酸鏈的板畫

圖4 第3組學(xué)生制作“脫氧核苷酸長鏈”模型

設(shè)計意圖：學(xué)生通過自己動手制作，演示單個脫氧核苷酸形成脫氧核苷酸長鏈的過程，就更加清楚脫氧核苷酸長鏈中與磷酸基團所連的兩個化學(xué)鍵中哪個是后形成的磷酸二酯鍵，哪個是一個“脫氧核苷酸單位”內(nèi)部的化學(xué)鍵，幫助學(xué)生區(qū)分容易混淆的知識點。通過模型制作活動中學(xué)生的親自動手操作，結(jié)合思考與小組內(nèi)討論以及展示活動中生與生之間交流、師生交流的深入，化解了知識難點，訓(xùn)練了學(xué)生的科學(xué)思維，符合中學(xué)生物教學(xué)的核心素養(yǎng)提升目標。

3.3.3 模型建構(gòu)3：DNA分子的平面結(jié)構(gòu)模型

教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生分析以下問題：①DNA分子是由兩條脫氧核苷酸鏈構(gòu)成，這兩條鏈通過什么化學(xué)鍵結(jié)合在一起?②空間結(jié)構(gòu)中兩鏈位置關(guān)系如何?如何體現(xiàn)出來?然后，教師組織學(xué)生分組活動，要求學(xué)生用教具制作出另一條鏈，并把兩條鏈連接起來。教師提示學(xué)生可參考人教版教材P51練習(xí)里基礎(chǔ)題的第1題內(nèi)容。

幾分鐘后小組活動完成，第4組學(xué)生代表甲在第3組學(xué)生所做板畫基礎(chǔ)之上完成兩條脫氧核苷酸鏈的連接（圖5），并著重展示分析堿基互補配對原則、堿基對、氫鍵等重要概念。

第4組學(xué)生代表乙根據(jù)板畫進行補充分析：DNA分子的兩條鏈位置關(guān)系為反向平行（在板畫上標出兩鏈的3'端和5'端），中間的“堿基對”以氫鍵相連，其中A與T配對，G與C配對，A與T之間為兩條氫鍵，圖上用兩條虛線表示，C與G之間三條氫鍵，用三條虛線表示。同時展示本小組建構(gòu)的模型（圖6），模型中不同的顏色代表不同的堿基，氫鍵的條數(shù)用導(dǎo)線的條數(shù)表示。

圖5 第四組同學(xué)完成兩條脫氧抗苷酸鏈的連接

圖6 “DNA分子平面結(jié)構(gòu)模型”

設(shè)計意圖：學(xué)生通過觀察DNA分子結(jié)構(gòu)模式圖，制作模型，并在討論和相互糾錯中更能直觀地、深刻地理解DNA兩條脫氧核苷酸鏈的反向平行，并且對不同“堿基對”之間的氫鍵數(shù)目等細節(jié)知識形成“深刻記憶”。教師展示講解環(huán)節(jié)，訓(xùn)練了學(xué)生對概念及專業(yè)術(shù)語的學(xué)習(xí)和恰當表述。

3.3.4 模型建構(gòu)4：DNA分子規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型

教師再次展示DNA雕塑圖片，引導(dǎo)學(xué)生觀察DNA分子的螺旋結(jié)構(gòu)，引出螺旋的方向討論。學(xué)生用2段銅芯導(dǎo)線代替DNA的兩條鏈，制作螺旋模型，小組間相互評價。

第5組學(xué)生展示模型并講解分析：指出生物體內(nèi)天然DNA分子大多為“右手螺旋”，展示本組制作的導(dǎo)線模型（圖7）。

圖7 “DNA右手螺旋”模型

3.4 問題串幫助學(xué)生總結(jié)提升

教師展示問題串，總結(jié)知識，并要求學(xué)生補充：（1）穩(wěn)定性：DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)是相對穩(wěn)定的，原因有：①內(nèi)側(cè)堿基通過_____形成堿基對。②堿基間縱向的堆積力加固了穩(wěn)定性。③______平行的雙鏈結(jié)構(gòu)，磷酸和脫氧核糖交替連接，排列在外側(cè)構(gòu)成_____。（2）多樣性：DNA分子只含有4種脫氧核苷酸，它如何能夠儲存足夠多的遺傳信息？DNA分子的____千變?nèi)f化。例如：一個具有n個堿基對的DNA分子所攜帶的遺傳信息是_____種。（3）特異性：不同DNA分子堿基對的排列順序不同。

參考答案：（1）氫鍵、反向、基本骨架 （2）堿基對排列順序、4n

3.5 師生共同總結(jié)DNA分子的“一、二、三、四、五”記憶口訣

DNA分子具有一種基本組成單位（脫氧核苷酸）、兩條反向平行鏈（脫氧核苷酸鏈）、三種小分子（脫氧核糖、磷酸、含氮堿基）、四種堿基對（G-C、A-T、T-A、C-G），五種組成元素（C、H、O、N、P）。

3.6 反饋練習(xí)：挑戰(zhàn)高考真題

（2016年高考上海卷28題）在DNA分子模型的搭建實驗中，若僅有訂書釘將脫氧核糖、磷酸、堿基連為一體并構(gòu)建一個含 10對堿基（A有6個）的DNA雙鏈片段，那么使用的訂書釘個數(shù)為 （ ）

A.58 B.78 C.82 D.88

答案及解析：10對堿基的DNA雙鏈片段，共含有20個脫氧核苷酸，構(gòu)成一個脫氧核苷酸需要2個訂書釘，20個脫氧核苷酸總共需要40個；一條DNA單鏈上10個脫氧核苷酸相連需要9個訂書釘，連接成一條單鏈，兩條鏈共需要18個；A-T之間2條氫鍵，C-G之間3條氫鍵，A-T為6個，C-G為4個，則雙鏈間的氫鍵數(shù)共有6×2+3×4=24，總共需要訂書釘40+18+24=82，因此C選項正確。

4 教學(xué)反思

這節(jié)課通過教師精心設(shè)計學(xué)生活動，引導(dǎo)學(xué)生分組制作一系列模型，提高了學(xué)生動手建模能力，培養(yǎng)了學(xué)生小組的團隊合作意識。在制作模型后的分組展示交流環(huán)節(jié)，學(xué)生展示小組作品，成就感十足，提高了語言表述、知識總結(jié)、識圖畫圖、分析探討等綜合能力。

通過模型制作這種體驗式學(xué)習(xí)獲得的知識不僅可以借助相關(guān)概念、文字等抽象符號激活，還可以借助相應(yīng)的情緒記憶激活，知識“復(fù)現(xiàn)”的效果更為理想，有利于學(xué)生知識結(jié)構(gòu)由抽象到具體的逐步“拉近”，展現(xiàn)了體驗式教學(xué)的優(yōu)勢。這種體驗式學(xué)習(xí)不僅讓學(xué)生對知識理解更直觀、更深刻，還有利于學(xué)生對后面各章節(jié)知識的學(xué)習(xí)和理解，為后續(xù)知識學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

教師在課上要注意傾聽學(xué)生的表述，并及時糾錯和點評、引導(dǎo)，才能達到好的教學(xué)效果。教師在教學(xué)中發(fā)揮引導(dǎo)作用，重視科學(xué)史教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究的態(tài)度和熱愛科學(xué)的情感，把知識的傳授過程優(yōu)化成一個體驗式的探究過程，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)探究、科學(xué)思維，利于中學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。