“DNA分子的結(jié)構(gòu)”一節(jié)基于科學(xué)史主線的教學(xué)設(shè)計

吳久宏

摘 要 以DNA雙螺旋模型的構(gòu)建科學(xué)史料為主線，引導(dǎo)學(xué)生基于史料的分析、探究和小組合作，體悟模型建構(gòu)的科學(xué)思維和方法，引導(dǎo)學(xué)生在探究中合作，在合作中獲取新知。

關(guān)鍵詞 DNA分子 結(jié)構(gòu) 科學(xué)史 教學(xué)設(shè)計

中圖分類號 G633.91 文獻標(biāo)志碼 B

1 教材分析

“DNA分子的結(jié)構(gòu)”一節(jié)教學(xué)內(nèi)容是依據(jù)《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》必修模塊2“遺傳與進化”的第二個主題“遺傳的分子基礎(chǔ)”具體內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)“概述DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點”和活動建議“搜集DNA分子結(jié)構(gòu)模型建立過程的資料，并進行討論和交流；制定DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”進行設(shè)計的。

DNA分子模型構(gòu)建史是生命科學(xué)史中的經(jīng)典，而DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)是分子生物學(xué)領(lǐng)域的知識，較為抽象，為此教材安排了較大篇幅的科學(xué)史料，旨在讓學(xué)生體悟“模型建構(gòu)”科學(xué)研究方法，體驗科學(xué)家解決問題的思想方法及鍥而不舍的科研精神。在此基礎(chǔ)上，教材還安排了“模型建構(gòu)”活動，讓學(xué)生親自動手構(gòu)建DNA的物理模型，從而促進其空間構(gòu)造能力、個人決策和團隊合作能力的提高和發(fā)展。

2 學(xué)情分析及教學(xué)策略

2.1 學(xué)生認知及能力基礎(chǔ)分析

通過初中及高中必修1有關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)獲取了一定的知識和具備了一定的能力：① DNA是主要的遺傳物質(zhì)，主要分布在細胞核；② DNA是高分子化合物，基本單位是脫氧核苷酸，元素組成為C、H、O、N、P；③ 具備一定的模型制作能力，具有一定的分析科學(xué)史、得出相關(guān)結(jié)論的能力（如分析細胞學(xué)說建立的過程、分析光合作用的探究歷程）；④ 具備一定的認知能力，同時也具備了一定的邏輯思維能力。

學(xué)生未知的知識是：DNA規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型是如何一步一步構(gòu)建出來的？DNA具有哪些特性？

2.2 教學(xué)策略

針對本節(jié)教材的特點，結(jié)合學(xué)情，筆者以科學(xué)史料為主線，將史料研讀、分析、探究與小組模型建構(gòu)緊密結(jié)合起來，沿著“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)”發(fā)現(xiàn)旅程展開教學(xué)。教師帶領(lǐng)學(xué)生“穿越”歷史，和科學(xué)家一起思考、一起探究、一起解決問題；然后以構(gòu)建好的DNA模型為依托，讓學(xué)生根據(jù)教師提出的問題分析模型、主動探究得出DNA結(jié)構(gòu)的有關(guān)知識，再由學(xué)生總結(jié)出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要特點。

3 教學(xué)目標(biāo)

知識目標(biāo)：說明DNA分子的結(jié)構(gòu)層次；概述DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的基本要點；闡明DNA分子的穩(wěn)定性、特異性和多樣性。

能力目標(biāo)：能分析史料，運用已有知識進行假設(shè)、模擬、修改和完善DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。

情感、態(tài)度與價值觀目標(biāo)：體驗?zāi)Ｐ头椒ㄔ诳茖W(xué)研究中的作用；體驗小組合作學(xué)習(xí)中交流、合作的價值；進一步樹立“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的學(xué)科思想； 培養(yǎng)崇尚科學(xué)、勇于拼搏的精神。

4 教學(xué)重點和難點

教學(xué)重點：① 動手制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，體驗沃森克里克構(gòu)建DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型；② 通過觀察DNA分子結(jié)構(gòu)，總結(jié)DNA分子結(jié)構(gòu)主要特點。

教學(xué)難點：DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點。

5 教學(xué)過程

5.1 創(chuàng)設(shè)意境，自然導(dǎo)入

在課堂開始之前，在背景音樂《安妮的仙境》中，教師用PPT滾動播放《DNA的贊美詩》：

“因為，有了你/寂寥的荒原才散發(fā)出生命的氣息/因為，有了你/生命才如同滔滔的長江黃河——奔流不息/因為，有了你/大千世界才如此繽紛絢麗/處處充滿生機。”

師：上一節(jié)課，我和大家進行了一次時空“穿越”，我們認識了格里菲思、艾弗里、蔡斯和赫爾希等科學(xué)家。他們富有智慧的實驗設(shè)計和不畏困難的科學(xué)探究精神感染和感動著我們，讓我們懂得DNA承擔(dān)的重要功能——主要的遺傳物質(zhì)。那么，作為遺傳信息載體的DNA分子，應(yīng)該具有怎樣的結(jié)構(gòu)，才能承載著如此重要的功能呢？

設(shè)計意圖：通過情境創(chuàng)設(shè)，把學(xué)生帶入富有生命氣息和生物情趣的“學(xué)習(xí)場”中。導(dǎo)入設(shè)計簡約而富有邏輯，遵循教材編輯的邏輯主線：先引出DNA的功能，然后探究其結(jié)構(gòu)。“結(jié)構(gòu)決定功能、結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的學(xué)科思想滲透得有力而有效。

5.2 宏觀介紹DNA結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)史，激發(fā)探究欲望

過渡語：20世紀(jì)中葉，科學(xué)家確定了DNA是主要的遺傳物質(zhì)后，全球有名的實驗室及眾多科學(xué)家聚焦于DNA的結(jié)構(gòu)研究（教師展示富蘭克琳、威爾金斯、克里夫、鮑林、沃森、克里克等科學(xué)家的一組照片）。

師：你們知道，最終是誰摘得了科學(xué)界的最高桂冠？

生：沃森、克里克。

過渡語：兩位跨國合作的年輕才俊采用了哪種研究方法獲得了成功？他們的成功又借助于哪些科學(xué)家的研究成果并獲得啟示呢？

教師展示圖1，讓學(xué)生體悟科學(xué)史料的主絡(luò)脈。

師：如果你們是沃森、克里克，已經(jīng)獲知上述資料、研究方法的前提下，你們會怎么做？

生：進行DNA模型建構(gòu)！

師：好的，本節(jié)課就讓我們像沃森、克里克一樣，進行模型建構(gòu)吧！

設(shè)計意圖：教師將沃森和克里克進行“DNA模型建構(gòu)”這一想法產(chǎn)生的背景宏現(xiàn)地展現(xiàn)出來，一方面讓學(xué)生對整個的歷史主線有一定的感知，同時體驗到“朋友圈”的重要性、對重要信息的敏銳捕捉和巧妙利用。

5.3 借助史料，小組合作建構(gòu)模型

教師充分利用史料，調(diào)動學(xué)生感知，按照從簡單到復(fù)雜的構(gòu)建邏輯：“脫氧核苷酸→脫氧核苷酸鏈→平面DNA雙鏈→立體DNA雙鏈”，從自主構(gòu)建到2人一組再到多人合作交流，讓學(xué)生體會合作產(chǎn)生的價值，在積極、有序的氛圍中開展合作學(xué)習(xí)。

5.3.1 構(gòu)建1個脫氧核苷酸分子模型

教師呈現(xiàn)資料1：20世紀(jì)30年代，科學(xué)家認識到：組成DNA分子的單位是 ？且每個脫氧核苷酸由 、 、 三部分組成（在必修1已經(jīng)獲知）。

教師提出問題：依據(jù)這則資料，你能試著構(gòu)建出脫氧核苷酸結(jié)構(gòu)模型嗎？請同學(xué)們從模型盒中拿出1個白色小球（代表脫氧核糖）、一個藍色的小球（代表磷酸）、1個帶凹凸的圓柱（代表堿基）、1個粗棒和1個細棒（代表化學(xué)鍵），試著構(gòu)建1個脫氧核苷酸模型。

同小組間相互交流，說出自己搭建的脫氧核苷酸的組成及名稱。

5.3.2 構(gòu)建1條脫氧核苷酸長鏈模型

教師設(shè)置懸念，講述“沃森的煩惱”：① 磷酸基與脫氧核糖的什么位置相連？如圖2所示，有下列幾種可能性。

② DNA分子到底有幾條鏈？這些鏈如何放置？

教師呈現(xiàn)史料2：1951年，科學(xué)家通過計算認識到，脫氧核苷酸之間是在磷酸和脫氧核糖的部位連接。

學(xué)生2人一組，利用剛才完成的若干脫氧核苷酸模型，試著構(gòu)建脫氧核苷酸鏈。學(xué)生代表展示成果，小組同學(xué)補充發(fā)表意見；教師點評，并利用課件展示正確的連接方式。

設(shè)計意圖：教師利用“沃森的煩惱”素材，一方面進一步激活學(xué)生在模型建構(gòu)過程中思維的主動性；另一方面體驗到科學(xué)家在研究過程中要遇到多少艱辛和困苦，多少次重復(fù)和堅持，利用此資料滲透情感、態(tài)度和價值觀目標(biāo)，潤物無聲。

5.3.3 兩條脫氧核苷酸鏈的連接

教師呈現(xiàn)史料3：展示奧地利生物化學(xué)家查哥夫?qū)NA分子的堿基分析量表（表1）。

教師展示出上述數(shù)據(jù)后，啟發(fā)學(xué)生進行思考與小組交流：

① 分析表1中的的數(shù)據(jù)，你得到哪些結(jié)論？

② 科學(xué)家的這種研究精神，對我們將來進行科學(xué)研究有何啟發(fā)？

③ 這些數(shù)據(jù)對研究DNA的結(jié)構(gòu)有何幫助？

設(shè)計意圖：“數(shù)據(jù)表格”分析讓學(xué)生體會到查哥夫采用了“定量分析法”，體會到科學(xué)研究從“定性”走向“定量”。在分析基礎(chǔ)上的小組交流，學(xué)生感悟出：不同生物的DNA分子中嘌呤含量與嘧啶含量基本相等，這為后期DNA分子結(jié)構(gòu)的研究奠定了基礎(chǔ)。

教師呈現(xiàn)史料4：富蘭克琳給DNA拍了好多張X射線衍射圖譜，她發(fā)現(xiàn)DNA在翻轉(zhuǎn)180°之后圖譜看起來還是一樣。沃森與克里克在得到這一信息后，意識到兩條鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械摹?/p>

根據(jù)資料，小組合作建構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。

5.3.4 修正模型，形成概念

師：模型構(gòu)建正確與否關(guān)鍵要看是否與DNA原型一致，DNA原型又是怎樣的呢？

教師呈現(xiàn)史料5：1951年，英國科學(xué)家威爾金斯和富蘭克琳提供的DNA的X射線衍射圖譜，科學(xué)家從圖譜中推算出DNA應(yīng)呈螺旋結(jié)構(gòu)。

教師啟發(fā)學(xué)生修正：應(yīng)如何修改體現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)呢？提醒學(xué)生與課本“圖3-11 DNA分子的結(jié)構(gòu)模式圖”進行比對。

師生共同總結(jié)“DNA雙螺旋模型的基本要點”（表2）。

5.3.5 應(yīng)用模型，拓展升華

這是課堂的“豹尾”，是課堂成果的展示與交流階段。教師鼓勵各小組走上講臺，分別展示小組合作構(gòu)建的雙螺旋模型成果。此時，教師展示思考題：

（1） 請大家仔細觀察每個小組所建模型的共同之處在哪里？（目的是引出DNA的基本骨架：磷酸與脫氧核糖交替排列）

（2） 小組間所構(gòu)建的DNA模型不同之處又在哪里？（目的是讓學(xué)生悟出：堿基對的排列順序不同，導(dǎo)致DNA分子的特異性與多樣性）

（3） 有報道稱DNA可以在土壤中保存40萬年。這說明DNA具有什么特性？（目的是引出DNA分子的穩(wěn)定性）

教師要求4個學(xué)生將各自組的堿基對排列順序?qū)懺诤诎迳希渌M學(xué)生寫在紙上。學(xué)生通過觀察會發(fā)現(xiàn)堿基對排列順序確實不同。接著，讓學(xué)生先比較各組的第一個堿基對，試分析第一個堿基對的可能情況。教師進一步提出問題：第二個堿基對可能是什么呢？若這兩個堿基對連起來共有幾種排列方式？從而讓學(xué)生根據(jù)上述問題，探究堿基對數(shù)量（n）和堿基對排列方式的關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型。

教師引導(dǎo)學(xué)生思考：DNA作為主要的遺傳物質(zhì)，其遺傳信息蘊藏在哪兒？

教師總結(jié)：通過以上分析可知，堿基對的排列順序是千變?nèi)f化的，堿基對排列順序的千變?nèi)f化構(gòu)成了DNA分子的多樣性。

5.3.6 評價與總結(jié)

教師對各小組構(gòu)建的模型進行評價，尤其對“模型建構(gòu)”這種科學(xué)研究方法再次進行點撥。教師利用史料6，引出下一節(jié)課題：1953年4月，英國Nature雜志刊登了沃森和克里克的大約1 000字的文章“核酸的分子結(jié)構(gòu)———脫氧核糖核酸的一個結(jié)構(gòu)模型”。在文章的最后有一句名言：“我們還注意到我們所提出的特殊配對模式，提供了一種遺傳物質(zhì)可能的復(fù)制機制。”DNA又是如何復(fù)制的？下一節(jié)課，我們繼續(xù)探討。

6 教后反思

教材有知識主線，學(xué)生有認知主線，而教學(xué)主線是串聯(lián)教材和學(xué)生的樞紐，是課堂生命活動的“動脈”。本節(jié)課將“制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”融入“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建（科學(xué)史）”，在模擬模型建構(gòu)的操作過程中建立DNA分子結(jié)構(gòu)的概念；然后在學(xué)生模型作品展示中，分析DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點；最后，進行人文與科學(xué)方法的拓展，以深化方法、領(lǐng)悟與情感體驗，并融入“假說—演繹”邏輯體系中。

美國教育家杜威說過：“教學(xué)絕不僅僅是一種簡單的告訴，教學(xué)應(yīng)該是一種過程的經(jīng)歷，一種體驗，一種感悟。”本節(jié)課，自始至終以科學(xué)史料作為探究素材，不是讓學(xué)生“聽歷史”，而是“學(xué)中做”、“做中悟”，不斷地將自己的思維歷程、動手操作與科學(xué)家們產(chǎn)生共振，取得了較好的效果。

參考文獻：

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[2] 慕曉茹.高中生物新課程教學(xué)設(shè)計[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2010：216-217.