基于生命科學史建構模型的教學設計

許豇羽

摘 要：基于生命科學史，建構DNA雙螺旋結(jié)構模型，多維立體地培養(yǎng)學生的生物學核心素養(yǎng)。

關鍵詞：DNA分子的結(jié)構 建構模型 生命科學史 核心素養(yǎng)

1 教材分析和教學設計理念

“DNA分子的結(jié)構”是人教版生物必修二第三章第二節(jié)的內(nèi)容。在學習本節(jié)內(nèi)容以前，學生已通過“經(jīng)典遺傳實驗”知道了DNA是生物體主要的遺傳物質(zhì)，然而DNA為什么能夠儲存遺傳信息，學生并不理解，本節(jié)正是基于“結(jié)構與功能相適應”的生命觀念，通過“模型與建模”的科學思維來解決這一問題。基于此，本節(jié)教學目標定位如下：根據(jù)DNA雙螺旋結(jié)構模型建構的生命科學史，建構DNA物理模型，歸納DNA分子的空間結(jié)構特點;比較模型，分析DNA是如何儲存遺傳信息的，歸納DNA分子特性;融匯情境，多維立體地培養(yǎng)生物學核心素養(yǎng)。

2 教學過程

2.1 情境激趣 引入新知

播放“英雄回家！”視頻：通過DNA檢測比對，6位志愿軍烈士確定身份和親緣關系，實現(xiàn)“認親”。引入問題：為什么檢測比對DNA能確定親緣關系？DNA是如何實現(xiàn)儲存遺傳信息這一功能的？你準備從什么角度研究以上問題，說出你的看法。

因為學生必修一通過蛋白質(zhì)等分子的學習具備了“結(jié)構決定功能”的生命觀念，很快想到要從“DNA分子的結(jié)構”入手解決“DNA如何實現(xiàn)存儲遺傳信息這一功能”的問題。教師展示“甲烷模型”、“氨基酸模型”引出科學上經(jīng)常通過搭建模型來解析分子的結(jié)構，今天我們就順著科學家的足跡來一起搭建DNA分子結(jié)構模型。

2.2 “畫點”—建構DNA基本單位模型

教師設問：當時科學界對DNA 的認識是DNA是生物大分子，是由一個個基本單位構成的長鏈，這個基本單位是什么？學生能說出脫氧核苷酸。教師請每個小組打開桌上的教具盒，取出塑料教具，分析圓球、五邊形、長方形、短棒分別代表什么，它們是如何構成脫氧核苷酸的。并請小組同學動手操作，每人構建2個脫氧核苷酸模型，相互比較說出其不同。

學生基于必修一知識能說出圓球、五邊形和長方形、短棒分別代表磷酸、脫氧核糖、堿基和化學鍵。利用以上元件構建好脫氧核苷酸模型，組內(nèi)對比能說出脫氧核苷酸的不同在于堿基種類的不同。

2.3 “連線”—構建一條DNA鏈

教師展示當時科學界對DNA的認識—每一個核苷酸的糖基團以化學方式與另一個核苷酸的磷酸連在一起，形成糖—磷酸骨架[1]。教師展示“3′，5′-磷酸二酯鍵”連接方式，請小組同學合作構建兩條含4個脫氧核苷酸的DNA鏈。

學生小組合作，用短棒代表化學鍵將核苷酸相連，組成兩條含4個脫氧核苷酸的DNA鏈。

2.4 “成面”—構建DNA雙鏈

2.4.1 DNA鏈條數(shù)的探究

教師呈示富蘭克林的DNA X射線衍射圖譜[2]，科學家分析圖譜顯示：DNA結(jié)構的螺旋周期性;分子直徑保持不變（2 nm）。沃森和克里克由此將DNA鎖定在雙螺旋或三螺旋，但威爾金斯指出，3條鏈的DNA模型推算出的含水量只是實際測得的1/10。教師設問：根據(jù)以上資料，分析DNA由幾條鏈組成，空間結(jié)構是怎樣的。

學生討論得出：DNA由2條鏈組成，空間結(jié)構為雙鏈螺旋。

2.4.2 兩條鏈間相連方式的探究

教師請小組同學將DNA兩條鏈拼接在一起，學生構建出：“堿基內(nèi)側(cè)，糖—磷酸骨架外側(cè)”和“堿基外側(cè)，糖—磷酸骨架內(nèi)側(cè)”兩種模型。教師出示資料：堿基疏水，脫氧核糖和磷酸親水。請學生結(jié)合DNA所處的環(huán)境思考兩條鏈如何相連。

學生有了“磷酸頭部親水，尾部疏水”構建細胞膜模型的經(jīng)驗，結(jié)合DNA處在水中這一環(huán)境，能夠說出第二種模型不符合化學規(guī)律，從而建構出“堿基內(nèi)側(cè)，糖—磷酸骨架外側(cè)”的DNA模型。

2.4.3 堿基配對方式的探究

教師ppt展示四種堿基結(jié)構式，學生比對手中模型發(fā)現(xiàn)嘧啶堿基由于雙環(huán)，比單環(huán)的嘌呤堿基更長。教師呈示問題：嘗試拼接模型，思考堿基如何配對能保證分子直徑恒定不變（2 nm）？

學生拼接模型得出只有嘌呤堿基和嘧啶堿基配對，才能保證直徑不變，但具體哪種嘌呤配對哪種嘧啶堿基小組各不相同。教師呈示查哥夫“幾種生物DNA分子堿基量的分析表”，學生發(fā)現(xiàn)規(guī)律：A總是接近于T，C總是接近于G，得出結(jié)論“A—T，C—G”配對。小組同學構建出“A—T，C—G”配對的DNA雙鏈模型。

2.5 “轉(zhuǎn)體”—構建DNA雙螺旋空間結(jié)構模型

教師引導一個大組的同學將各小組的DNA雙鏈拼接成一個更大的DNA片段，嘗試螺旋，建構DNA空間結(jié)構模型。學生對比發(fā)現(xiàn)三大組的三個DNA片段有的“左旋”，有的“右旋”。教師展示中關村DNA雕塑圖片，請同學對比模型的不同。

學生觀察得出DNA右旋，修正模型為“DNA右旋”，全班構建起3個DNA雙螺旋結(jié)構模型。

2.6 歸納概括，情境升華

教師讓全班對比三個DNA模型，分析異同點。學生觀察得出：①DNA空間結(jié)構相同：兩條鏈盤旋成雙螺旋結(jié)構，外側(cè)脫氧核糖和磷酸構成基本骨架，內(nèi)側(cè)堿基對，堿基互補配對方式相同（穩(wěn)定性）;②不同之處在于堿基排列方式不同（多樣性）。

教師引導學生回歸情境：為什么檢測比對DNA能確定烈士和子女的親緣關系？DNA是如何儲存遺傳信息的？學生得出：每個人的堿基排序都是特定的（特異性），遺傳信息就儲存在四種堿基的排列順序中。

3 教學反思

本節(jié)課融匯科學史，通過模型建構培養(yǎng)了學生“模型與建模”的科學思維，樹立了“基于結(jié)構研究功能”的生命觀念，應用所學解決現(xiàn)實問題，升華了學生的社會責任。

參考文獻：

[1] 王永勝.生物學核心概念的發(fā)展[M].北京：人民教育出版社，2011：88-93.

[2] 張建.DNA雙螺旋結(jié)構發(fā)現(xiàn)者——莫里斯·威爾金斯[J].生物學通報，2017，52（12）：56-58.