以STEM理念建構“DNA雙螺旋結構模型”

楊建霞 王飛 王玥 龔大潔

摘要 嘗試運用STEM的理念建構“DNA雙螺旋結構模型”，在制作過程中力求突出科學性、技術性、工程性。同時彌補以往此模型制作過程中不便于進行教學展示和保存等不足之處，使制作出來的模型能更好地為生物教學實踐服務。

關鍵詞 STEM DNA分子結構 模型制作

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

文件編號：1003-7586（2018）11-0027-03

1引言

“DNA分子的結構”是高中生物學課程必修模塊的重點和難點之一，目的是讓學生從分子水平上把握生命的延續性，認識生物界及生物多樣性、形成生物進化的觀點、樹立正確的自然觀等。然而，DNA結構屬于分子水平，無法在顯微鏡下直接進行觀察，在教學實踐中需要教師引導學生通過空間想象進行理解。因此，將這一微觀結構和抽象原理直觀地展現出來，促進學生理解。

已有研究中“DNA雙螺旋結構模型”的制作方法和過程，主要存在以下不足：①制作出來的模型多為靜態。教師無法同時展示DNA分子的平面結構和雙螺旋結構。②整體制作過程較為粗糙，缺乏美感，尤其是用訂書針、細線等作為DNA分子各結構的連接處很容易脫落，不便于保存。③缺乏科學性。例如，直接用細線直接串聯脫氧核苷酸，并不能很好地呈現DNA分子間的相互關系以及分子間的相對位置，而且連接分子骨架的細線等很容易讓學生誤以為DNA分子中原本就存在這樣的連接線。④無法讓學生體驗科學家在建構DNA模型過程中的曲折歷程以及科學精神。本研究基于以上分析，嘗試運用STEM理念來制作“DNA雙螺旋結構模型”。

2設計理念

針對以往“DNA雙螺旋結構模型”制作中存在的不足，本模型的建構和制作主要以STEM作為設計的基本理念。STEM是科學（Science）、技術（Technolo-gy）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）的簡稱。但STEM教育并不是科學、技術、工程和數學教育的簡單疊加，而是為了落實相關教學內容將四門學科內容有機融合形成一個整體，來更好地培養學生綜合利用科學、技術、工程、數學等多學科知識解決實際問題的能力。

相對于以往的生物學教學，STEM教育首次引入了“工程學”的內容。在工程學中，工程師是最重要的角色，他們運用系統的過程、數學工具及科學知識來開發、建模、分析、改進特定問題的解決方案。STEM教育就是去創造一種實踐環節引導學生像工程師一樣去主動探究，從而將STEM教育的特性運用到學習與實踐中。以STEM理念來建構生物學模型，將抽象知識轉化為直觀認識，能夠有效地幫助學生理解微觀抽象的生物學知識，是其體驗科學探究過程的有效途徑。因此，利用STEM理念所建構的“DNA雙螺旋結構模型有以下特點。

2.1科學性

dNA分子的基本單位是脫氧核苷酸，由磷酸、脫氧核糖和含氮堿基構成。每兩個脫氧核苷酸經過脫水縮合，一個核苷酸上的脫氧核糖與另一個核苷酸上的磷酸基團通過3'-5'磷酸二酯鍵相連，此時磷酸應與脫氧核糖3號碳原子的頂點相連，形成主鏈的基本骨架，并排列在主鏈的外側，堿基位于主鏈內側;DNA分子由兩條長鏈組成，這兩條長鏈按反向平行方式盤旋成雙螺旋結構，所以一條鏈以磷酸開始，另一條鏈以五碳糖開始;兩條DNA分子鏈上的含氮堿基互補配對（A和T配對，G只和C配對），且A-T和C-G堿基對具有相同的形狀和直徑;DNA分子的螺旋直徑為2 nm;螺旋周期包含10對堿基;螺距為3.4 nm;相鄰堿基對平面的間距0.34 nm。因此在制作模型時，可以按此比例制作，即模型螺旋直徑比螺距為10：17，每一個螺旋包含10個堿基，相鄰堿基的間隔為螺距的1/10。

2.2技術性

本次建模相對于以往的模型來說，對技術的要求較高。例如，在展示盒的制作過程中要準確的裁割玻璃，不能出現絲毫差錯，否則整塊玻璃將無法使用，從而造成浪費，增加制作成本;在制作玻璃底座時要求精確的計算玻璃的大小以及鑲嵌玻璃的卡槽的寬度、深度，其次在頂部還要留有旋轉雙螺旋結構所用旋鈕的位置。在此過程中對制作者的技術、耐力、細心程度要求較高，制作者要具備較強的技藝能力，才能保證作品的成功率和美觀性。

2.3工程性

本模型最大的亮點體現在兩個地方：①外部展示盒精美，以使得模型便于觀察、保存;②內部DNA分子雙螺旋結構按照其特有的、真實的分子結構進行精細制作，以充分體現建模的科學性。此外，工程性還體現在按照此種方法制作出來的DNA分子結構模型都一模一樣，具有一定的工藝流程。

2.4便于多方位、多視角展示

展示盒四周以及頂部都是由玻璃制成，方便多角度觀察DNA分子結構，而且通過旋轉頂端的控制旋鈕，還可以清晰的觀察到DNA分子的結構層次：脫氧核糖核苷酸、多核苷酸單鏈、雙鏈平面結構、雙螺旋空間結構，有助于學生理解富蘭克林的DNA衍射圖譜。

3制作過程

3.1材料選取

16cm×16cm的玻璃板2塊（用于底座和頂蓋）、15cm×31cm的透明玻璃4塊：鋼鋸、玻璃刀、玻璃膠、打孔器、鉗子、槽刀、銀色細鐵絲（化學鍵）、4種顏色的彩色硬紙板（紅、黃、橙、綠）、直徑0.5cm白色小球、直徑2cm的塑料藍色五角星、量角器、尺子、膠水、剪刀、記號筆、白色水晶彈力繩。

3.2制作步驟

3.2.1外部框架的制作

①取一塊16cm×16cm的玻璃作為底座，并在其四條邊0.5cm處沿邊鑿寬0.5cm的卡槽;同時在其對角線中心穿一個小孔以便固定DNA分子的底端。

②取一塊16cm×16cm的玻璃板作為頂蓋，并在其對角線中心穿一個小孔以便安裝旋轉旋鈕，在其四條邊0.5cm處做記號。

③取四塊15cm×31cm的玻璃板并用玻璃膠粘在一起。等固定好DNA分子的底端后將其固定到底座的玻璃卡槽中，將DNA分子的頂部與旋轉旋鈕相連，最后將頂蓋與四塊玻璃板的銜接處用玻璃膠固定，制作完成。

3.2.2DNA雙螺旋結構的制作

由于DNA的2條長鏈之間的距離恒等于2 nm，即DNA的直徑為2 nm。堿基堆積距離為0.34 nm，每對螺旋由10個堿基組成，則螺距3.4 nm，即螺旋高度為3.4 nm。綜上所述，結合本次模型展示盒的大小，根據螺距與DNA分子直徑的比（1.0：1.7）以及各分子的相對質量之比（磷酸：脫氧核糖：腺嘌呤：鳥嘌呤：胸腺嘧啶：胞嘧啶=1.0：1.3：1.4：1.5：1.3：1.1），通過計算的各部件的大小為：一對核苷酸的寬度為12cm（磷酸直徑為1.5cm，五碳糖的大小為2.0cm、嘌呤長為2.0cm，嘧啶長為1.5cm），高度為2.04cm，即一個螺旋的高度為20.4cm，根據展示盒的大小制作一個半螺旋的DNA雙鏈。

①堿基對的制作：用紅色紙板代表腺嘌呤、橙色紙板代表鳥嘌呤、綠色紙板代表胞嘧啶、黃色紙板代表胸腺嘧啶。由于嘌呤堿基A和G是雙環化合物，而嘧啶堿基T和C是單環化合物，所以制作時嘌呤模型相對嘧啶模型要大一些;又因為A-T、C-G要進行配對，所以將A、T之間的街口裁剪成三角形，將C、G之間的接口裁剪成半圓形，以分別來表示堿基間的相互作用。最后，再根據A-T、C-G之間的氫鍵數目在部件上打孔，并用銀色鐵絲充作氫鍵進行連接。

②核糖的制作：DNA的基本單位是脫氧核苷酸，一般用五邊形材料代替脫氧核糖，制作模型時會用“直線”把磷酸和五邊形連接起來，這是有悖科學事實的，會使得學生無法理解教材上連接脫氧核糖和磷酸的為什么是“折線”。這是因為五邊形的五個頂點并不都代表碳原子。其實五邊形的頂點是氧原子，其他四個頂點才是碳原子（從右側順時針依次是1、2、3、4號位碳原子），而第5號位碳原子不在五邊形上，是通過化學鍵與4號位碳原子相連的。因此僅用五邊形不能準確代表脫氧核糖，所以應在在五邊形的4號碳原子處延伸出一個短枝。這樣就可以按照脫氧核苷酸的分子式準確構建出脫氧核苷酸的模型。

本模型利用藍色五角星代替脫氧核糖，其五個頂點當作五碳糖環上的五個原子，并在代表1、3號碳原子的地方用打孔器打孔，分別連接堿基與磷酸。在4號碳原子處打孔，穿上銀色細鐵絲，用銀色細鐵絲的另一端代表5號碳原子位置。

③磷酸基團的制作：一個脫氧核苷酸的3號碳原子與另一個脫氧核苷酸的5號碳原子端的磷酸基團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鏈。本模型用白色小球充當磷酸基團，并在小球上用打孔器穿孔，穿上銀色細鐵絲將磷酸基團的一端連接到脫氧核糖的5號碳原子另一端與下一個脫氧核苷酸的3號碳原子相連。

④雙鏈的制作：模型中化學鍵一律用銀色細鐵絲代表，將各部件根據化學鍵連接方式連接在一起，并用水晶彈力線將DNA鏈固定在底座上。

雙鏈制作完成之后，將DNA雙鏈的另一端通過頂部玻璃上的小孔與旋鈕相連，密封展示盒，制作完成。

本模型主要用于課堂直觀展示。教師可旋轉模型上端的旋鈕，使DNA分子結構呈平面狀，為學生展示DNA分子結構的平面結構，同時為學生說明或者讓學生自己說出模型中各部分代表DNA分子中的哪部分結構。此外，也可以通過旋轉模型上端的旋鈕，使DNA分子結構呈螺旋狀，為學生直觀地展示DNA雙螺旋結構。教師也可在活動課時間與生物興趣小組成員一起制作DNA分子模型，通過學生自己動手參與其中，活化課本知識。這樣不僅使學生對DNA的基本組成單位、平面結構、空間結構有了更深刻的理解，而且有利于后續基因的表達等相關知識內容的學習。除此之外，制作出來的模型制作精細、造型美觀，是一件精美的工藝品，既可作為辦公室、教室的擺件，又可以作為禮物贈予老師、同學、朋友。