模型構建和科學史相結合下的任務驅動式教學

任務驅動式教學模式是依據教材內容設計與學科知識關聯度比較高的合作探究任務，并在后續的學習過程中以任務為核心，層層推進，激發學生的學習動力，培養學生的科學思維以及科學探究精神。本文以模型構建和科學史為依托，進行任務驅動式學習DNA的結構。

一、教材分析及設計思路

人教版高中生物必修2第3章《DNA的結構》，主要包括三部分：DNA雙螺旋結構模型的構建；DNA的結構（重難點）；DNA雙螺旋結構模型的制作。本節課既是對前面“核酸是遺傳信息的攜帶者”的進一步學習，又為后面學習DNA的復制、基因表達、中心法則以及基因工程等內容做了鋪墊，因此本節課具有承前啟后的作用。

高一年級的學生通過對核酸相關知識的學習，對DNA的結構有了初步的了解，但是因為還沒有學習有機化學相關知識，理解有機大分子的抽象的微觀結構有一定難度。此外DNA分子結構的內容實際上是多學科內容的融合，對學生的思維提出更高的要求。因此，本節課以“沃森、克里克構建DNA模型的探索歷程”為主線充分利用教材中提供的豐富的科學史資料，采用任務驅動式教學方式，通過對科學史的分析、討論，回答相關問題，完成相應的任務并動手逐步構建出DNA的雙螺旋模型，從而達到知行合一的目的。

二、教學目標

根據課程標準，本節的重要概念為：DNA分子是由四種脫氧核糖核苷酸構成，通常由兩條堿基互補配對的反向平行長鏈構成雙螺旋結構，并結合本章的大概念制定以下教學目標：

（1）生命觀念：通過對科學史的分析和討論以及逐步構建的DNA雙螺旋模型，培養結構與功能相適應的生命觀念。

（2）科學思維：通過對科學史的分析和討論以及逐步構建的DNA雙螺旋模型，提高綜合分析能力、模型構建能力、空間想象力、理解多學科融合以及開展合作的必要性促進科學思維的深入發展。

（3）科學探究：通過DNA雙螺旋的構建過程，掌握一般的研究方法、研究過程，學會科學探究的基本思路和方法。

（4）社會責任：鼓勵學生學習科學家善于合作、持之以恒的科學精神，提升自我，樹立遠大理想，形成社會責任意識。

三、教學過程

1. 播放利用廚房材料提取DNA的視頻，引出學習內容

播放利用廚房材料提取DNA的視頻并展示實驗材料香蕉和菜花的提取結果。讓學生觀察香蕉和菜花的DNA并提出問題：兩者的DNA看起來沒有區別，但這是兩種不同的生物，遺傳物質DNA肯定是不一樣的，那么它們具體哪里不一樣？進而引出DNA的結構。

設計意圖：通過學生講解利用廚房中的各種材料提取DNA的過程并展示結果，增強學生對DNA的感性認識。利用觀察的結果并結合理論知識提出問題，激發學生的探索欲和求知欲。

2. 分析科學史，構建DNA模型

任務一：構建單個脫氧核糖核苷酸

學生回憶核酸內容依次回答以下4個問題：（1）DNA的基本單位是什么？（2）元素組成是什么？（3）脫氧核苷酸的組成是什么？它們之間是如何連接的？（4）堿基有幾種？并呈現四種堿基的結構式。

活動一：5人小組利用信封中的各種彩色卡片，訂書機等材料制作5個脫氧核糖核苷酸模型，用馬克筆標出關鍵的成分，小組之間進行展示，并對發現的問題提出修改意見。

設計意圖：通過回憶基礎知識，以小組為單位動手制作DNA的基本單位以及小組之間展示、交流、修正。培養了學生的合作探究精神以及發現問題解決問題的能力。

任務二：構建脫氧核糖核苷酸單鏈

資料一：1951年11月，英國物理學家富蘭克林通過數據計算得出：一個脫氧核苷酸的脫氧核糖和另一個脫氧核苷酸的磷酸之間會發生連接。資料二：20世紀50年代初期，英國化學家托德提出“一分子脫氧核苷酸的3號碳原子上的羥基與另一分子脫氧核苷酸的5號碳原子端的磷酸基團之間通過脫水縮合形成磷酸二酯鍵，由磷酸二酯鍵將脫氧核苷酸連接成長鏈”。

活動二：以小組為單位分析資料一和二，將制作好的5個基本單位連接成單鏈，進行展示和交流并引導學生對比小組之間的單鏈有什么不同。

設計意圖：通過對資料的分析，培養學生的閱讀能力以及提取和整合信息的能力。通過對比單鏈之間的不同，引導學生得出堿基的排列順序是千變萬化的。

任務三：構建DNA的平面結構

資料三：沃森和克里克提出了堿基在外側，脫氧核糖—磷酸在內側的三螺旋模型，但是富蘭克林通過測定DNA的含水量和密度值，推測DNA更接近兩條鏈從而否定了三鏈模型。

教師依次提問：通過對資料三的分析，同學們可以推出DNA有幾條鏈構成？以小組為單位討論一下DNA的這兩條鏈如何排布？通過教師的引導學生會提出兩種假設。假設一：堿基在內側，磷酸和脫氧核糖在外側。假設二：堿基在外側，磷酸和脫氧核糖在內側。到底哪種假設正確呢？教師提供資料四。

資料四：磷脂雙分子層具有疏水的尾部和親水的頭部，脫氧核苷酸的含氮堿基具有疏水性，磷酸集團具有親水性。

教師依次提問：細胞中的DNA處于一個什么樣的環境？根據資料四你認為哪個假設是正確的？通過引導學生認為假設——正確。

教師提出問題：那么DNA的兩條鏈之間怎么連接呢？展示資料五、六、七。

資料五：數學家格里菲斯通過計算堿基之間的吸引力，推出堿基之間依靠氫鍵連接。

資料六：從定量的角度，歐文·查哥夫研究了DNA四種堿基的比例組成。1947—1952年，查哥夫通過紙層析法分離得到堿基，再用紫外吸收光譜進行定量分析，發現在摩爾量上，A=T，G=C。實測數據為：A=30.9%；T=29.4%；G=19.9%；C=19.8%

資料七：1953年，克里克從佩魯茲那里得到一個重要信息：DNA的晶體形式旋轉180°后與原來的形式完全重疊。

教師提出問題：通過對四則資料的分析分別得出什么結論？引導學生得出堿基互補配對原則即A與T配對，它們之間有兩個氫鍵；C與G配對，它們之間有三個氫鍵；DNA的兩條鏈是反向平行的。

活動三：以小組為單位制作另一條具有相同數量基本單位的DNA單鏈，并把這兩條單鏈制成DNA的平面結構，完成后小組代表進行展示、解說。

設計意圖：通過不斷提供相關科學史資料，培養學生篩選關鍵信息，并對信息進行處理、分析、討論最終得出結論的能力。通過問題串的方式，層層推進引導學生進行深度思考，通過科學史等證據對原有的認知不斷進行修正，讓學生認識到科學探索是一個不斷批判、不斷修正、不斷前進的曲折、漫長過程；通過模型構建的過程讓學生認識到合作探究的重要性。

任務四：構建DNA的空間結構

克林應用衍射技術獲得了高質量的DNA衍射圖，沃森和克里克主要以該照片為基礎，推算出了DNA的空間結構。

利用彈簧和激光筆模擬衍射圖像，以及拉伸彈簧后的夾角變大的衍射圖像。從而推出DNA是一個螺旋結構。

引導學生進一步仔細觀察DNA的衍射圖，條帶并不是均勻的，再結合已知的DNA是雙鏈，由于兩條鏈間的遮擋作用才出現不均勻的情況。由此，可以推出DNA的空間結構是雙螺旋結構。

活動四：構建DNA的空間結構并說說DNA的結構具有什么樣的特點。

設計意圖：通過學習雙縫實驗以及利用彈簧和激光筆演示衍射實驗，增強了學生對DNA空間結構的認識，讓學生認識到科學的發現都是多學科知識融合的結果。

四、教學反思

通過實驗演示和任務驅動將抽象的知識具體化，有助于學生理解DNA的結構；通過問題串的形式層層推進將知識點串聯起來，有助于學生自己構建知識體系；通過對科學史的分析，有助于培養學生的獲取、處理、整合信息得出結論的能力；通過模型構建，有助于培養學生的合作探究能力和動手能力。同時由于時間的限制，本節課的容量非常大，需要合理安排好各個環節的時間。

（作者單位：山東省青島第一中學）