運用模型構建法進行“DNA分子的結構”一節的教學

李晨　李高峰

摘 要 本文以“DNA分子的結構”一節為例，采用模型建構的方法進行教學，結合生命科學史，展示DNA雙螺旋結構特點，學生自主構建DNA雙螺旋模型，教師分析學生構建模型中遇到的問題，歸納總結DNA雙螺旋結構中基本骨架、堿基等方面存在的規律，在此基礎上畫概念圖，建構完整的知識體系。

關鍵詞 模型構建 高中生物 科學史 概念圖

中圖分類號：G633 文獻標識碼：A

1教材分析與設計思路

《普通高中——生物學課程標準》要求學生在學習本節課的內容后可以概述DNA分子是由四種脫氧核苷酸構成，通常由兩條堿基互補配對的反向平行長鏈形成雙螺旋結構，堿基的排列順序編碼了遺傳信息。“DNA分子的結構”是人教版必修2第三章第二節的內容，主要結合生命科學史呈現DNA雙螺旋結構模型的構建過程，學生自主拼裝DNA雙螺旋模型，通過模型構建發現DNA雙螺旋結構的主要特點，其難點在于靈活運用堿基互補配對原則總結堿基內部數目的規律。

學生在“分子與細胞”中已經知道DNA組成元素以及組成單位，但對其空間結構的認知是片面且模糊的，只關注了結構的整體卻忽略了單一結構之間的聯系。DNA 分子雙螺旋結構物理模型的構建是從 DNA 的基本結構脫氧核苷酸開始的，由脫氧核苷酸的拼裝到 DNA 單鏈，又由 DNA 單鏈到 DNA 雙鏈，一步一步逐漸使結構完善，在構建的過程中也逐步使學生認識到自己對 DNA 雙螺旋結構認識的錯誤，與頭腦中原有的認知發生沖突，這樣認知上的碰撞可以幫助學生更深刻的記憶。學生在“遺傳與進化”前幾章的學習中對脫氧核苷酸、基因、染色體、DNA、遺傳因子等一些抽象化的概念往往會混淆，此時需要教師幫助學生理清概念，建立概念之間的聯系，同時將這些知識內化，由惰性知識轉化為活性知識。為下一節學習DNA分子的復制打下良好的基礎。

2教學目標

依據《普通高中——生物學課程標準》并圍繞核心素養的要求制定了如下教學目標：

（1）學生通過教材中資料的分析理解DNA雙螺旋結構模型的構建歷程，就科學家探索基因的本質的過程與方法進行分析和討論、領悟假說—演繹法在科學研究中的應用，體會科學家善于批判質疑、勇于探究的精神。

（2）學生通過分析DNA雙螺旋結構的主要特點，明確DNA分子中脫氧核糖和磷酸交替排列構成了基本骨架，且DNA雙鏈之間的連接遵循堿基互補配對原則，以此進行問題探究，分析DNA雙鏈和單鏈中胸腺數、嘧啶數的規律，通過構建DNA分子模型檢驗猜想正確與否，培養學生樂學善學、勤于反思的學習態度。

（3）學生在教師的引導下繪制出遺傳因子、基因、染色體、DNA等重要概念的概念圖（如圖1）。

3教學過程

3.1創設情境—分析生命科學史，導入主題

課件展示，分析資料：圖片展示坐落于北京中關村高新科技園區的DNA雕塑、2003年英國發行的DNA雙螺旋結構紀念幣、2004年雅典奧運會開幕投射的DNA雙螺旋模型，這都顯示出世界各地的人們對于這一首“生命樂章”的關注，不過其探究的過程并不是一帆風順的，按照時間順序將學生帶回1951年威爾金斯和富蘭克林首先發現的DNA衍射圖譜，這也正得益于當時X射線技術的發展，讓學生感悟到生物科學的進步離不開科學技術的發展，這張衍射圖譜同樣引起了物理學家克里克的關注，他可以幫助沃森理解晶體學的原理，以此推斷DNA分子呈雙螺旋結構。深究其內部機制，4種脫氧核苷酸又是如何連接？其內部有什么奧秘？1952年春天，著名化學家查戈夫提供了重要的信息，DNA分子中嘧啶數總是等于嘌呤數，于是沃森和克里克將堿基置于內部，讓A與T配對，G與C配對，磷酸和五碳糖在外部交替排列構成DNA分子的基本骨架，學生據此明白學科之間的共通性，在學習的過程中應該融會貫通。最后，將DNA雙螺旋模型向向學生展示，辨認雙螺旋方向以及讓學生猜測其各部分組成。

3.2物理模型—理解DNA分子雙螺旋結構的特點

大多數學生對于DNA雙螺旋結構的理解僅是一個模糊的“面”，教師需要將其內在的“點”指給學生，再讓學生將這些抽象的“點”轉化為立體結構，加深理解。首先教師指出DNA雙螺旋結構特點可以歸為三點：DNA分子呈雙鏈且反向平行；脫氧核糖和堿基交替排列在外側構成基本骨架，堿基排列在內測；堿基通過氫鍵相連，且遵循堿基互補配對原則，A-T、C-G配對，A與T之間由兩個氫鍵連接，C與G之間由三個氫鍵相連。基于教材的內容學生可以自主完成DNA模型的拼裝。

首先，教師給學生一些專用拼裝DNA雙螺旋模型的零件，學生自主拼裝模型。為了形成良性的學習環境，先完成拼裝的同學有小獎品，激發學生們拼裝模型的興趣，在學生完成拼裝后，選擇幾位學生的DNA雙螺旋模型進行點評、糾錯。學生構建的DNA雙螺旋錯誤主要有以下幾點：

（1）螺旋方向為左手螺旋；

（2）雙鏈兩端一端都是磷酸基團，一端都是五碳糖，沒有體現反向平行；

（3）沒有注意到A-T與C-G之間氫鍵的不同。

教師在分析學生問題的基礎上向學生展示，右手螺旋是指右手大拇指向上，其余四指握拳后環繞的方向就是DNA的螺旋方向，通過課件給學生展示DNA的平面結構圖，DNA由脫氧核糖核苷酸脫水縮合而成，脫水縮合發生的部位是一個脫氧核苷酸的磷酸與下一個脫氧核苷酸的3號碳，通常將磷酸基團稱為核苷酸鏈的5‘端，脫氧核糖3號碳所在方向稱為核苷酸鏈的3端，所以核酸是有方向性的分子，DNA的兩條鏈一條方向是5‘→3，另一條是3‘→5，故稱為反向平行。DNA是遺傳物質，其結構的穩定有利于在親代與子代間傳遞，堿基之間通過氫鍵相連，氫鍵比較穩定，且雙鏈之間只能是嘌呤和嘧啶配對，因為嘌呤是雙環化合物，所占空間較大，嘧啶是單環化合物，所占空間較小，正因為如此，嘌呤與嘧啶配對體現互補原則，由于A、G、C、T之間最外層電子數不同，決定A-T之間通過兩個氫鍵相連，C-G之間通過三個氫鍵相連。對于學生在拼裝過程中出現的問題解釋其原理并更正，讓學生產生思維碰撞，提高學生興趣，學生課堂學習中參與度更高。

學生更正自己的DNA雙螺旋模型后，小組合作探究分析DNA分子結構堿基排列的規律，得出如下結論：

（1）DNA雙鏈中，A的數目=T的數目，C的數目=G的數目，A+C/T+G等于1，單鏈中不成立。

（2）DNA雙鏈中，1鏈和2鏈中A+T/C+G的值互為倒數。

（3）DNA雙鏈中，脫氧核糖：堿基：磷酸基團=1：1：1。

（4）一個DNA雙鏈分子，存在n個堿基對，則堿基排列方式有4n種，其排列順序代表遺傳信息。

學生在構建DNA雙螺旋模型后，每個人的DNA雙螺旋分子堿基序列雖然不同，但是都遵循間堿基互補配對原則，因此在合作探究后不難得出以上結論，學生不再感覺這些規律晦澀難懂，更有利于以后靈活運用。

3.3畫概念圖—厘清重要概念之間的聯系

將概念圖放在課堂教學的最后一個環節，可以幫助學生整合新舊知識，建構知識網絡，在整體上把知識融會貫通。建構主義學習理論認為，要記住知識并懂得意義，新知識就應當與現有的知識結構整合，長期研究發現，學習過程中使用概念圖的學生，一段時間以后，對知識的熟練程度遠超過未使用概念圖的學生。畫概念圖的學生解決學習中的問題時方式發法更靈活，因此在本節課堂學習最后，教師將容易與DNA混淆的遺傳因子、脫氧核苷酸、基因、染色體等幾個概念畫成完整的概念圖是非常有必要的。

4教學反思

《普通高中生物課程標準 》中對模型建構有如下要求：了解建立模型的科學方法，在此過程中培養學生的建模思維和建模能力。利用好的模型進行教學，提高學生課堂的整體參與度。本節課將抽象的DNA分子結構具體化，有利于學生理解其內部的規律，同時將學生經常混淆的遺傳學概念繪成概念圖，建立知識之間的聯系，有助于學生記憶和掌握。

參考文獻

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