“DNA分子的结构”一节的教学设计，本文主要内容关键词为：教学设计论文,分子论文,结构论文,DNA论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、教材分析
“DNA分子的结构”是人教版新教材模块二第3章“基因的本质”第2节的内容。继前一节通过几个经典实验证明了DNA是主要的遗传物质，本节教学通过DNA双螺旋结构的确定，阐明作为遗传物质应该具备的特点，为之后DNA功能的学习打下基础。本节内容框架清晰：一段科学发现史，意图启发感染学生在科学探索的过程中应具备一定的科学素养，如浓厚的兴趣，学科间的交融，科学的思维方法，善于利用前人的成果，锲而不舍的精神，以及与人合作的品质，继而总结DNA分子的结构特点，最后通过模型构建加深对DNA分子结构的理解。基于DNA分子结构的复杂性和模型构建的难度考虑，可以通过发现式教学，结合自主性学习和体验式模型构建的教学模式，在循着科学家的探索之路中引导学生逐步揭开DNA分子结构的神秘面纱，并不失时机地提炼科学方法和渗透科学精神。
二、教学目标
1.知识目标
概述DNA分子结构的主要特点。
2.能力目标
（1）通过制作DNA分子的结构模型，深入理解DNA双螺旋结构的特点，初步掌握模型建构的方法在科学研究中的应用。
（2）通过讨论DNA双螺旋结构模型的构建历程，培养思维的逻辑性和严谨性。
3.情感态度与价值观目标
（1）通过模型建构的过程，领悟结构和功能相统一的学科思想。
（2）通过学习DNA分子结构的发现史，体验科学家锲而不舍、执著追求、合作交流的科学精神，认同人类对事物的认识往往是不断深化、不断完善的过程。
三、教学过程
1.创设情境，导入新课
首先向学生展示3则文字资料：
资料1：肺炎双球菌转化实验中，S型菌经过60℃的温度处理，导致蛋白质变性，失去活性，从而失去了感染性。但这种处理后的S型菌却能转化R型菌。这是因为在同等高温条件下，遗传物质DNA并没有变性。可见，和蛋白质分子相比，DNA分子在结构上具有稳定性。
资料2：2010年8月，一架客机在黑龙江省某机场降落时发生坠机事故，在救治伤者的同时，也要对死亡遗体进行身份确定。通过DNA采样与DNA鉴定比对，40名遇难者身份很快就被确定。人们不禁要问，仅仅通过DNA检测，就能鉴定死者身份，道理何在？依据是：DNA分子在结构上具有特异性。
资料3：联合国环境署最新发布的一份报告称，地球上共有870万种生物，其中包括650万种陆地生物和220万种海洋生物。研究结果指出，如果使用传统的方法对物种进行识别和描述，可能需要30万名分类学家用时1200年、花费大约3640亿美元才可以完成。然而，DNA条形编码技术可以大大降低这一工作所需的时间和成本。可见，DNA分子在结构上具有多样性。
以结构和功能紧密联系的学科思想，精心创设教学情境，要让学生明白，要想了解功能，必须知晓结构——作为遗传信息的载体，无论是DNA的多样性，特异性，还是稳定性，都要从结构上找原因，从而顺理成章地引出本节教学内容。
2.发现式教学，探索DNA分子结构的发现历程（模型构建的过程）
DNA双螺旋结构的发现是轰动科学界的，也是振奋人心的，生命科学从此进入了分子生物学阶段。重温这段发现史，可以说是耐人寻味的，这不仅仅是因为主要发现者沃森、克里克是2位二三十岁的年轻人，更是因为他们在追求真理的过程中所表现出的值得我们学习的科学精神。接下来，教师通过引领发现法，和学生共同沿着科学家的思维轨迹，探索DNA结构的发现历程。
（1）当时已掌握的基本资料
沃森和克里克开始研究DNA结构时，科学界对DNA已有的认识有哪些呢？
①DNA的化学组成元素和基本组成单位。
②每一个核苷酸的糖基团与另一核苷酸的磷酸基团以一定的化学方式连接形成糖—磷酸骨架，决定了DNA分子的长度。
③1951年，威尔金斯通过X射线衍射技术，拍摄到了DNA的衍射图谱，发现：a、DNA结构的螺旋周期性（3.4nm重复一次）；b、DNA分子是长链的多聚体；c、分子直径保持不变（2nm）。
介绍当时已掌握的资料，是为后面的探索学习奠定一定的理论基础。同时要让学生知道，正是听完威尔金斯这一学术报告，才让沃森对DNA结构产生了浓厚的兴趣，在兴趣的驱动下，他找到了克里克，开始了合作探究的历程。围绕作为遗传物质应该具有的几个基本特征，如稳定性、多样性、特异性、忠实的复制能力等，展开DNA结构的探索。
（2）有待解决的问题
依据认知规律，向学生展示建立DNA模型需要思考的问题及思路（如图），逐一解决相关问题。
①DNA由几条核苷酸链组成？
历史回顾：化学家鲍林发明了一种独特的查看分子维度的物理方法，即先根据理论上的考虑使用原子构件搭建分子模型，再参考X射线衍射图谱，来检验模型。由此，发现了蛋白质α螺旋结构。
对沃森和克里克而言，重要的不是鲍林对蛋白质α螺旋的研究内容，而是其方法——建立分子模型！这一方法非常有效，2人之前曾提出多种可能的分子结构，通过与X射线衍射图谱一一比对，逐一检验排除，最终将答案锁定为双链或三链。那么是双螺旋还是三螺旋？沃森起初认为是三螺旋，但威尔金斯认为三螺旋模型中DNA分子的含水量与正常含水量不符（究其原因，是沃森当时记错了实验数据），因此否定了三链模型。
鉴于学生缺少相关学科知识的背景，本环节以讲述为主。
②是链内相互作用吗？
若同一链的不同碱基间相互吸引，分子构象会如何？引导学生回忆由于多肽链的氨基酸残基间的相互作用，以致形成了特定的球状空间结构（如血红蛋白分子），同理可知，DNA分子若是以链内相互作用为主，则基本骨架本身就会发生弯曲、折叠，这将违背DNA的螺旋结构。
③是双链的骨架间相互作用吗？——探究活动1。
即骨架排在内侧，碱基排在外侧。教师在课前准备若干脱氧核苷酸分子模型，分发给各小组（如每组4种核苷酸各4个，共计16个），由学生尝试利用这些材料制作一个以碱基排在外侧的DNA分子平面模型，并讨论其是否具有合理性。为确保讨论的目的性和有效性，可作如下提示：A.回顾磷脂双分子层的分布方向是如何判断的，已知碱基是疏水基团，而DNA是存在于怎样的环境中呢？B.DNA分子直径是固定的，碱基大小是不同的（嘌呤为双杂环，嘧啶为单环结构）。利用学生已有知识体系（磷脂分子头部和尾部的亲水疏水问题），合理进行知识迁移，有温故知新之效；学生在试拼模型的过程中会发现模型的直径是不断变化的，这与事实上的恒定性相违背。由此，在理论推测和“眼见为实”的双重证明下，该方案不可取。
④是相同碱基相互作用吗？——探究活动2。
既然不是双链的骨架间相互作用，那就一定是碱基对的相互作用。这里，存在2种可能，即相同或不同碱基间的相互作用。接下来，请学生尝试利用手中的材料制作一个以相同碱基配对的DNA分子平面模型，讨论其是否具有合理性。由于有了刚才的体验与经验，在提示同样需要满足DNA分子直径恒定性的前提下，相信这一问题应该不难解答。此外，通过历史回顾：科学家格里菲斯在计算碱基间的吸引力后认为，从理论上讲，是不同碱基之间的配对。要让学生领悟学科间的交融在科学探索中的重要作用。
⑤是不同碱基相互作用吗？——探究活动3。
至此，DNA结构的神秘面纱似乎已经揭晓。但在由学生尝试以不同碱基（嘌呤和嘧啶）进行配对时，除正确配对外，往往还会出现错误的配对方式（A和C，T和G）。教师要善于把握这些课堂生成的资源，及时评述，正确引导，以体现教师的教学智慧，提高课堂教学的有效性。具体做法可以如下：让配对正确的3组及配对错误的1组答案由学生简写于黑板之上，并提问：如果以碱基配对方式的不同进行分类，4组DNA片段可分成几类？学生回答2类。教师表述：任何游戏往往都只有一种规则，孰对孰错？不要妄下结论，要用事实说话，引出1951年查哥夫应用紫外分光光度法结合纸层析等技术统计的不同生物细胞中的4种碱基的数量比（表略），由学生总结规律：A =T，G=C，并据此否定错误的一组配对方式。结合本校学生特点及教学实际，可以适当解释原因——表面上看A与C，T与G配对，满足了空间距离的恒定，但却违背了化学规律：4种碱基的结构决定了A只能与T配对形成2个氢键，G与C配对形成3个氢键（并且配对的碱基只有一正一反，才能获得形成氢键的空间角度，为后面DNA的反向平行作好铺垫），只有这样，才能严丝合缝，使DNA具有稳定的结构。
此外，由学生书写在黑板上的3个正确的DNA片段还有另一重要的教学价值，即DNA多样性和特异性的学习。随机3个仅由6个碱基对构成的DNA片段，就有3种不同的排序，若是成千上万的碱基对构成的DNA呢？通过简单计算，学生对DNA具有多样性会有深刻的理解。同时告知学生也正是由于DNA的多样性，才决定了蛋白质的多样性，才演绎出了丰富多彩的生命世界。
将DNA结构探索历程的主要事件整理成下表，试问：沃森和克里克当时并不是DNA分子结构研究领域中最优秀的科学家，结合表中信息，你认为沃森和克里克最终取得成功的原因是什么？以头脑风暴形式，由学生畅所欲言，教师总结：对问题的兴趣是科学探索的动力；多学科的知识背景是科学探索的基础；科学的思维方法是科学探索的关键；善于利用前人的成果是科学探索的捷径；锲而不舍的精神，以及与他人合作的品质是科学探索的保障。教育学生领悟科学探索中科学家所表现出的值得我们学习的科学素养。
3.自主式学习，总结DNA分子结构的主要特点
结合模型构建，以发现式学习的方式回顾了这段科学史，大体了解了DNA的结构。再由学生阅读教材相关内容，理清思路，总结DNA分子结构的主要特点，注意关键词的把握。在培养学生自主学习能力的同时，教师要对学生不易理解的部分内容进行解惑，促进学生的有效学习。如“反向”问题，基于核苷酸链方向性的解释——3′端和5′端的定义；又如“双螺旋”问题，要让学生将由此联系到结构上的稳定性问题——双链就比单链稳定了，更何况还是螺旋结构，岂不是更加稳定！教师也可类比解释：平面结构似油条，螺旋结构似麻花，正所谓“油条易解，麻花难分”啊！再如“碱基对”问题，这是本节教学的重点，也是DNA多样性、特异性、忠实复制等问题的关键所在。让学生回顾课上导入环节的三则文字资料，相信学到这里，大家对其中的道理不言自明。从而在教学上做到前后呼应，内容统一，结构完整。
4.体验式活动，构建DNA分子结构的物理模型
DNA是微观的、复杂的、肉眼不可见的，但我们通过上述学习，了解了DNA的结构，这主要是受益于模型构建的方法。那么，什么是模型？顺理成章地给出模型和物理模型的定义。事实上，在模块一中，学生已经接触学习了诸如细胞的结构模型、生物膜的流动镶嵌模型等等，这为本节教学的学习打下了坚实的基础。考虑到课时的完整性和材料的限制性，“构建模型”这一教学环节可以由学生在课下完成。为了学生能够顺利达到这一教学目标，教师应给予必要的指导：一是材料的选择，要做到“物美价廉”。先说物美，任何实验都有不同的材料，材料是为目的服务的，好的材料将会事半功倍，因此就要考虑选择什么材料适合充当磷酸、碱基、脱氧核糖；再说价廉，尽量选择身边的废旧材料，做到既省钱，又环保。二是制作的过程，要做到科学性、简易性、美观性于一体。其中最重要的是结构上的科学性，违背了科学性就失去了制作的意义。对此，教师可以追加几个问题：如此微观复杂的DNA分子岂是教材中短短的3句话就能全面描述的呢！还有哪些细节不为我们所知呢？例如：①旋的方向问题：是左手螺旋还是右手螺旋，还是二者皆有之？（右手为主）②旋的程度问题：每螺旋一圈应包含多少个碱基对？（B-DNA为10对碱基/周）③空间角度问题：糖平面、碱基平面与螺旋轴的空间位置关系如何？平行还是垂直？学生通过查阅相关资料解决上述问题，以呈现真实的DNA双螺旋结构，进而体现课堂教学的延展性。
5.巩固提高，铺垫下文设计如下2道习题
（1）已知一个DNA分子中有4000个碱基对，其中胞嘧啶有2200个，这个DNA分子中应该含有的脱氧核苷酸的数目和腺嘌呤的数目分别是（）。
A.4000个和900个 B.4000个和1800个
C.8000个和1800个D.8000个和3600个
（2）如果某段DNA分子由3000对脱氧核苷酸组成，其DNA分子的排列顺序有（）种？
学生以手势作答（不同手势分别代表ABCD），体现全员参与，教师亦可一目了然，做有针对性讲解，提高课堂教学效率。第1题旨在巩固碱基互补配对原则，并学会灵活运用（答案为C）；第2题通过干扰选项B，既是要让学生明确碱基配对原则是DNA精确复制的关键，又是在制造悬念，承上启下，抛出下节研究课题——DNA分子的复制。
四、教学反思
反思教育现实，我们的课堂缺什么？不缺知识的呈现，而缺少知识呈现的载体；不缺专一的智能训练，而缺少多元智能在学生身上的展现；不缺情感、态度与价值观的呼唤，而缺少学生在真实情景中的体验。
有关DNA结构的发现史，内容是极其丰富的，不单单是教育学生的难得素材，也是教师从中受益的好材料。当然在短暂的课堂上，完整还原科学发现的过程是不现实的，所以就要去繁就简，扫清学习障碍，创设学生可及的学习情景：从鲍林的分子模型法，解决DNA由几条链组成的问题，确定双链结构；从富兰克林的DNA衍射图谱，解决糖和磷酸骨架是在分子外部的问题，确定碱基的位置；从格里菲斯的计算和查哥夫的实验数据，解决碱基以何种方式相互作用的问题，确定碱基间的关系，以精选的科学史为载体，实现知识的呈现。通过小组合作，动手操作，思考讨论，习题巩固，课外活动等方式实现多元智能的训练。通过学生亲自动手搭建模型，再现科学探索的思维轨迹，不夸大其辞，不矫作煽情，让学生在“真实的情景”中潜移默化地体验情感教育。