“DNA分子的結(jié)構(gòu)”一節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)

許寶雁 鄭香梅

(河北省秦皇島市第一中學(xué) 066000)

1 教材分析及設(shè)計(jì)思路

“DNA分子的結(jié)構(gòu)”是人教版高中生物學(xué)教材《遺傳與進(jìn)化》第三章第二節(jié)的內(nèi)容，本節(jié)包括DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建構(gòu)歷程、DNA分子的結(jié)構(gòu)以及制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型三部分內(nèi)容。教學(xué)重點(diǎn)是DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)、制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。教學(xué)難點(diǎn)是DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)。本節(jié)內(nèi)容是本冊教材承前啟后的重要內(nèi)容：只有明確了DNA分子的結(jié)構(gòu)，才能明確DNA為什么相對穩(wěn)定、DNA復(fù)制的機(jī)理、DNA如何指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成、如何變異等。本節(jié)內(nèi)容也是第4章基因的表達(dá)、第5章基因突變及其他變異的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。

DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建構(gòu)歷程在教材中有比較詳細(xì)的介紹，筆者認(rèn)為教學(xué)中要體現(xiàn)教材的設(shè)計(jì)意圖，即讓學(xué)生體驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?gòu)的方法，了解在生物學(xué)的研究中需要多學(xué)科知識的綜合運(yùn)用、需要科學(xué)思維方法和科學(xué)研究方法。

2 教學(xué)目標(biāo)

2.1 知識目標(biāo) 通過分析DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，歸納DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)。

2.2 能力目標(biāo) 通過分析和制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，培養(yǎng)觀察分析能力、動(dòng)手操作能力和空間想象能力；通過分析歸納DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)，培養(yǎng)分析概括能力。

2.3 情感態(tài)度和價(jià)值觀目標(biāo) 認(rèn)同多學(xué)科知識的綜合應(yīng)用，認(rèn)同前人的成果和與人合作在生物科學(xué)研究中的重要性；明確科學(xué)探索需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和鍥而不舍的科學(xué)精神。

3 教學(xué)過程

3.1 設(shè)疑激趣，引出課題 展示2001年美國紐約911恐怖襲擊事件的圖片，由于爆炸造成大量人員傷亡并且遺體遭到嚴(yán)重破壞，以至于身份無法辨認(rèn)，請同學(xué)們聯(lián)系所學(xué)知識思考用什么方法解決。投影展示薩達(dá)姆不同時(shí)期照片，提問美國軍方如何判斷逮捕的薩達(dá)姆是真是假？由此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并設(shè)疑引題“為什么DNA的鑒定能確定一個(gè)人的身份？DNA的分子結(jié)構(gòu)是怎樣的？”激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)DNA分子結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識、運(yùn)用知識解決問題的好奇心。

3.2 溫故知新，建構(gòu)DNA基本單位——脫氧核苷酸 復(fù)習(xí)提問DNA的基本單位——脫氧核苷酸的組成，通過分析脫氧核苷酸的結(jié)構(gòu)式，使學(xué)生理解脫氧核糖1、3、5號碳位的特點(diǎn)，為將要進(jìn)行的DNA分子模型制作做準(zhǔn)備。

對照模型組分(圖1)介紹模型構(gòu)件和需要注意的事項(xiàng)。所用模型為球棍插接模型，強(qiáng)調(diào)：大球代表脫氧核糖，S面朝上，右側(cè)大孔為1碳位，左上方小孔為5碳位，左下方小孔為3碳位(脫氧核糖碳位必須標(biāo)記清楚)，小白球表示磷酸，四種堿基分別用不同形狀結(jié)構(gòu)表示，有字一面朝上，白色細(xì)棍代表連接各組分的化學(xué)鍵。

要求小組內(nèi)每位學(xué)生至少構(gòu)建兩個(gè)脫氧核苷酸模型。然后組內(nèi)展示所制作的模型，教師巡視并及時(shí)糾錯(cuò)。

3.3 小組合作，建構(gòu)DNA單鏈——脫氧核苷酸長鏈 教師展示兩個(gè)脫氧核苷酸的結(jié)構(gòu)式，提示：磷酸基團(tuán)很容易與脫氧核糖上的羥基反應(yīng)，讓學(xué)生分析基本單位之間的連接方式。即前一個(gè)脫氧核苷酸3碳位的-OH與后一個(gè)脫氧核苷酸磷酸基的-OH脫去一分子

水后，形成化學(xué)鍵連接起來。教師要求每個(gè)小組利用剛才完成的脫氧核苷酸模型，連接1條脫氧核苷酸單鏈。各小組展示成果，師生共同評價(jià)，對連接錯(cuò)誤及時(shí)糾正，各組得到正確脫氧核苷酸單鏈。并通過觀察，認(rèn)同磷酸與脫氧核糖的交替排列方式。

3.4 多方探究，建構(gòu)DNA平面結(jié)構(gòu) 沃森和克里克分析威爾金斯、富蘭克林的DNA衍射圖譜得出DNA分子呈螺旋結(jié)構(gòu)。他們嘗試多種雙螺旋和三螺旋，讓堿基位于外部，這種結(jié)構(gòu)被否定。教師提問這種結(jié)構(gòu)被否定的原因，引導(dǎo)學(xué)生分析不同的化學(xué)基團(tuán)的親、疏水性，學(xué)生分析得出：含氮堿基為疏水部分，磷酸和五碳糖為親水部分，應(yīng)該親水部分在外，疏水部分在內(nèi)。沃森和克里克建構(gòu)磷酸和脫氧核糖在外、堿基在內(nèi)部的雙螺旋，但A與A配對、T與T配對(同型堿基配對)，又被化學(xué)家否定。提問為什么被否定？教師投影給出1952年奧地利生物化學(xué)家查哥夫的研究結(jié)論：幾乎所有的DNA,無論種屬來源如何，其腺嘌呤摩爾含量與胸腺嘧啶摩爾含量相同，即A=T,鳥嘌呤摩爾含量與胞嘧啶摩爾含量相同，即G=C，總的嘌呤摩爾含量與總的嘧啶摩爾含量相同，即A+G =T+C。再展示美國化學(xué)家多諾休提供的正確的A、T、G、C四種堿基分子結(jié)構(gòu)圖，學(xué)生明白了A、G為雙環(huán)結(jié)構(gòu)，T、C為單環(huán)結(jié)構(gòu)，同型配對得到的DNA模型不規(guī)則。

沃森和克里克參照查哥夫和多諾休的研究成果建構(gòu)新的DNA模型，發(fā)現(xiàn)A-T堿基對與G-C堿基對具有相同的形狀和直徑，這樣組成的DNA分子呈規(guī)則的雙鏈結(jié)構(gòu)，具有穩(wěn)定的直徑，提出A與T、G、C配對的堿基互補(bǔ)配對原則，堿基間以氫鍵相連。分析清楚后要求各小組學(xué)生利用已做好的脫氧核苷酸單鏈建構(gòu)DNA分子的雙鏈平面結(jié)構(gòu)模型，強(qiáng)調(diào)要讓兩條鏈中的堿基處于雙螺旋內(nèi)側(cè)，且脫氧核糖必須S面朝上3碳位與5碳位才正確，教師巡視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)各小組制作中存在的問題，通過展示有不同錯(cuò)誤的模型，師生共同評析，達(dá)成正確共識。此時(shí)的DNA雙鏈結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建最關(guān)鍵的是堿基互補(bǔ)配對和兩條鏈反向平行，尤其是兩條鏈反向平行，由于教師一再強(qiáng)調(diào)脫氧核糖的碳位，學(xué)生制作的兩條脫氧核苷酸單鏈必須反向平行才能連接起來，克服了教材平面圖難以理解的缺點(diǎn)。

3.5 建構(gòu)空間模型，明確DNA空間結(jié)構(gòu) 教師指導(dǎo)學(xué)生左手在下、右手在上拿好DNA分子的雙鏈平面結(jié)構(gòu)模型，向右旋轉(zhuǎn)一定角度，形成螺旋，構(gòu)成空間結(jié)構(gòu)。然后教師展示DNA分子結(jié)構(gòu)教學(xué)模型，指導(dǎo)學(xué)生觀察，對照模型強(qiáng)調(diào)雙螺旋的外側(cè)和內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)。

至此，DNA大分子的結(jié)構(gòu)從“點(diǎn)(脫氧核苷酸)”到“線(脫氧核苷酸單鏈)”到“面(雙鏈DNA)”再到“體”(雙螺旋結(jié)構(gòu))，就被完全建構(gòu)起來。學(xué)生通過制作、觀察和對比，對DNA分子的結(jié)構(gòu)形成了深刻的感性認(rèn)識。

教師強(qiáng)調(diào)沃森和克里克建構(gòu)的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型最終被認(rèn)可，是因?yàn)檫@一模型與原型——DNA結(jié)晶的X射線衍射圖相符。

3.6 分析模型，總結(jié)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 教師指導(dǎo)學(xué)生觀察DNA分子的結(jié)構(gòu)模型，討論以下問題：①DNA分子是由兩條________的脫氧核苷酸長鏈盤旋而成的。②DNA分子中的________和________交替連接，排列在外側(cè)，構(gòu)成基本骨架；________排列在內(nèi)側(cè)。③兩條鏈上的堿基通過________連結(jié)起來，形成________，且遵循________原則。

學(xué)生分析模型進(jìn)行回答，教師點(diǎn)評、補(bǔ)充。此過程中學(xué)生學(xué)會(huì)了應(yīng)用模型分析推導(dǎo)結(jié)論的方法。

3.7 利用模型，探究DNA分子特性 教師指導(dǎo)學(xué)生對比各組模型的異同點(diǎn)并分析遺傳信息的含義。同時(shí)解決本節(jié)課開始的問題：為什么進(jìn)行DNA鑒定能確定一個(gè)人的身份。學(xué)生通過對比，得出各小組模型的差異就在于堿基的排列順序不同，從而明確遺傳信息是指DNA中堿基的排列順序。每個(gè)人體內(nèi)DNA的堿基排列順序體現(xiàn)著他的遺傳信息。

學(xué)生通過對比各小組模型堿基排列順序的差異，分析可知當(dāng)DNA的堿基數(shù)目成千上萬以致幾十萬時(shí)，DNA堿基的排列順序是千變?nèi)f化的，由此得出DNA分子具有多樣性的特點(diǎn)。觀察每一小組制作的DNA模型，學(xué)生可以理解每個(gè)DNA分子都有獨(dú)特的堿基排列順序，即DNA分子具有特異性。

3.8 詩歌小結(jié)，精煉概括 教學(xué)最后通過一首詩總結(jié)本節(jié)知識。“獨(dú)特雙鏈螺旋，極性反向平行，堿基互補(bǔ)配對，排列方式無窮。”由此培養(yǎng)學(xué)生歸納、概括能力，同時(shí)加深記憶。

4 教學(xué)反思

本節(jié)教學(xué)以構(gòu)建“基本單位—單鏈—平面雙鏈—立體空間結(jié)構(gòu)”模型逐步深入：模型在本節(jié)課中不僅是教具，更是學(xué)生分析和思考的素材。以DNA模型為依托，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和空間想象能力。知識間以問題串銜接，環(huán)環(huán)相扣，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，主動(dòng)參與探究過程，在課堂中既動(dòng)手又動(dòng)腦，體驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?gòu)的科學(xué)研究方法，全方位調(diào)動(dòng)感觀，使抽象知識具體化，提高了課堂效率。