利用模型建構培養科學思維的教學實踐
——以“核酸分子的結構”為例

重慶市南川中學校 黃小琪

重慶市南川區教育科學研究所 譚 潔

北京市昌平區第一中學 周有祥

筆者在北師大版生物學必修二《遺傳與進化》的“核酸分子的結構”一節課的教學中，嘗試讓學生重溫科學探索之旅，逐步構建出DNA分子雙螺旋結構模型。從而達到構建概念，培養科學思維的目的。

一、教學分析

（一）課標分析

從課標的要求看，本節課內容是從分子角度闡述遺傳信息的本質，進一步形成結構與功能相適應的生命觀念，為學生學習DNA的復制和表達奠定基礎。為促進學生生物學核心素養的提升，課標建議開展的活動是：①收集DNA分子結構模型建立過程的資料并進行討論和交流；②制作DNA分子雙螺旋結構模型。

（二）教材分析

以課標為依據，教材編排的內容包括DNA結構探索科學史、DNA分子結構、DNA的堿基排序與遺傳信息關系、RNA分子結構以及制作DNA雙螺旋結構模型五部分。因此，在實際教學中，本節課需要重溫或者建構的概念包括：①DNA分子是由四種脫氧核苷酸構成的；②DNA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；③DNA堿基的排列順序編碼了遺傳信息；④RNA是由多核糖核苷酸組成的單鏈。運用模型與建模有利于學生解讀DNA多樣性、特異性和穩定性的特征，奠定理解生物學的多樣性及物種穩定性的物質基礎。

（三）學情分析

高中生的思維水平、學習能力已經發展到一定的階段，具有一定的抽象思維能力與分析、推理能力，并具備數學、物理和化學知識基礎。學生喜歡動手操作，且絕大部分學生對揭秘“遺傳信息”非常感興趣。基于課標、教材與學情，教師制訂教學目標如下。

二、教學目標

生命觀念：在理解DNA和RNA分子結構的基礎上，能運用結構與功能觀，闡明堿基的排列順序編碼了遺傳信息。

科學思維與科學探究：基于DNA和RNA的分子結構特征，能選用合適的材料和用具，設計方案制作DNA和RNA的分子結構模型，論述DNA雙螺旋結構的發現對促進分子生物學發展的意義。

社會責任：關注分子遺傳學領域的成果與進展，展示和交流相關的社會熱點問題及科技前沿問題。

三、模型建構過程

（一）問題情境導入

教師行為：【提供資料——PPT展示】刑偵案例中，被害者體內的精液DNA指紋圖，以及三個嫌疑人的DNA指紋圖，并提出問題誰是真正的罪犯？

學生活動：觀察圖片，思考并回答誰是真正的罪犯。DNA具有什么樣的結構使它可以作為斷案的依據？

設計意圖：教師引導學生思考什么樣的結構才使DNA具有這樣的功能，創造認知差，激發學生的好奇心和求知欲，引入模型想象。

（二）任務一：制作四種脫氧核苷酸模型

教師行為：提供米歇爾、科賽爾和利文等人研究的資料及核苷酸圖片。

學生活動：閱讀資料，觀察磷酸、脫氧核糖、四種堿基的結構圖。回顧DNA、RNA分子的核苷酸的種類和組成，利用手上的一個帶磁性的白板、若干帶磁性堿基平面模型、脫氧核糖平面模型、磷酸平面模型、化學鍵模型以及雙面膠，構建各種脫氧苷酸平面模型（圖1）。

圖1 原材料和學生構建的脫氧核苷酸

設計意圖：厘清容易混淆的脫氧核糖核酸、脫氧核糖核苷酸、脫氧核糖等名詞區別；回憶脫氧核苷酸的組成，建立最基本的分子模型（脫氧核苷酸三個組成部分之間的位置關系）。建構“DNA分子是由四種脫氧核苷酸構成的”的基本概念。

（三）任務二：構建多脫氧核苷酸鏈模型

教師行為：【提供資料——PPT展示】早在20世紀30年代科學家就已經知道相鄰兩個脫氧核苷酸是通過脫去一分子水并形成磷酸二酯鍵連接起來的；介紹五碳糖的碳原子編號、磷酸二酯鍵、單鏈方向3′端和5′端等相關知識。

學生活動：以小組為單位，利用構建好的脫氧核苷酸模型，在白板左側構建一條多脫氧核苷酸鏈（圖2）。

圖2 學生構建的多脫氧核苷酸單鏈

設計意圖：構建多脫氧核苷酸鏈模型，為構建DNA雙鏈打下基礎。同時弄清楚DNA單鏈的結構，明確哪個鍵是脫氧核苷酸之間的鍵，哪個鍵是脫氧核苷酸內部的鍵，為后面學習DNA聚合酶、限制酶、DNA連接酶等作用部位打下基礎。同時，了解當時的研究背景，領悟科學發現的規律、方法和歷程。

（四）任務三：構建DNA分子雙鏈模型

過渡：1951年沃森和克里克，就是在已知這樣一條多脫氧核苷酸鏈，以及在多位科學家提供數據資料的基礎上，開啟了他們DNA模型的構建之旅。

1.科學史——DNA具有兩條鏈

教師行為：【提供資料——PPT展示】富蘭克林通過衍射圖譜得出DNA的直徑為2nm。經過測定發現，無論是2條鏈還是3條鏈直徑都為2nm，因此她推測DNA可能由2條或者3條鏈構成。接著，她又分別測定2條、3條鏈的DNA模型含水量，結果只有兩條鏈構成的DNA的含水量與實際DNA相符。提問——DNA具有幾條鏈？

學生活動：分析資料，推測DNA具有兩條鏈。

設計意圖：分析資料得出DNA是兩條鏈的結論，為構建DNA雙螺旋結構模型奠定基礎。讓學生明白，一項結論的提出，是需要相關科學實驗結果作為支撐的。培養學生根據資料，分析、歸納、總結的能力。

2.推理——DNA兩條鏈的排列方式

教師行為：【提供資料——PPT展示】科學家發現，磷酸和脫氧核糖親水，堿基疏水，而DNA在細胞內始終處于一個水環境中。提出問題——DNA的雙鏈的排列方式是什么？

學生活動：類比細胞膜的磷脂雙分子層的排列方式，推測DNA兩條鏈的排列方式：磷酸和脫氧核糖等親水基團排列在外側，堿基等疏水基團排列在內側。

設計意圖：培養學生基于已知信息和已有知識提出假設，進行推理，逐步形成復雜的模型設想。

3.分析——堿基配對的方式

教師行為：【提供資料——PPT展示】DNA衍射圖譜揭示，堿基通過氫鍵連接成堿基對，且DNA雙鏈之間的距離恒等。教師提供4種堿基分子的結構式，引導學生發現什么樣的配對方式才能使距離恒等。

學生活動：通過小組分析討論，比較堿基大小，以及配對的方式對雙鏈之間距離的影響，從而提出可能的配對方式：一個嘌呤和一個嘧啶配對。

設計意圖：通過觀察資料，初步判斷堿基配對是一個嘌呤和一個嘧啶配對，為后續確定堿基互補配對原則打下基礎，同時培養學生獲取信息、分析信息的能力。

4.歸納——堿基互補配對原則

教師行為：【提供資料——PPT展示】1952年，查哥夫對多種生物的DNA進行了堿基定量分析，并提供堿基的相關數據表格。提出問題——根據表格發現堿基之間有什么關系呢？

學生活動：通過比較表格中每一種生物內各種堿基的數量，小組討論，總結得出不同堿基之間的數量關系，以及配對方式：A的數量=T的數量，C的數量=G的數量，以及A和T配對，G和C配對的結論。

設計意圖：根據資料分析推導獲取信息，分析歸納概括出規律，為模型的進一步構建提供理論基礎。

5.確定——雙鏈之間連接的方式

教師行為：【提供資料——PPT展示】DNA分子的兩條鏈通過堿基之間的氫鍵結合在一起，A與T之間為2個氫鍵，而C與G之間為3個氫鍵。提問——哪種堿基對結構更穩定？

學生活動：積極思考并比較，小組討論，堿基的種類、氫鍵的數量與DNA結構穩定性之間的關系：G和C越多，氫鍵越多，相對作用力越大，DNA雙鏈結構越穩定。

設計意圖：通過資料信息分析，明確堿基對、氫鍵、DNA穩定性之間的關系，在理解結構與功能相適應的基礎上培養邏輯思維能力。

6.初步構建DNA分子雙鏈模型

教師行為：讓學生根據以上信息，在白板上做出DNA的雙鏈模型。選擇兩個擺法不同（反向平行與正向平行）的小組代表上臺展示。

學生活動：基于分步驟的信息積累，小組討論總結DNA具有的結構特點，實現模型轉化，在白板上做出DNA的平面模型（圖3）。并派代表將他們的成果投影到多媒體上。

圖3 學生構建的兩種DNA平面模型

設計意圖：檢測學生對所學內容的掌握情況，同時鍛煉學生動手動腦的能力。擺上兩種典型的排列方式，為后續復雜模型的構建奠定基礎，培養學生相互合作、共同探索的能力。給學生展示的平臺，有利于提高學生學習興趣和學習自信。同時，也可以通過展示交流對學生進行表現性評價。

7.修正雙鏈模型——確定雙鏈方向

教師行為：【提供資料——PPT展示】富蘭克林發現，將DNA晶體水平旋轉180°獲得的X射線衍射圖仍然是一樣的。引導學生將自己的平面模型進行翻轉，從而找出旋轉后衍射圖仍然一樣的可能原因：兩條鏈是反向的，揭示反向平行的科學描述，一條鏈是5′→3′，另一條鏈是3′→5′。

學生活動：上臺展示的兩個學生將構建的模型水平旋轉180°，比較翻轉前后的模型外觀是否一致。通過小組討論兩條鏈的方向：反向平行。然后各小組修正自己的DNA模型，并展示。

設計意圖：激發學生的思維，培養學生根據資料獲取信息，基于實證修正模型的能力。讓學生明白，科學研究的道路，困難重重，任何一項發現都不是一蹴而就的，需要腳踏實地、堅持不懈的科學態度。

8.確定DNA分子的空間結構

教師行為：PPT展示DNA的X射線衍射圖，再將兩個彈簧放置在一起，現場用激光筆照射彈簧形成一個衍射圖（圖4），供學生與DNA衍射圖譜對比分析，推斷出DNA的空間結構是雙螺旋。分析完成后，教師圖片展示DNA的平面結構模式圖，以及沃森、克里克最終用金屬材料搭建的DNA雙螺旋結構立體模型。

圖4 彈簧的激光衍射圖

學生活動：比較科學家所做的DNA的X光衍射圖，與現場所做的彈簧的激光衍射圖，推測它們在結構上的相似之處——雙螺旋結構。

設計意圖：通過對比彈簧的激光衍射圖與DNA的X光衍射圖，推測DNA的空間結構。并將自己的模型成果優化為雙螺旋。

9.解讀DNA的多樣性和特異性

教師行為：引導各組學生和周圍小組比較彼此模型中堿基序列的差異。并提問——DNA的遺傳信息是什么？為什么可以用DNA、指紋技術來確認案件的真兇？

學生活動：比較自己組所做模型和周圍組的區別（圖5），體會DNA具有多樣性和特異性的特點，同時體會DNA的遺傳信息就是堿基對的排列順序。每個人的DNA序列都不完全一樣，所以可以用作刑偵案件的證據。

圖5 學生構建的兩種序列

設計意圖：對模型內涵進行觀察思考，從結構上論證DNA的多樣性和特異性，進一步引導學生體會結構決定功能的思想。讓學生了解到DNA的多樣性和特異性在生物個體層面的表現，引導學生關注DNA檢測技術在實際生活中的應用。

（五）任務四：歸納總結DNA分子的結構

教師行為：提出問題——DNA的結構有哪些特點呢？引導學生對DNA的結構特點進行總結。

學生活動：小組討論總結，并派代表回答。

①DNA分子是由兩條反向平行的脫氧核苷酸長鏈盤旋成雙螺旋結構；②DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連接，排列在外側，構成基本骨架，堿基在內側；③兩條鏈上的堿基通過氫鍵連接形成堿基對，且遵循堿基互補配對原則。

設計意圖：通過了DNA結構模型的構建，學生對DNA的結構有了一定的印象，鼓勵學生歸納總結，一方面，將散亂的知識整理為成體系的知識；另一方面，培養學生的歸納總結能力及交流表達能力。

（六）任務五：構建RNA分子結構模型

教師行為：所有細胞生物和部分病毒的遺傳物質是DNA。但某些病毒，如HIV、煙草花葉病毒、新冠病毒、流感病毒等遺傳物質是RNA。并提問——RNA的結構是什么？在結構和組成上和DNA有哪些異同？誰的結構會更穩定？誰更容易發生變異？它又如何存儲遺傳信息呢？

學生活動：自主完成教材13頁內容，類比DNA的結構回答問題——RNA通常是單鏈，有些區域也可形成雙鏈；RNA的五碳糖是核糖，構成RNA的堿基是A、U、G、C，沒有T，和A配對的堿基是U；DNA比RNA分子結構更加穩定；所以RNA病毒更容易變異；RNA的遺傳信息是由核糖核苷酸的排列順序編碼。回答完成后，構建出RNA的平面模型。

設計意圖：通過構建RNA分子結構模型，培養學生掌握RNA結構特點的同時，學會用已有知識類比學習新知識的能力。通過對比兩種核酸的穩定性，讓學生明白新冠病毒等RNA病毒變異性強的原因，鼓勵學生用已學知識解釋現實生活中的現象，從而培養學生關心醫療、健康等方面的社會責任感。

四、教學反思

教師應當注意的是，模型建構的過程環節較多，課堂教學中要注意時間的把控，需要課前精選基本材料（包括信息），確保教學時效。