從微觀到宏觀，雙螺旋不再玄乎！
——“DNA分子的結(jié)構(gòu)”教學(xué)案例

孫正莉

(南京師范大學(xué)附屬揚(yáng)子中學(xué) 江蘇南京 210048)

一、案例背景

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，是生物學(xué)發(fā)展史上的一個里程碑，在整個生命科學(xué)領(lǐng)域，甚至整個自然科學(xué)領(lǐng)域都引發(fā)了巨大的技術(shù)革命。以DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)為理論基礎(chǔ)的基因工程技術(shù)的發(fā)展欣欣向榮，正逐步改變?nèi)藗兊纳娣绞?。高中生物課開設(shè)的目的之一就是提高公民的生物學(xué)素養(yǎng)。因此，將DNA的相關(guān)知識介紹給學(xué)生是非常必要的。蘇教版必修2中安排了DNA分子結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，旨在讓學(xué)生通過本小節(jié)內(nèi)容的理解與掌握，為學(xué)習(xí)DNA的復(fù)制打好基礎(chǔ)，也為學(xué)習(xí)后續(xù)的基因控制蛋白質(zhì)的合成等知識做好鋪墊。那么，如何讓學(xué)生掌握好DNA分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并體會到其結(jié)構(gòu)中蘊(yùn)含的協(xié)調(diào)美呢？筆者在教學(xué)中做了初步嘗試，介紹如下。

二、案例描述

(一)創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課

以上節(jié)課的兩個實驗導(dǎo)入，教師提問：“這兩個實驗的結(jié)論是什么呢？”學(xué)生有可能答成“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”。此時，教師就要重新強(qiáng)調(diào)問題，指出由這兩個實驗只能得出“DNA是遺傳物質(zhì)”，只有了解了某些病毒的遺傳物質(zhì)RNA后，才能說“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”，以復(fù)習(xí)前述內(nèi)容，繼而提出問題，引出課題：既然知道DNA分子是遺傳物質(zhì)，人們就迫切想要知道DNA是如何儲存遺傳信息的，又是如何控制生物的性狀的。要回答這些問題，首先得了解DNA分子的結(jié)構(gòu)。

設(shè)計意圖：通過一定的教學(xué)情境，讓學(xué)生有效地復(fù)習(xí)前述知識，并通過合理設(shè)問，啟發(fā)學(xué)生思考。

(二)師生探究

1.教師引導(dǎo)學(xué)生回憶已有的相關(guān)知識，溫故而知新：

(1)DNA的主要組成元素；

(2)DNA的基本組成單位；

(3)DNA的主要功能。

設(shè)計意圖：這些知識是學(xué)生必修1已經(jīng)學(xué)過的內(nèi)容，教師通過一系列問題串，能讓學(xué)生迅速回憶相關(guān)知識，進(jìn)而激發(fā)其探究的欲望。

過渡句：根據(jù)這些知識，是否可以構(gòu)建出DNA分子的結(jié)構(gòu)呢？(學(xué)生表情茫然)答案是否定的，那我們就來看看科學(xué)家是怎樣探究DNA的結(jié)構(gòu)的。

2.教師指導(dǎo)學(xué)生帶著問題，閱讀“回眸歷史·解開DNA結(jié)構(gòu)之謎”，了解科學(xué)家們對DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的研究過程。課件上給出以下問題：

(1)科學(xué)家們對分子最初的了解是什么？(給出書中第一幅圖片。)通過對圖形的介紹，學(xué)生了解到DNA結(jié)構(gòu)是不對稱的，DNA的直徑約2 nm。

(2)到了1951年，科學(xué)家對DNA還有什么了解？(化學(xué)組成，基本單位，堿基數(shù)目關(guān)系。)

(3)富蘭克林通過X射線衍射技術(shù)得到什么結(jié)論？(螺旋結(jié)構(gòu)，不止一條鏈。)

(4)最終摘取桂冠的是誰，提出了什么樣的模型？(沃森和克里克，雙螺旋結(jié)構(gòu)。)

設(shè)計意圖：通過對圖片的閱讀，學(xué)生能夠知道DNA是雙螺旋結(jié)構(gòu)?！半p螺旋”這個詞一再出現(xiàn)，強(qiáng)烈刺激著學(xué)生的好奇心。

過渡句：那么，沃森和克里克提出的雙螺旋結(jié)構(gòu)究竟是一個什么樣的結(jié)構(gòu)呢？我們先來看看它的化學(xué)結(jié)構(gòu)。(此時，學(xué)生已經(jīng)很想弄清結(jié)構(gòu)，但是，“萬丈高樓平地起”，學(xué)生應(yīng)從基礎(chǔ)的化學(xué)結(jié)構(gòu)入手。)

3.教師介紹DNA分子的基本組成單位。課件上顯示脫氧核苷酸的圖片，并具體介紹各組成部分，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)不同的堿基，引導(dǎo)學(xué)生回憶四種脫氧核苷酸的名稱。在此基礎(chǔ)上，教師可介紹DNA分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

過渡句：了解了DNA的化學(xué)結(jié)構(gòu)，我想大家一定更想看看雙螺旋結(jié)構(gòu)的廬山真面目。好，我們來看看這幅圖片。(展示DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的圖片。)這個結(jié)構(gòu)是按照什么規(guī)律構(gòu)建的呢？請大家看書，了解一下沃森和克里克的理論。

4.教師展示DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型教具。教師介紹模型中各部分分別代表什么(白色圓球代表磷酸，粉紅色五邊形代表脫氧核糖，方塊代表堿基對)，啟發(fā)學(xué)生該模型很像生活中見到的什么物品(旋梯)。如果學(xué)生想象不到，教師可以在幻燈片上出示旋梯圖片，進(jìn)行類比，用以下問題步步推動學(xué)生對雙螺旋結(jié)構(gòu)的了解：

(1)雙螺旋結(jié)構(gòu)上的哪一部分可以充當(dāng)旋梯的扶手？(磷酸和脫氧核糖交替連接在一起，位于外部，可以充當(dāng)扶手。)

(2)哪一部分可以充當(dāng)旋梯的臺階？(堿基對位于內(nèi)部，可充當(dāng)臺階。)

深入挖掘：(堿基互補(bǔ)配對的意義)為什么DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)很規(guī)則？為什么一定是嘌呤和嘧啶配對？你認(rèn)為幾種堿基的比例如何？學(xué)生結(jié)合模型和教師的引導(dǎo)，可以很好地了解DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

5.教師在課件上出示DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模式圖，據(jù)圖總結(jié)DNA分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，加深學(xué)生對雙螺旋結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。在了解雙螺旋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，課件展示DNA分子的平面結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生說出各部分的名稱，進(jìn)而加深對DNA分子的認(rèn)識。

設(shè)計意圖：教學(xué)順序是從DNA分子的基本組成單位、DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)，到DNA分子平面結(jié)構(gòu)的識別，符合學(xué)生的心理特征和認(rèn)知特點(diǎn)，有利于促進(jìn)學(xué)生對DNA相關(guān)知識的自我構(gòu)建。

6.在對雙螺旋結(jié)構(gòu)有一定認(rèn)識的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)，學(xué)生動手嘗試構(gòu)建模型：

(1)將學(xué)生分組，四人一組；

(2)課件上提出具體的制作目的，以及各種材料分別代表什么；

(3)提供制作的參考方法，也可以讓學(xué)生自己探索制作方法；

(4)選取優(yōu)秀作品，進(jìn)行展示(可選取3到4組)。

7.師生共同對學(xué)生模型進(jìn)行點(diǎn)評和理論提升：

(1)觀察這些DNA分子，看看是否完全相同，如果不同，不同之處在哪里？(學(xué)生自然可知，展示的幾個DNA分子模型各不相同，不同之處是堿基的排列順序不同，從而可以推出：由于堿基排列順序千變?nèi)f化，DNA分子具有多樣性。)

(2)假如展示的幾個模型分別代表不同生物的DNA，那么，對其中的任一個個體而言，它都是特有的。因此，學(xué)生可以推出，DNA分子具有特異性。

(3)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)很規(guī)則，雙鏈反向平行，磷酸和脫氧核糖交替連接位于外側(cè)，堿基對位于內(nèi)側(cè)，這說明DNA分子還具有什么特點(diǎn)？(穩(wěn)定性。)

設(shè)計意圖：動手制作模型環(huán)節(jié)能促進(jìn)學(xué)生將所學(xué)DNA相關(guān)知識內(nèi)化；師生結(jié)合模型進(jìn)行點(diǎn)評，比較模型異同，能順利引導(dǎo)學(xué)生歸納出DNA分子的特性，實現(xiàn)對所構(gòu)建模型的有效利用。

(三)知識的自我構(gòu)建

教師要引導(dǎo)學(xué)生回顧本節(jié)課的內(nèi)容，重點(diǎn)掌握DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為：雙鏈，螺旋反向平行；外側(cè)為脫氧核糖和磷酸構(gòu)成基本骨架；內(nèi)側(cè)為氫鍵連接的堿基對，以堿基互補(bǔ)配對原則配對。

三、教學(xué)反思

DNA分子的結(jié)構(gòu)內(nèi)容抽象、微觀，學(xué)生不易掌握。在本節(jié)課中，教師以問題引入，很自然地調(diào)動起了學(xué)生的探索積極性。在課堂上，教師先展示模型，并以生活中的“旋梯”進(jìn)行類比，可以拉近學(xué)生與DNA之間的距離。在了解了立體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，學(xué)生再來看平面結(jié)構(gòu)，難度就降低了很多。本節(jié)課還分出近一半的時間，讓學(xué)生親自動手體驗?zāi)Ｐ?，并在動手操作過程中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，培養(yǎng)了他們的生物學(xué)素養(yǎng)和分析解決問題的能力。最后，教師對各組成果進(jìn)行了簡單點(diǎn)評，并讓學(xué)生根據(jù)自己做的模型總結(jié)出DNA分子的特性，從而達(dá)到了自我構(gòu)建DNA知識，努力將微觀結(jié)構(gòu)宏觀化、形象化的目標(biāo)。

讓學(xué)生在動腦的同時動手，這種教學(xué)方式比較生動、形象，課堂氣氛很活躍，學(xué)生也很感興趣。但要注意的是，含有動手操作活動的課堂教學(xué)是對教師課堂調(diào)控、引導(dǎo)能力的一大考驗。教師需提高課堂駕馭能力，努力做到收放自如。