利用模型建構(gòu)培養(yǎng)科學(xué)思維的教學(xué)實踐
——以“核酸分子的結(jié)構(gòu)”為例

重慶市南川中學(xué)校 黃小琪

重慶市南川區(qū)教育科學(xué)研究所 譚 潔

北京市昌平區(qū)第一中學(xué) 周有祥

筆者在北師大版生物學(xué)必修二《遺傳與進化》的“核酸分子的結(jié)構(gòu)”一節(jié)課的教學(xué)中，嘗試讓學(xué)生重溫科學(xué)探索之旅，逐步構(gòu)建出DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。從而達到構(gòu)建概念，培養(yǎng)科學(xué)思維的目的。

一、教學(xué)分析

（一）課標(biāo)分析

從課標(biāo)的要求看，本節(jié)課內(nèi)容是從分子角度闡述遺傳信息的本質(zhì)，進一步形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念，為學(xué)生學(xué)習(xí)DNA的復(fù)制和表達奠定基礎(chǔ)。為促進學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的提升，課標(biāo)建議開展的活動是：①收集DNA分子結(jié)構(gòu)模型建立過程的資料并進行討論和交流；②制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。

（二）教材分析

以課標(biāo)為依據(jù)，教材編排的內(nèi)容包括DNA結(jié)構(gòu)探索科學(xué)史、DNA分子結(jié)構(gòu)、DNA的堿基排序與遺傳信息關(guān)系、RNA分子結(jié)構(gòu)以及制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型五部分。因此，在實際教學(xué)中，本節(jié)課需要重溫或者建構(gòu)的概念包括：①DNA分子是由四種脫氧核苷酸構(gòu)成的；②DNA通常由兩條堿基互補配對的反向平行長鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)；③DNA堿基的排列順序編碼了遺傳信息；④RNA是由多核糖核苷酸組成的單鏈。運用模型與建模有利于學(xué)生解讀DNA多樣性、特異性和穩(wěn)定性的特征，奠定理解生物學(xué)的多樣性及物種穩(wěn)定性的物質(zhì)基礎(chǔ)。

（三）學(xué)情分析

高中生的思維水平、學(xué)習(xí)能力已經(jīng)發(fā)展到一定的階段，具有一定的抽象思維能力與分析、推理能力，并具備數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)知識基礎(chǔ)。學(xué)生喜歡動手操作，且絕大部分學(xué)生對揭秘“遺傳信息”非常感興趣?；谡n標(biāo)、教材與學(xué)情，教師制訂教學(xué)目標(biāo)如下。

二、教學(xué)目標(biāo)

生命觀念：在理解DNA和RNA分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，能運用結(jié)構(gòu)與功能觀，闡明堿基的排列順序編碼了遺傳信息。

科學(xué)思維與科學(xué)探究：基于DNA和RNA的分子結(jié)構(gòu)特征，能選用合適的材料和用具，設(shè)計方案制作DNA和RNA的分子結(jié)構(gòu)模型，論述DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)對促進分子生物學(xué)發(fā)展的意義。

社會責(zé)任：關(guān)注分子遺傳學(xué)領(lǐng)域的成果與進展，展示和交流相關(guān)的社會熱點問題及科技前沿問題。

三、模型建構(gòu)過程

（一）問題情境導(dǎo)入

教師行為：【提供資料——PPT展示】刑偵案例中，被害者體內(nèi)的精液DNA指紋圖，以及三個嫌疑人的DNA指紋圖，并提出問題誰是真正的罪犯？

學(xué)生活動：觀察圖片，思考并回答誰是真正的罪犯。DNA具有什么樣的結(jié)構(gòu)使它可以作為斷案的依據(jù)？

設(shè)計意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生思考什么樣的結(jié)構(gòu)才使DNA具有這樣的功能，創(chuàng)造認(rèn)知差，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，引入模型想象。

（二）任務(wù)一：制作四種脫氧核苷酸模型

教師行為：提供米歇爾、科賽爾和利文等人研究的資料及核苷酸圖片。

學(xué)生活動：閱讀資料，觀察磷酸、脫氧核糖、四種堿基的結(jié)構(gòu)圖?；仡橠NA、RNA分子的核苷酸的種類和組成，利用手上的一個帶磁性的白板、若干帶磁性堿基平面模型、脫氧核糖平面模型、磷酸平面模型、化學(xué)鍵模型以及雙面膠，構(gòu)建各種脫氧苷酸平面模型（圖1）。

圖1 原材料和學(xué)生構(gòu)建的脫氧核苷酸

設(shè)計意圖：厘清容易混淆的脫氧核糖核酸、脫氧核糖核苷酸、脫氧核糖等名詞區(qū)別；回憶脫氧核苷酸的組成，建立最基本的分子模型（脫氧核苷酸三個組成部分之間的位置關(guān)系）。建構(gòu)“DNA分子是由四種脫氧核苷酸構(gòu)成的”的基本概念。

（三）任務(wù)二：構(gòu)建多脫氧核苷酸鏈模型

教師行為：【提供資料——PPT展示】早在20世紀(jì)30年代科學(xué)家就已經(jīng)知道相鄰兩個脫氧核苷酸是通過脫去一分子水并形成磷酸二酯鍵連接起來的；介紹五碳糖的碳原子編號、磷酸二酯鍵、單鏈方向3′端和5′端等相關(guān)知識。

學(xué)生活動：以小組為單位，利用構(gòu)建好的脫氧核苷酸模型，在白板左側(cè)構(gòu)建一條多脫氧核苷酸鏈（圖2）。

圖2 學(xué)生構(gòu)建的多脫氧核苷酸單鏈

設(shè)計意圖：構(gòu)建多脫氧核苷酸鏈模型，為構(gòu)建DNA雙鏈打下基礎(chǔ)。同時弄清楚DNA單鏈的結(jié)構(gòu)，明確哪個鍵是脫氧核苷酸之間的鍵，哪個鍵是脫氧核苷酸內(nèi)部的鍵，為后面學(xué)習(xí)DNA聚合酶、限制酶、DNA連接酶等作用部位打下基礎(chǔ)。同時，了解當(dāng)時的研究背景，領(lǐng)悟科學(xué)發(fā)現(xiàn)的規(guī)律、方法和歷程。

（四）任務(wù)三：構(gòu)建DNA分子雙鏈模型

過渡：1951年沃森和克里克，就是在已知這樣一條多脫氧核苷酸鏈，以及在多位科學(xué)家提供數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，開啟了他們DNA模型的構(gòu)建之旅。

1.科學(xué)史——DNA具有兩條鏈

教師行為：【提供資料——PPT展示】富蘭克林通過衍射圖譜得出DNA的直徑為2nm。經(jīng)過測定發(fā)現(xiàn)，無論是2條鏈還是3條鏈直徑都為2nm，因此她推測DNA可能由2條或者3條鏈構(gòu)成。接著，她又分別測定2條、3條鏈的DNA模型含水量，結(jié)果只有兩條鏈構(gòu)成的DNA的含水量與實際DNA相符。提問——DNA具有幾條鏈？

學(xué)生活動：分析資料，推測DNA具有兩條鏈。

設(shè)計意圖：分析資料得出DNA是兩條鏈的結(jié)論，為構(gòu)建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型奠定基礎(chǔ)。讓學(xué)生明白，一項結(jié)論的提出，是需要相關(guān)科學(xué)實驗結(jié)果作為支撐的。培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)資料，分析、歸納、總結(jié)的能力。

2.推理——DNA兩條鏈的排列方式

教師行為：【提供資料——PPT展示】科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，磷酸和脫氧核糖親水，堿基疏水，而DNA在細(xì)胞內(nèi)始終處于一個水環(huán)境中。提出問題——DNA的雙鏈的排列方式是什么？

學(xué)生活動：類比細(xì)胞膜的磷脂雙分子層的排列方式，推測DNA兩條鏈的排列方式：磷酸和脫氧核糖等親水基團排列在外側(cè)，堿基等疏水基團排列在內(nèi)側(cè)。

設(shè)計意圖：培養(yǎng)學(xué)生基于已知信息和已有知識提出假設(shè)，進行推理，逐步形成復(fù)雜的模型設(shè)想。

3.分析——堿基配對的方式

教師行為：【提供資料——PPT展示】DNA衍射圖譜揭示，堿基通過氫鍵連接成堿基對，且DNA雙鏈之間的距離恒等。教師提供4種堿基分子的結(jié)構(gòu)式，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)什么樣的配對方式才能使距離恒等。

學(xué)生活動：通過小組分析討論，比較堿基大小，以及配對的方式對雙鏈之間距離的影響，從而提出可能的配對方式：一個嘌呤和一個嘧啶配對。

設(shè)計意圖：通過觀察資料，初步判斷堿基配對是一個嘌呤和一個嘧啶配對，為后續(xù)確定堿基互補配對原則打下基礎(chǔ)，同時培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、分析信息的能力。

4.歸納——堿基互補配對原則

教師行為：【提供資料——PPT展示】1952年，查哥夫?qū)Χ喾N生物的DNA進行了堿基定量分析，并提供堿基的相關(guān)數(shù)據(jù)表格。提出問題——根據(jù)表格發(fā)現(xiàn)堿基之間有什么關(guān)系呢？

學(xué)生活動：通過比較表格中每一種生物內(nèi)各種堿基的數(shù)量，小組討論，總結(jié)得出不同堿基之間的數(shù)量關(guān)系，以及配對方式：A的數(shù)量=T的數(shù)量，C的數(shù)量=G的數(shù)量，以及A和T配對，G和C配對的結(jié)論。

設(shè)計意圖：根據(jù)資料分析推導(dǎo)獲取信息，分析歸納概括出規(guī)律，為模型的進一步構(gòu)建提供理論基礎(chǔ)。

5.確定——雙鏈之間連接的方式

教師行為：【提供資料——PPT展示】DNA分子的兩條鏈通過堿基之間的氫鍵結(jié)合在一起，A與T之間為2個氫鍵，而C與G之間為3個氫鍵。提問——哪種堿基對結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定？

學(xué)生活動：積極思考并比較，小組討論，堿基的種類、氫鍵的數(shù)量與DNA結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間的關(guān)系：G和C越多，氫鍵越多，相對作用力越大，DNA雙鏈結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。

設(shè)計意圖：通過資料信息分析，明確堿基對、氫鍵、DNA穩(wěn)定性之間的關(guān)系，在理解結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的基礎(chǔ)上培養(yǎng)邏輯思維能力。

6.初步構(gòu)建DNA分子雙鏈模型

教師行為：讓學(xué)生根據(jù)以上信息，在白板上做出DNA的雙鏈模型。選擇兩個擺法不同（反向平行與正向平行）的小組代表上臺展示。

學(xué)生活動：基于分步驟的信息積累，小組討論總結(jié)DNA具有的結(jié)構(gòu)特點，實現(xiàn)模型轉(zhuǎn)化，在白板上做出DNA的平面模型（圖3）。并派代表將他們的成果投影到多媒體上。

圖3 學(xué)生構(gòu)建的兩種DNA平面模型

設(shè)計意圖：檢測學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的掌握情況，同時鍛煉學(xué)生動手動腦的能力。擺上兩種典型的排列方式，為后續(xù)復(fù)雜模型的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生相互合作、共同探索的能力。給學(xué)生展示的平臺，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)自信。同時，也可以通過展示交流對學(xué)生進行表現(xiàn)性評價。

7.修正雙鏈模型——確定雙鏈方向

教師行為：【提供資料——PPT展示】富蘭克林發(fā)現(xiàn)，將DNA晶體水平旋轉(zhuǎn)180°獲得的X射線衍射圖仍然是一樣的。引導(dǎo)學(xué)生將自己的平面模型進行翻轉(zhuǎn)，從而找出旋轉(zhuǎn)后衍射圖仍然一樣的可能原因：兩條鏈?zhǔn)欠聪虻?，揭示反向平行的科學(xué)描述，一條鏈?zhǔn)?′→3′，另一條鏈?zhǔn)?′→5′。

學(xué)生活動：上臺展示的兩個學(xué)生將構(gòu)建的模型水平旋轉(zhuǎn)180°，比較翻轉(zhuǎn)前后的模型外觀是否一致。通過小組討論兩條鏈的方向：反向平行。然后各小組修正自己的DNA模型，并展示。

設(shè)計意圖：激發(fā)學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)資料獲取信息，基于實證修正模型的能力。讓學(xué)生明白，科學(xué)研究的道路，困難重重，任何一項發(fā)現(xiàn)都不是一蹴而就的，需要腳踏實地、堅持不懈的科學(xué)態(tài)度。

8.確定DNA分子的空間結(jié)構(gòu)

教師行為：PPT展示DNA的X射線衍射圖，再將兩個彈簧放置在一起，現(xiàn)場用激光筆照射彈簧形成一個衍射圖（圖4），供學(xué)生與DNA衍射圖譜對比分析，推斷出DNA的空間結(jié)構(gòu)是雙螺旋。分析完成后，教師圖片展示DNA的平面結(jié)構(gòu)模式圖，以及沃森、克里克最終用金屬材料搭建的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)立體模型。

圖4 彈簧的激光衍射圖

學(xué)生活動：比較科學(xué)家所做的DNA的X光衍射圖，與現(xiàn)場所做的彈簧的激光衍射圖，推測它們在結(jié)構(gòu)上的相似之處——雙螺旋結(jié)構(gòu)。

設(shè)計意圖：通過對比彈簧的激光衍射圖與DNA的X光衍射圖，推測DNA的空間結(jié)構(gòu)。并將自己的模型成果優(yōu)化為雙螺旋。

9.解讀DNA的多樣性和特異性

教師行為：引導(dǎo)各組學(xué)生和周圍小組比較彼此模型中堿基序列的差異。并提問——DNA的遺傳信息是什么？為什么可以用DNA、指紋技術(shù)來確認(rèn)案件的真兇？

學(xué)生活動：比較自己組所做模型和周圍組的區(qū)別（圖5），體會DNA具有多樣性和特異性的特點，同時體會DNA的遺傳信息就是堿基對的排列順序。每個人的DNA序列都不完全一樣，所以可以用作刑偵案件的證據(jù)。

圖5 學(xué)生構(gòu)建的兩種序列

設(shè)計意圖：對模型內(nèi)涵進行觀察思考，從結(jié)構(gòu)上論證DNA的多樣性和特異性，進一步引導(dǎo)學(xué)生體會結(jié)構(gòu)決定功能的思想。讓學(xué)生了解到DNA的多樣性和特異性在生物個體層面的表現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注DNA檢測技術(shù)在實際生活中的應(yīng)用。

（五）任務(wù)四：歸納總結(jié)DNA分子的結(jié)構(gòu)

教師行為：提出問題——DNA的結(jié)構(gòu)有哪些特點呢？引導(dǎo)學(xué)生對DNA的結(jié)構(gòu)特點進行總結(jié)。

學(xué)生活動：小組討論總結(jié)，并派代表回答。

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形成堿基對，且遵循堿基互補配對原則。

設(shè)計意圖：通過了DNA結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，學(xué)生對DNA的結(jié)構(gòu)有了一定的印象，鼓勵學(xué)生歸納總結(jié)，一方面，將散亂的知識整理為成體系的知識；另一方面，培養(yǎng)學(xué)生的歸納總結(jié)能力及交流表達能力。

（六）任務(wù)五：構(gòu)建RNA分子結(jié)構(gòu)模型

教師行為：所有細(xì)胞生物和部分病毒的遺傳物質(zhì)是DNA。但某些病毒，如HIV、煙草花葉病毒、新冠病毒、流感病毒等遺傳物質(zhì)是RNA。并提問——RNA的結(jié)構(gòu)是什么？在結(jié)構(gòu)和組成上和DNA有哪些異同？誰的結(jié)構(gòu)會更穩(wěn)定？誰更容易發(fā)生變異？它又如何存儲遺傳信息呢？

學(xué)生活動：自主完成教材13頁內(nèi)容，類比DNA的結(jié)構(gòu)回答問題——RNA通常是單鏈，有些區(qū)域也可形成雙鏈；RNA的五碳糖是核糖，構(gòu)成RNA的堿基是A、U、G、C，沒有T，和A配對的堿基是U；DNA比RNA分子結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定；所以RNA病毒更容易變異；RNA的遺傳信息是由核糖核苷酸的排列順序編碼?；卮鹜瓿珊?，構(gòu)建出RNA的平面模型。

設(shè)計意圖：通過構(gòu)建RNA分子結(jié)構(gòu)模型，培養(yǎng)學(xué)生掌握RNA結(jié)構(gòu)特點的同時，學(xué)會用已有知識類比學(xué)習(xí)新知識的能力。通過對比兩種核酸的穩(wěn)定性，讓學(xué)生明白新冠病毒等RNA病毒變異性強的原因，鼓勵學(xué)生用已學(xué)知識解釋現(xiàn)實生活中的現(xiàn)象，從而培養(yǎng)學(xué)生關(guān)心醫(yī)療、健康等方面的社會責(zé)任感。

四、教學(xué)反思

教師應(yīng)當(dāng)注意的是，模型建構(gòu)的過程環(huán)節(jié)較多，課堂教學(xué)中要注意時間的把控，需要課前精選基本材料（包括信息），確保教學(xué)時效。