核心素養(yǎng)視域下基于科學(xué)史的模型建構(gòu)

吳艷 劉夢真

摘要 通過觀察粗提取獲得的DNA，感受DNA的實物形態(tài)，引發(fā)學(xué)生的興趣;以科學(xué)史為探究主線，利用小組合作體驗DNA分子結(jié)構(gòu)模型的建構(gòu)過程，歸納DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點，認(rèn)同結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的觀點，提升生物學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 DNA分子結(jié)構(gòu) 科學(xué)史 模型建構(gòu) 核心素養(yǎng)

中圖分類號G633. 91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

1 教材分析

“DNA分子的結(jié)構(gòu)”是蘇教版高中生物教材《必修2.遺傳與進(jìn)化》第四章“遺傳的分子基礎(chǔ)”第二節(jié)中相關(guān)內(nèi)容，內(nèi)容包括回眸歷史、DNA分子的結(jié)構(gòu)、設(shè)計制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型等知識。教學(xué)重點是DNA分子結(jié)構(gòu)的模型建構(gòu)和DNA分子結(jié)構(gòu)特點的分析;教學(xué)難點是以科學(xué)史為探究主線，建構(gòu)DNA分子結(jié)構(gòu)模型的過程。

“DNA分子的結(jié)構(gòu)”是遺傳學(xué)的分子基礎(chǔ)內(nèi)容，該部分知識的學(xué)習(xí)有助于深化細(xì)胞增殖、減數(shù)分裂、基因結(jié)構(gòu)及孟德爾遺傳定律等知識的理解，也為DNA分子的復(fù)制、遺傳信息的表達(dá)以及生物變異等內(nèi)容學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

2 教學(xué)目標(biāo)

通過提取、觀察DNA，感受DNA的實物形態(tài);根據(jù)材料和信息，通過分析、比較、推理、歸納等方法逐步建構(gòu)DNA的分子結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)同生物學(xué)科發(fā)展需要重視生物科學(xué)證據(jù)的觀點;能夠運用DNA結(jié)構(gòu)的知識解釋一些生活實際問題，認(rèn)識到生物學(xué)科發(fā)展對人類生活的影響;通過對諾貝爾獲獎事件的分析，樹立正確的科學(xué)觀和世界觀。

3 課前準(zhǔn)備

各小組代表利用草莓、香蕉、獼猴桃等進(jìn)行DNA的粗提取，并錄制實驗視頻。

實驗材料：高濃度白酒;香蕉、草莓、獼猴桃等水果;洗滌劑;食鹽;塑料密封袋;紗布;燒杯;蒸餾水;吸管等。

實驗過程：①在密封袋中加入3顆草莓（或其他食材）、一勺食鹽、一瓶蓋洗滌劑;②密封塑料袋，用手掌按壓草莓至糊狀;③用紗布過濾密封袋內(nèi)糊狀物質(zhì)，收集濾液到燒杯內(nèi);④將低溫處理后的高濃度白酒倒入濾液中，觀察到混合液上層出現(xiàn)白色絲（絮）狀物質(zhì)。

4 教學(xué)過程

4.1 情景引入——感受DNA實物

4.1.1 觀DNA實物

學(xué)生觀看課前錄制的“提取DNA分子”的視頻，獲取“如何利用食材進(jìn)行DNA粗提取實驗”及“多種食材均富含DNA”的信息;近距離觀察燒杯內(nèi)上浮且呈白色、絲狀（或絮狀）的DNA實物，感受DNA的實物形態(tài)。

4.1.2 品含DNA食物

教師以“DNA可以吃嗎？你敢吃DNA嗎？”的問題引發(fā)學(xué)生質(zhì)疑，激發(fā)學(xué)生探究興趣。教師引導(dǎo)學(xué)生追溯“實驗所得的DNA”的來源，揭開大家通過攝食而“吃DNA”的事實，使學(xué)生認(rèn)同DNA就在身邊，調(diào)動學(xué)生的興趣。

教師以“人體能直接吸收各類食材中的DNA嗎？DNA的組成和結(jié)構(gòu)又是怎樣的？”的問題引入新課學(xué)習(xí)。

4.2 建構(gòu)DNA模型

教師提供資料：DNA分子在人體消化道內(nèi)被分解為磷酸、脫氧核糖及堿基的形式才被人體吸收。德國生物化學(xué)家科賽爾曾采用水解的方法系統(tǒng)地研究了核酸的結(jié)構(gòu)，認(rèn)為核酸是由許多核苷酸組成的大分子，而核苷酸是由堿基、五碳糖和磷酸構(gòu)成的。

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)資料分析：堿基、五碳糖和磷酸如何構(gòu)成核苷酸？核苷酸如何構(gòu)成DNA？帶著這些疑問，師生將追尋科學(xué)家的探索過程，揭開DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的神秘面紗，體會20世紀(jì)人類最偉大的成果-DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的模型建構(gòu)過程。

4.2.1 建構(gòu)4種脫氧核糖核苷酸模型

教師展示脫氧核糖的分子結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生指出脫氧核糖與堿基、磷酸建立聯(lián)系對應(yīng)的碳原子的位置，并說出堿基的類型和名稱。

學(xué)生利用學(xué)具建構(gòu)核苷酸模型，說出各核苷酸名稱，并歸納核苷酸的結(jié)構(gòu)特點：堿基與脫氧核糖中的1號碳連接，磷酸與5號碳連接。

4.2.2 建構(gòu)一條脫氧核苷酸鏈

教師提供資料：英國科學(xué)家富蘭克林通過X射線對DNA形成的衍射圖像，分析組成DNA的原子排列，了解到脫氧核苷酸之間通過磷酸與脫氧核糖3號碳原子形成磷酸二酯鍵而發(fā)生聚合。要求學(xué)生根據(jù)資料所得信息，以小組為單位，嘗試建構(gòu)由10個脫氧核糖核苷酸組成的DNA單鏈模型;分析脫氧核苷酸鏈的結(jié)構(gòu)特點。

學(xué)生利用學(xué)具建構(gòu)脫氧核苷酸鏈的模型，并歸納脫氧核苷酸鏈的結(jié)構(gòu)特點：2個脫氧核苷酸在磷酸和脫氧核苷酸3號碳位置形成磷酸二酯鍵;多個脫氧核苷酸構(gòu)成脫氧核苷酸鏈出現(xiàn)磷酸和脫氧核苷酸交替連接現(xiàn)象。

4.2.3 建構(gòu)DNA平面結(jié)構(gòu)模型

教師提供資料：科學(xué)家富蘭克林不斷完善研究工作，通過解析X射線的衍射圖片推斷出DNA可能由兩條鏈組成。與此同時，科學(xué)家沃森和克里克以威爾金斯和富蘭克林提供的DNA衍射圖譜的有關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，推斷出DNA分子呈螺旋結(jié)構(gòu)，利用化學(xué)家建構(gòu)蛋白質(zhì)分子模型的方法，嘗試建構(gòu)了不同的雙螺旋和三螺旋結(jié)構(gòu)模型，最終確定為雙螺旋模型。后來，科學(xué)家對DNA模型的含水量進(jìn)行推測，證實只有由2條鏈構(gòu)成的DNA模型推測出的含水量與實際測得的DNA含水量相同，由此推出DNA分子是由兩條鏈構(gòu)成。

學(xué)生小組討論：由兩條鏈構(gòu)成的DNA平面模型可能有多少種類型？

教師匯總小組討論結(jié)果，由兩條鏈構(gòu)成的DNA平面模型可能類型如圖l所示。

教師根據(jù)學(xué)生構(gòu)建的平面模型，提出問題：哪種平面模型可能更科學(xué)？

教師提供資料：化學(xué)特性上，DNA周圍為水環(huán)境且DNA溶于水;DNA上的脫氧核糖和磷酸具親水性，含氮堿基具有疏水性;物理特性上，沃森和克里克從富蘭克林處得知，對DNA首尾兩端分別進(jìn)行X射線衍射，衍射圖譜相同。

學(xué)生分析可知：親水的脫氧核糖和磷酸應(yīng)該處于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的外側(cè)，疏水的堿基應(yīng)該處于雙螺旋結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè);DNA兩端射線圖相同，說明DNA首尾兩端結(jié)構(gòu)相同，即構(gòu)成DNA的兩條鏈?zhǔn)欠聪蚺帕械?。由此可推出DNA雙鏈在平面上正確的方向組合。

學(xué)生小組討論：在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，4種堿基是怎樣的關(guān)系？可能存在的堿基配對類型有哪些？

教師匯總小組討論結(jié)果，堿基配對的可能類型有：

（1）相同堿基配對（A和A配對、T和T配對等）;

（2）不同堿基配對：

①嘌呤和嘌呤配對;嘧啶和嘧啶配對（A和G配對，C和T配對）;

②嘌呤和嘧啶配對（A和T或C配對，G和T或C配對）。

教師提供資料，并展示4種堿基的分子結(jié)構(gòu)式。20世紀(jì)40年代后期，科學(xué)家用電子顯微鏡觀察并計算出DNA分子直徑約為2 nm;沃森和克里克從奧地利著名化學(xué)家查哥夫處得知，A的量總是等于T的量，G的量總是等于C的量;劍橋數(shù)學(xué)家約翰·格里菲斯通過數(shù)學(xué)方法計算出，A吸引T，G吸引C，且A+T的寬度與G+C的寬度相等;美國晶體學(xué)者多納休向沃森和克里克證實，堿基之間是通過氫鍵相連;經(jīng)其他科學(xué)家證實，堿基A和T通過兩個氫鍵相連，堿基C和G通過三個氫鍵相連。

學(xué)生討論、指出4種堿基的分子結(jié)構(gòu)特點;根據(jù)資料4，推導(dǎo)堿基配對關(guān)系;總結(jié)配對的堿基間化學(xué)鍵的特點。

教師匯總小組討論結(jié)果：只有具有雙環(huán)結(jié)構(gòu)的嘌呤和具有單環(huán)結(jié)構(gòu)的嘧啶結(jié)合，才能維持DNA分子直徑2 nm的穩(wěn)定長度;DNA中的堿基遵循堿基互補(bǔ)配對原則，即A與T配對，G與C配對;堿基之間通過氫鍵相連，且A與T之間為兩個氫鍵，G與C之間為三個氫鍵。

學(xué)生以小組為單位，建構(gòu)由10個脫氧核苷酸對組成的DNA雙鏈的平面模型。

4.2.4 建構(gòu)DNA立體結(jié)構(gòu)模型

教師展示沃森和克里克的DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型：該模型兩條鏈的直徑為2 nm，螺距為3.4 nm，每兩個堿基對之間的間距為0.34 nm。即，DNA分子中，每10個脫氧核糖核苷酸對構(gòu)成一個完整螺旋。當(dāng)他們把用金屬材料制作的模型與拍攝的X射線衍射照片比較時，發(fā)現(xiàn)兩者完全相符。1953年4月，沃森和克里克撰寫的千字論文發(fā)表在《自然》上，在科學(xué)界引起轟動，他們將生物科學(xué)的研究視野從細(xì)胞水平推向了分子水平。因?qū)NA結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)，沃森、克里克以及威爾金斯共同獲得了1962年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

學(xué)生根據(jù)資料5信息，以小組為單位，嘗試將己制作的DNA平面模型轉(zhuǎn)化為立體模型，盡量滿足每10個脫氧核糖核苷酸對構(gòu)成一個完整螺旋的結(jié)構(gòu)要求。

4.3 歸納DNA的結(jié)構(gòu)特點

4.3.1 DNA的結(jié)構(gòu)

DNA為規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu)，兩條鏈反向平行;脫氧核糖和磷酸交替連接排列在外側(cè)，構(gòu)成基本骨架;堿基通過氫鍵相連，排列在雙螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè);堿基遵循堿基互補(bǔ)配對原則。

4.3.2 DNA結(jié)構(gòu)的多樣性和特異性

教師組織學(xué)生統(tǒng)計每個小組建構(gòu)的DNA模型中堿基對的排列順序及（A+T）/（C+G）比值的情況。匯總統(tǒng)計結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生分析：

（1）每個小組模型的堿基對的排列順序是否相同？DNA分子模型中，堿基對的排列順序代表什么？由10對脫氧核糖核苷酸構(gòu)成的DNA片段，可以有多少種組合類型？這種現(xiàn)象說明了什么？

（2）每個小組模型的（A+T）/（C+G）比值是否相同？這是偶然現(xiàn)象嗎？查閱資料可知，化學(xué)家查哥夫還對多種生物DNA的堿基做了定量分析，數(shù)據(jù)見表1。結(jié)果顯示，不同生物間（A+T）/（C+G）比值也存在差異。這種現(xiàn)象又說明了什么？

4.4 知識遷移應(yīng)用

（1） DNA指紋技術(shù)的應(yīng)用。

特定的限制酶能將DNA分子切割成多個長度不同的片段，再利用電泳等技術(shù)分離這些片段，即可獲得DNA片段圖譜，即DNA指紋。DNA指紋技術(shù)正發(fā)揮著越來越重要的作用，在親子鑒定、偵察罪犯、物種鑒定等方面是目前最為可靠的鑒定技術(shù)。

（2）辨別保健品功能真?zhèn)巍?/p>

保健品市場上曾出現(xiàn)了核酸保健品，指出人體可通過補(bǔ)充外源核酸達(dá)到延年益壽、促進(jìn)細(xì)胞生長的效果。這種說法是否科學(xué)？

4.5 思維碰撞

學(xué)生討論：

（1）結(jié)合本節(jié)課的學(xué)習(xí)，你認(rèn)為沃森和克里克能成功建立DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，原因有哪些？

（2）有人認(rèn)為富蘭克林的成果應(yīng)該獲得諾貝爾獎，你們贊同這個觀點嗎？

5 教學(xué)反思

5.1 緊密聯(lián)系生活實際

通過“觀視頻、看實物、品DNA”的活動，學(xué)生在動手操作和真實體會的過程中，拉近了生物學(xué)與日常生活的距離，激發(fā)了對DNA學(xué)習(xí)的興趣。

5.2 學(xué)生活動貫穿始終

從“感受DNA實物”到“建構(gòu)DNA模型”“歸納DNA結(jié)構(gòu)”，再到“知識遷移應(yīng)用”及“思維碰撞”的環(huán)節(jié)，學(xué)生積極主動投入到DNA分子結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)中，在活動中獲取信息、深化理解，最終實現(xiàn)能利用所學(xué)知識解釋親子鑒定、刑事偵查、辨別保健品真假功效等生活實際問題。

5.3 利用科學(xué)史實創(chuàng)設(shè)情境

教師利用DNA結(jié)構(gòu)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)史為學(xué)生創(chuàng)設(shè)探究情景，采用小組合作學(xué)習(xí)的方式，將史料分析融入到DNA模型建構(gòu)的過程中，通過讓學(xué)生體會DNA結(jié)構(gòu)的科學(xué)探索過程，培養(yǎng)其科學(xué)思維和合作精神，激發(fā)其科學(xué)探究意識，同時提高了其生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

5.4 循序漸進(jìn)地建構(gòu)模型

DNA模型的建構(gòu)過程，是一個由“簡單”到“復(fù)雜”、由“舊知”到“新知”、由“點——線——面——體”、由“概念模型、物理模型、數(shù)學(xué)模型”融合貫穿的學(xué)習(xí)過程，符合了學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知規(guī)律，較好地實現(xiàn)了教學(xué)重難點的突破。

5.5 培養(yǎng)學(xué)生收集、分析資料的能力

通過對沃森和克里克成功原因的分析及對富蘭克林是否該獲諾貝爾獎的判斷，促進(jìn)學(xué)生對諾貝爾獎及諾貝爾獎獲得者的了解，促使學(xué)生收集更多的相關(guān)資料，彌補(bǔ)課堂教學(xué)的不足，提高學(xué)生對歷史事件的思辨能力和評述能力，培養(yǎng)學(xué)生正確的價值觀和社會責(zé)任意識。

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