基于生命科學(xué)史建構(gòu)模型的教學(xué)設(shè)計

許豇羽

摘 要：基于生命科學(xué)史，建構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，多維立體地培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：DNA分子的結(jié)構(gòu) 建構(gòu)模型 生命科學(xué)史 核心素養(yǎng)

1 教材分析和教學(xué)設(shè)計理念

“DNA分子的結(jié)構(gòu)”是人教版生物必修二第三章第二節(jié)的內(nèi)容。在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容以前，學(xué)生已通過“經(jīng)典遺傳實驗”知道了DNA是生物體主要的遺傳物質(zhì)，然而DNA為什么能夠儲存遺傳信息，學(xué)生并不理解，本節(jié)正是基于“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的生命觀念，通過“模型與建?！钡目茖W(xué)思維來解決這一問題?；诖耍竟?jié)教學(xué)目標(biāo)定位如下：根據(jù)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型建構(gòu)的生命科學(xué)史，建構(gòu)DNA物理模型，歸納DNA分子的空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn);比較模型，分析DNA是如何儲存遺傳信息的，歸納DNA分子特性;融匯情境，多維立體地培養(yǎng)生物學(xué)核心素養(yǎng)。

2 教學(xué)過程

2.1 情境激趣 引入新知

播放“英雄回家！”視頻：通過DNA檢測比對，6位志愿軍烈士確定身份和親緣關(guān)系，實現(xiàn)“認(rèn)親”。引入問題：為什么檢測比對DNA能確定親緣關(guān)系？DNA是如何實現(xiàn)儲存遺傳信息這一功能的？你準(zhǔn)備從什么角度研究以上問題，說出你的看法。

因為學(xué)生必修一通過蛋白質(zhì)等分子的學(xué)習(xí)具備了“結(jié)構(gòu)決定功能”的生命觀念，很快想到要從“DNA分子的結(jié)構(gòu)”入手解決“DNA如何實現(xiàn)存儲遺傳信息這一功能”的問題。教師展示“甲烷模型”、“氨基酸模型”引出科學(xué)上經(jīng)常通過搭建模型來解析分子的結(jié)構(gòu)，今天我們就順著科學(xué)家的足跡來一起搭建DNA分子結(jié)構(gòu)模型。

2.2 “畫點(diǎn)”—建構(gòu)DNA基本單位模型

教師設(shè)問：當(dāng)時科學(xué)界對DNA 的認(rèn)識是DNA是生物大分子，是由一個個基本單位構(gòu)成的長鏈，這個基本單位是什么？學(xué)生能說出脫氧核苷酸。教師請每個小組打開桌上的教具盒，取出塑料教具，分析圓球、五邊形、長方形、短棒分別代表什么，它們是如何構(gòu)成脫氧核苷酸的。并請小組同學(xué)動手操作，每人構(gòu)建2個脫氧核苷酸模型，相互比較說出其不同。

學(xué)生基于必修一知識能說出圓球、五邊形和長方形、短棒分別代表磷酸、脫氧核糖、堿基和化學(xué)鍵。利用以上元件構(gòu)建好脫氧核苷酸模型，組內(nèi)對比能說出脫氧核苷酸的不同在于堿基種類的不同。

2.3 “連線”—構(gòu)建一條DNA鏈

教師展示當(dāng)時科學(xué)界對DNA的認(rèn)識—每一個核苷酸的糖基團(tuán)以化學(xué)方式與另一個核苷酸的磷酸連在一起，形成糖—磷酸骨架[1]。教師展示“3′，5′-磷酸二酯鍵”連接方式，請小組同學(xué)合作構(gòu)建兩條含4個脫氧核苷酸的DNA鏈。

學(xué)生小組合作，用短棒代表化學(xué)鍵將核苷酸相連，組成兩條含4個脫氧核苷酸的DNA鏈。

2.4 “成面”—構(gòu)建DNA雙鏈

2.4.1 DNA鏈條數(shù)的探究

教師呈示富蘭克林的DNA X射線衍射圖譜[2]，科學(xué)家分析圖譜顯示：DNA結(jié)構(gòu)的螺旋周期性;分子直徑保持不變（2 nm）。沃森和克里克由此將DNA鎖定在雙螺旋或三螺旋，但威爾金斯指出，3條鏈的DNA模型推算出的含水量只是實際測得的1/10。教師設(shè)問：根據(jù)以上資料，分析DNA由幾條鏈組成，空間結(jié)構(gòu)是怎樣的。

學(xué)生討論得出：DNA由2條鏈組成，空間結(jié)構(gòu)為雙鏈螺旋。

2.4.2 兩條鏈間相連方式的探究

教師請小組同學(xué)將DNA兩條鏈拼接在一起，學(xué)生構(gòu)建出：“堿基內(nèi)側(cè)，糖—磷酸骨架外側(cè)”和“堿基外側(cè)，糖—磷酸骨架內(nèi)側(cè)”兩種模型。教師出示資料：堿基疏水，脫氧核糖和磷酸親水。請學(xué)生結(jié)合DNA所處的環(huán)境思考兩條鏈如何相連。

學(xué)生有了“磷酸頭部親水，尾部疏水”構(gòu)建細(xì)胞膜模型的經(jīng)驗，結(jié)合DNA處在水中這一環(huán)境，能夠說出第二種模型不符合化學(xué)規(guī)律，從而建構(gòu)出“堿基內(nèi)側(cè)，糖—磷酸骨架外側(cè)”的DNA模型。

2.4.3 堿基配對方式的探究

教師ppt展示四種堿基結(jié)構(gòu)式，學(xué)生比對手中模型發(fā)現(xiàn)嘧啶堿基由于雙環(huán)，比單環(huán)的嘌呤堿基更長。教師呈示問題：嘗試拼接模型，思考堿基如何配對能保證分子直徑恒定不變（2 nm）？

學(xué)生拼接模型得出只有嘌呤堿基和嘧啶堿基配對，才能保證直徑不變，但具體哪種嘌呤配對哪種嘧啶堿基小組各不相同。教師呈示查哥夫“幾種生物DNA分子堿基量的分析表”，學(xué)生發(fā)現(xiàn)規(guī)律：A總是接近于T，C總是接近于G，得出結(jié)論“A—T，C—G”配對。小組同學(xué)構(gòu)建出“A—T，C—G”配對的DNA雙鏈模型。

2.5 “轉(zhuǎn)體”—構(gòu)建DNA雙螺旋空間結(jié)構(gòu)模型

教師引導(dǎo)一個大組的同學(xué)將各小組的DNA雙鏈拼接成一個更大的DNA片段，嘗試螺旋，建構(gòu)DNA空間結(jié)構(gòu)模型。學(xué)生對比發(fā)現(xiàn)三大組的三個DNA片段有的“左旋”，有的“右旋”。教師展示中關(guān)村DNA雕塑圖片，請同學(xué)對比模型的不同。

學(xué)生觀察得出DNA右旋，修正模型為“DNA右旋”，全班構(gòu)建起3個DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。

2.6 歸納概括，情境升華

教師讓全班對比三個DNA模型，分析異同點(diǎn)。學(xué)生觀察得出：①DNA空間結(jié)構(gòu)相同：兩條鏈盤旋成雙螺旋結(jié)構(gòu)，外側(cè)脫氧核糖和磷酸構(gòu)成基本骨架，內(nèi)側(cè)堿基對，堿基互補(bǔ)配對方式相同（穩(wěn)定性）;②不同之處在于堿基排列方式不同（多樣性）。

教師引導(dǎo)學(xué)生回歸情境：為什么檢測比對DNA能確定烈士和子女的親緣關(guān)系？DNA是如何儲存遺傳信息的？學(xué)生得出：每個人的堿基排序都是特定的（特異性），遺傳信息就儲存在四種堿基的排列順序中。

3 教學(xué)反思

本節(jié)課融匯科學(xué)史，通過模型建構(gòu)培養(yǎng)了學(xué)生“模型與建?！钡目茖W(xué)思維，樹立了“基于結(jié)構(gòu)研究功能”的生命觀念，應(yīng)用所學(xué)解決現(xiàn)實問題，升華了學(xué)生的社會責(zé)任。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王永勝.生物學(xué)核心概念的發(fā)展[M].北京：人民教育出版社，2011：88-93.

[2] 張建.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)者——莫里斯·威爾金斯[J].生物學(xué)通報，2017，52（12）：56-58.