模型構(gòu)建和科學(xué)史相結(jié)合下的任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)

任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)模式是依據(jù)教材內(nèi)容設(shè)計(jì)與學(xué)科知識(shí)關(guān)聯(lián)度比較高的合作探究任務(wù)，并在后續(xù)的學(xué)習(xí)過程中以任務(wù)為核心，層層推進(jìn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維以及科學(xué)探究精神。本文以模型構(gòu)建和科學(xué)史為依托，進(jìn)行任務(wù)驅(qū)動(dòng)式學(xué)習(xí)DNA的結(jié)構(gòu)。

一、教材分析及設(shè)計(jì)思路

人教版高中生物必修2第3章《DNA的結(jié)構(gòu)》，主要包括三部分：DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建；DNA的結(jié)構(gòu)（重難點(diǎn)）；DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的制作。本節(jié)課既是對(duì)前面“核酸是遺傳信息的攜帶者”的進(jìn)一步學(xué)習(xí)，又為后面學(xué)習(xí)DNA的復(fù)制、基因表達(dá)、中心法則以及基因工程等內(nèi)容做了鋪墊，因此本節(jié)課具有承前啟后的作用。

高一年級(jí)的學(xué)生通過對(duì)核酸相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，對(duì)DNA的結(jié)構(gòu)有了初步的了解，但是因?yàn)檫€沒有學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)相關(guān)知識(shí)，理解有機(jī)大分子的抽象的微觀結(jié)構(gòu)有一定難度。此外DNA分子結(jié)構(gòu)的內(nèi)容實(shí)際上是多學(xué)科內(nèi)容的融合，對(duì)學(xué)生的思維提出更高的要求。因此，本節(jié)課以“沃森、克里克構(gòu)建DNA模型的探索歷程”為主線充分利用教材中提供的豐富的科學(xué)史資料，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方式，通過對(duì)科學(xué)史的分析、討論，回答相關(guān)問題，完成相應(yīng)的任務(wù)并動(dòng)手逐步構(gòu)建出DNA的雙螺旋模型，從而達(dá)到知行合一的目的。

二、教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，本節(jié)的重要概念為：DNA分子是由四種脫氧核糖核苷酸構(gòu)成，通常由兩條堿基互補(bǔ)配對(duì)的反向平行長鏈構(gòu)成雙螺旋結(jié)構(gòu)，并結(jié)合本章的大概念制定以下教學(xué)目標(biāo)：

（1）生命觀念：通過對(duì)科學(xué)史的分析和討論以及逐步構(gòu)建的DNA雙螺旋模型，培養(yǎng)結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

（2）科學(xué)思維：通過對(duì)科學(xué)史的分析和討論以及逐步構(gòu)建的DNA雙螺旋模型，提高綜合分析能力、模型構(gòu)建能力、空間想象力、理解多學(xué)科融合以及開展合作的必要性促進(jìn)科學(xué)思維的深入發(fā)展。

（3）科學(xué)探究：通過DNA雙螺旋的構(gòu)建過程，掌握一般的研究方法、研究過程，學(xué)會(huì)科學(xué)探究的基本思路和方法。

（4）社會(huì)責(zé)任：鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家善于合作、持之以恒的科學(xué)精神，提升自我，樹立遠(yuǎn)大理想，形成社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

三、教學(xué)過程

1. 播放利用廚房材料提取DNA的視頻，引出學(xué)習(xí)內(nèi)容

播放利用廚房材料提取DNA的視頻并展示實(shí)驗(yàn)材料香蕉和菜花的提取結(jié)果。讓學(xué)生觀察香蕉和菜花的DNA并提出問題：兩者的DNA看起來沒有區(qū)別，但這是兩種不同的生物，遺傳物質(zhì)DNA肯定是不一樣的，那么它們具體哪里不一樣？進(jìn)而引出DNA的結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)意圖：通過學(xué)生講解利用廚房中的各種材料提取DNA的過程并展示結(jié)果，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)DNA的感性認(rèn)識(shí)。利用觀察的結(jié)果并結(jié)合理論知識(shí)提出問題，激發(fā)學(xué)生的探索欲和求知欲。

2. 分析科學(xué)史，構(gòu)建DNA模型

任務(wù)一：構(gòu)建單個(gè)脫氧核糖核苷酸

學(xué)生回憶核酸內(nèi)容依次回答以下4個(gè)問題：（1）DNA的基本單位是什么？（2）元素組成是什么？（3）脫氧核苷酸的組成是什么？它們之間是如何連接的？（4）堿基有幾種？并呈現(xiàn)四種堿基的結(jié)構(gòu)式。

活動(dòng)一：5人小組利用信封中的各種彩色卡片，訂書機(jī)等材料制作5個(gè)脫氧核糖核苷酸模型，用馬克筆標(biāo)出關(guān)鍵的成分，小組之間進(jìn)行展示，并對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題提出修改意見。

設(shè)計(jì)意圖：通過回憶基礎(chǔ)知識(shí)，以小組為單位動(dòng)手制作DNA的基本單位以及小組之間展示、交流、修正。培養(yǎng)了學(xué)生的合作探究精神以及發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力。

任務(wù)二：構(gòu)建脫氧核糖核苷酸單鏈

資料一：1951年11月，英國物理學(xué)家富蘭克林通過數(shù)據(jù)計(jì)算得出：一個(gè)脫氧核苷酸的脫氧核糖和另一個(gè)脫氧核苷酸的磷酸之間會(huì)發(fā)生連接。資料二：20世紀(jì)50年代初期，英國化學(xué)家托德提出“一分子脫氧核苷酸的3號(hào)碳原子上的羥基與另一分子脫氧核苷酸的5號(hào)碳原子端的磷酸基團(tuán)之間通過脫水縮合形成磷酸二酯鍵，由磷酸二酯鍵將脫氧核苷酸連接成長鏈”。

活動(dòng)二：以小組為單位分析資料一和二，將制作好的5個(gè)基本單位連接成單鏈，進(jìn)行展示和交流并引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比小組之間的單鏈有什么不同。

設(shè)計(jì)意圖：通過對(duì)資料的分析，培養(yǎng)學(xué)生的閱讀能力以及提取和整合信息的能力。通過對(duì)比單鏈之間的不同，引導(dǎo)學(xué)生得出堿基的排列順序是千變?nèi)f化的。

任務(wù)三：構(gòu)建DNA的平面結(jié)構(gòu)

資料三：沃森和克里克提出了堿基在外側(cè)，脫氧核糖—磷酸在內(nèi)側(cè)的三螺旋模型，但是富蘭克林通過測(cè)定DNA的含水量和密度值，推測(cè)DNA更接近兩條鏈從而否定了三鏈模型。

教師依次提問：通過對(duì)資料三的分析，同學(xué)們可以推出DNA有幾條鏈構(gòu)成？以小組為單位討論一下DNA的這兩條鏈如何排布？通過教師的引導(dǎo)學(xué)生會(huì)提出兩種假設(shè)。假設(shè)一：堿基在內(nèi)側(cè)，磷酸和脫氧核糖在外側(cè)。假設(shè)二：堿基在外側(cè)，磷酸和脫氧核糖在內(nèi)側(cè)。到底哪種假設(shè)正確呢？教師提供資料四。

資料四：磷脂雙分子層具有疏水的尾部和親水的頭部，脫氧核苷酸的含氮堿基具有疏水性，磷酸集團(tuán)具有親水性。

教師依次提問：細(xì)胞中的DNA處于一個(gè)什么樣的環(huán)境？根據(jù)資料四你認(rèn)為哪個(gè)假設(shè)是正確的？通過引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)為假設(shè)——正確。

教師提出問題：那么DNA的兩條鏈之間怎么連接呢？展示資料五、六、七。

資料五：數(shù)學(xué)家格里菲斯通過計(jì)算堿基之間的吸引力，推出堿基之間依靠氫鍵連接。

資料六：從定量的角度，歐文·查哥夫研究了DNA四種堿基的比例組成。1947—1952年，查哥夫通過紙層析法分離得到堿基，再用紫外吸收光譜進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)在摩爾量上，A=T，G=C。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為：A=30.9%；T=29.4%；G=19.9%；C=19.8%

資料七：1953年，克里克從佩魯茲那里得到一個(gè)重要信息：DNA的晶體形式旋轉(zhuǎn)180°后與原來的形式完全重疊。

教師提出問題：通過對(duì)四則資料的分析分別得出什么結(jié)論？引導(dǎo)學(xué)生得出堿基互補(bǔ)配對(duì)原則即A與T配對(duì)，它們之間有兩個(gè)氫鍵；C與G配對(duì)，它們之間有三個(gè)氫鍵；DNA的兩條鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械摹?/p>

活動(dòng)三：以小組為單位制作另一條具有相同數(shù)量基本單位的DNA單鏈，并把這兩條單鏈制成DNA的平面結(jié)構(gòu)，完成后小組代表進(jìn)行展示、解說。

設(shè)計(jì)意圖：通過不斷提供相關(guān)科學(xué)史資料，培養(yǎng)學(xué)生篩選關(guān)鍵信息，并對(duì)信息進(jìn)行處理、分析、討論最終得出結(jié)論的能力。通過問題串的方式，層層推進(jìn)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度思考，通過科學(xué)史等證據(jù)對(duì)原有的認(rèn)知不斷進(jìn)行修正，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)探索是一個(gè)不斷批判、不斷修正、不斷前進(jìn)的曲折、漫長過程；通過模型構(gòu)建的過程讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到合作探究的重要性。

任務(wù)四：構(gòu)建DNA的空間結(jié)構(gòu)

克林應(yīng)用衍射技術(shù)獲得了高質(zhì)量的DNA衍射圖，沃森和克里克主要以該照片為基礎(chǔ)，推算出了DNA的空間結(jié)構(gòu)。

利用彈簧和激光筆模擬衍射圖像，以及拉伸彈簧后的夾角變大的衍射圖像。從而推出DNA是一個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)。

引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步仔細(xì)觀察DNA的衍射圖，條帶并不是均勻的，再結(jié)合已知的DNA是雙鏈，由于兩條鏈間的遮擋作用才出現(xiàn)不均勻的情況。由此，可以推出DNA的空間結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu)。

活動(dòng)四：構(gòu)建DNA的空間結(jié)構(gòu)并說說DNA的結(jié)構(gòu)具有什么樣的特點(diǎn)。

設(shè)計(jì)意圖：通過學(xué)習(xí)雙縫實(shí)驗(yàn)以及利用彈簧和激光筆演示衍射實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)DNA空間結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)的發(fā)現(xiàn)都是多學(xué)科知識(shí)融合的結(jié)果。

四、教學(xué)反思

通過實(shí)驗(yàn)演示和任務(wù)驅(qū)動(dòng)將抽象的知識(shí)具體化，有助于學(xué)生理解DNA的結(jié)構(gòu)；通過問題串的形式層層推進(jìn)將知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來，有助于學(xué)生自己構(gòu)建知識(shí)體系；通過對(duì)科學(xué)史的分析，有助于培養(yǎng)學(xué)生的獲取、處理、整合信息得出結(jié)論的能力；通過模型構(gòu)建，有助于培養(yǎng)學(xué)生的合作探究能力和動(dòng)手能力。同時(shí)由于時(shí)間的限制，本節(jié)課的容量非常大，需要合理安排好各個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)間。

（作者單位：山東省青島第一中學(xué)）