“DNA分子结构与特征”单元的教学设计_双螺旋论文

“DNA的分子结构和特点”单元教学设计，本文主要内容关键词为：分子结构论文,教学设计论文,单元论文,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。

      新课程标准在“遗传的分子基础”部分的具体内容标准中要求，通过教学活动学生应能够概述DNA分子结构的主要特点，并建议学生搜集、讨论和交流DNA分子结构模型建立过程的资料，参与制作DNA分子双螺旋结构模型等活动[1]。模型法是生物学研究方法之一，近年来，中学生物学教学也倍加重视模型构建与应用。DNA分子双螺旋结构的揭示正是得益于模型研究法，“制作DNA分子双螺旋结构模型”是必修2“遗传与进化”中的实验，实际教学中做此实验的频率不高，主要原因是教师感觉本实验对高中生而言过于简单，属模仿水平的操作性实验，价值不大[2]。

      然而“制作DNA分子双螺旋结构模型”的学习活动蕴含着丰富的教育价值，这些教育价值能否兑现则取决于模型构建活动的组织。为了探索课堂教学的有效性，笔者在本单元教学设计和实施过程中，尝试以模型构建与应用为主要教学模式，取得较好的教学效果。

      一、教材分析

      “DNA的分子结构和特点”单元课题内容包括：DNA的分子组成、DNA双螺旋结构模型的要点、制作DNA双螺旋结构模型3个部分。DNA是遗传信息的携带者，基因是DNA分子片段，本单元内容实际上是阐述基因的本质。基因概念及其作用原理是生物遗传的分子基础，也是基因工程的理论基础，因此，本单元内容成为“遗传的分子基础”部分的核心内容之一。

      此外，学生只有认识DNA的分子结构和特点，才能真正理解DNA作为遗传物质区别于其他物质的关键特征，从而为继续学习基因概念及其作用原理奠定必要的知识基础。

      教材中安排的“制作DNA双螺旋结构模型”活动，不仅有助于学生加深对DNA分子结构特点的理解和认识，而且促使学生在制作DNA结构类比模型的活动中，领悟模型构建的科学思维方式，习得模型构建的基本方法。

      二、学情分析

      学情分析主要是分析和判断学生已有的基础知识和基本技能，了解学生的认知、情感和行为倾向，为教师进行教学设计提供必要的信息。以往的学情分析，大多是凭借相关资料和教学经验，如初中课程标准要求学生能够说明DNA是主要的遗传物质，描述染色体、DNA和基因的关系，这些要求可能成为学情判断的唯一依据。为了对本届学生的知识基础、初始能力和学习态度作出可靠分析，选取3个平行班的优、中、学困生各5人（共45人），在课前借助QQ聊天工具进行师生交流，访谈问题及结果整理如表1。

      访谈获得的信息使教师震惊，深感平时以经验判断学情是主观片面的，不利于有的放矢地开展教学活动和打造有效课堂。学生的生物学基础知识水平偏低，其主要原因是什么？与我区教研员交流后找到了答案。原来，我区初中生物学的任课教师专业背景为非生物学专业者约占70%，专业知识水平制约着教学质量；再者生物学被列入非中考科目，不被领导、家长和学生重视。

      

      我校位于远郊区，学生入学成绩居于全区9所同类校第4名（除去4所一类校）。由于学生的初始学习能力偏低，入学时能跟上教学进程的约占1/3。高二重新开始学习生物学，学生有许多来自身心发育、生活体验和社会感受的生物学问题亟须解决。因此，学生的学习动机是积极的，学习兴趣是浓厚的。为了进一步调动大多数学生的学习内驱力，教师从激发学生探索生命奥秘的好奇心人手，如生活中哪些事情与DNA相关？怎样进行DNA亲子鉴定和DNA刑事鉴定？转基因技术与DNA是否有关等，这些好奇问题恰好成为本节课的最佳切入点。

      三、知识梳理

      依据教材分析和学情分析提供的信息，教师对本节内容进行再组织、再加工和再创造，并将梳理的知识内容以板书提纲形式概括如图1所示。图解表明经过梳理的单元知识以DNA分子结构层次为主线，沃森—克里克的DNA双螺旋结构模型的基本要点为学习重点。由于学生初次参与制作模型的学习活动，在动手操作过程中手忙脚乱，因此，制作单体和多聚体的操作技术成为学习难点。

      通过知识梳理不仅明确了教师“教什么知识”或学生“学什么知识”，为教学目标表述创造了条件，而且意识到引导学生制作和应用DNA双螺旋结构模型，是突破学习重点和化解学习难点的一个重要手段。引导学生运用习得的新知识，对DNA分子结构的稳定性、种类的多样性和物种的特异性作出科学解释，有利于学生领悟DNA分子双螺旋结构模型的提出在自然科学研究领域具有划时代的深远意义。

      

      四、目标表述

      （1）知识目标：说出DNA分子的结构层次，阐明DNA双螺旋结构模型的基本要点，对DNA分子结构的稳定性、种类的多样性和物种的特异性作出科学解释。

      （2）能力目标：利用教师提供的材料和信息，参与制作DNA分子双螺旋结构模型，习得模型构建的基本方法；利用模型的形象化和直观性，加深对DNA双螺旋结构模型基本要点的理解和认识。

      （3）情感态度价值观：体验“模型法”在生物学研究中的作用；认同科学的发展离不开科学家坚持不懈的努力，感悟科学研究中蕴含的科学思想和科学态度；领悟DNA分子双螺旋结构模型的重要价值。

      五、教学过程

      教学过程设计涉及编制教学程序、选择教学模式、教学组织及方法等，其核心是教学过程中师生互动方式及体现。本节课以模型构建与应用为主要教学模式，其教学程序的安排如图2所示：

      

      1.新闻信息，设疑导入

      从学情调查得知，学生对DNA用于亲子鉴定和刑侦鉴定很感兴趣，因此，在教学的起始，教师向学生介绍上海公安部门在国内创立的第1个“法庭科学DNA数据库”，仅在2013年利用该数据库侦破各类案件1500多起，其准确率为100%。DNA刑侦鉴定为何如此神奇？这个问题的谜底在于DNA分子的结构与功能。由此导入“DNA的分子结构和特点”的教学。

      2.史料交流，初识DNA

      课前布置小组作业，搜集有关DNA分子结构研究的资料，将其发现过程的重要人物和事件制成PPT课件，用于课堂上小组交流。让学生代表小组用讲故事的形式，介绍鲍林、威尔金斯、富兰克林、沃森和克里克等科学家在DNA研究历程上分别作出的重要贡献。发现史为学生习得DNA分子结构做好铺垫，有助于学生体验知识形成的过程，了解科学家在探索DNA分子结构过程中，应用的组分分析法、X射线—衍射法和模型构建法等科学方法，感悟科学家一丝不苟、实事求是的科学态度，善于合作、无私奉献、勇于创造的科学精神。

      3.制作模型，解析结构

      （1）组分分析，探索DNA化学组分

      德国生物化学家科赛尔首次采用水解法研究DNA的化学组分。教学时，借助投影呈示科赛尔的研究结果（图3），让学生识图说出：DNA的组成元素、基本组成物质和基本结构单位。由于学生曾经在“细胞的分子组成”一章中初步习得核酸的结构与功能，学生不难回忆起上述知识。但是，学生难以阐明磷酸、脱氧核糖和含氮碱基是怎样构成单体（单核苷酸）的，因而在制作DNA分子结构模型时，学生对3种基本组成物质之间的连接关系感到茫然。

      

      为了化解上述难点，教学时先用电子白板呈现脱氧核苷酸分子式，利用电子白板课件标注5个碳原子的位置并编号。

      然后，结合图4依次阐明磷酸基团与脱氧核糖之间，以及脱氧核糖与含氮碱基的连接位置。最后，让学生依据含氮碱基的种类与名称的不同，分别表述4种脱氧核苷酸的名称，从而为制作DNA双螺旋结构模型打下必要的知识基础。

      

      （2）模型构建，初识DNA双螺旋结构模型

      本节课引导学生制作DNA分子的结构模型有双层意义：一是促使学生理解DNA分子结构层次的复杂性，包括基本元素、基本组成物质、基本结构单位、化学结构和空间结构，二是为解析DNA双螺旋结构模型（学说）要点，以及对DNA的稳定性、多样性和特异性的科学解释提供一定的感性材料。在实施过程中，将学生的操作活动依次分为：点、线、面、体4个基本步骤。

      第1步是每组的2名学生参照脱氧核苷酸的结构式，利用实验台上3种不同形状的纸片各15个（图5），将构建的4种脱氧核苷酸粘贴在一张白纸上，用铅笔画出化学键，并写出中文名称。

      

      学生活动时，教师巡视并随时展示学生活动的进度及成品，与此同时，针对发现的问题及时向学生提出质疑，如若用一种长方形纸片代表含氮碱基，怎样构建4种脱氧核苷酸？磷酸和含氮碱基分别与脱氧核糖的哪个位置相连接？怎样表示磷酸基团与脱氧核糖之间的化学键？记住4种脱氧核苷酸的中文名称等。最后，再借助投影展示和交流学生制作的4种脱氧核苷酸模型，如图6。

      

      第2步是由点连线，引导学生构建脱氧核苷酸单链。学生知道DNA是分子的一级结构，是由单体构成的多聚体，即由4种脱氧核苷酸聚合形成的多核苷酸长链。但是学生不知道单核苷酸之间的连接方式，也就无法制作DNA分子一级结构模型。

      教学时，先向学生介绍富兰克林的研究成果：1951年她受到鲍林研究蛋白质结构的启发，通过数据分析得知相邻单核苷酸之间的聚合方式，即一个脱氧核苷酸的磷酸基团，能与另一个脱氧核苷酸的脱氧核糖上的3号碳原子相连接。然后，启发学生根据上述资料提供的信息，参照大屏幕上显示的2个相邻脱氧核苷酸的排列状况，在相应位置上用短线连接，进而向学生阐明磷酸二酯键的概念内涵。最后，督促小组成员合作构建由6个脱氧核苷酸聚合而成的核苷酸单链，并粘贴在一张白纸上。

      

      

      第3步是由线到面，引导学生构建DNA双链的平面模型。早在1952年，威尔金斯和富兰克林依据DNA的X射线—衍射照片，推断DNA分子是螺旋体，该螺旋体既不是单链结构，也不是三螺旋结构。1953年，沃森—克里克合作推断DNA分子的空间构象呈双螺旋结构。

      学生活动的安排顺序是：让前、后座位的2组学生合并为一组，将他们粘贴的2条多核苷酸单链，并列摆放在同一张白纸上，2条DNA单链呈平行状。教师巡视中发现学生摆放的2条单链有3种平行方式（图9），究竟哪种平行排列方式符合客观事实，或者说符合沃森—克里克推断的DNA分子双链的平行关系？让学生识别教材中呈示的DNA分子平面结构图，初次识图引导学生明确3个问题：一是确认DNA双链平行排列的方式，二是判断2条链呈反向平行关系，三是明确由磷酸—脱氧核糖交互排列而成的主链排列在外侧，含氮碱基则位于内侧，从而为进一步探索DNA双螺旋结构做好铺垫，也为学生继续制作DNA分子结构模型扫清障碍。

      学生在继续制作模型的过程中会提出疑问，2条DNA长链上且排列在内侧的含氮碱基之间存在着怎样的关系？这涉及碱基对的构成方式。教学时，先向学生介绍著名生物化学家查戈夫研究DNA化学组分获得的实验数据，以及多纳休研究含氮碱基之间通过氢键连接的方式（表2、图10）。

      

      

      学生一旦明确DNA分子结构中4种含氮碱基的数量关系为A=T、C≡G，以及A、T之间通过2个氢键相连，C、G之间通过3个氢键相连，就能迅速写出2条主链上对应碱基的符号，并画出对应碱基之间的氢键数目，从而完成碱基互补配对的建模步骤（图11）。

      

      

      第4步是由面到体，引导学生归纳DNA双螺旋结构模型的要点。沃森和克里克提出的DNA分子双螺旋结构模型，既是物理模型又是数学模型。前者指主链和碱基对的构成方式、排列位置，以及双螺旋空间构象的形成（右旋）；后者指双螺旋的直径和螺距，每个螺距的碱基对数，相邻碱基对平面之间的垂直距离和交角等。不同版本的教材中对DNA空间构象的表述，多为2条反向平行的脱氧核苷酸链“规则地盘绕成双螺旋结构”。这里的“规则”，既包含物理模型要素，也包含数学模型要素。教学时，教师首先呈示实验室购置的DNA双螺旋结构类比模型，使学生对其形成初步的宏观认识，进而让学生尝试将粘贴的DNA平面结构模型，继续制作成立体结构模型是难以实现的。为了进一步探索DNA双螺旋结构的特点，组织学生阅读有关课文，边识图12、边思考教材中“规则地盘绕成双螺旋结构”的命题，应作出怎样的解释？最后，师生共同以表格形式概括DNA双螺旋结构（物理）模型的基本要点如表3：

      

      4.模型分析，理解特性

      结构是功能的基础，功能是结构的运动形式。学生初识DNA分子结构以后，应鼓励他们运用DNA双螺旋结构模型的要点，对其稳定性、多样性和特异性作出尝试性解释。

      作为遗传物质，DNA分子结构必须相对稳定。教学时，引导学生先从主链构成方式、排列位置及其动态特征入手，理解DNA主链的牢固性对其结构稳定具有重要作用。然后，利用学生已有的化学知识，说明碱基对之间的大量氢键维系着DNA的空间构象，碱基对平面之间的范德华力对空间构象具有加固作用。分子结构的稳定性为遗传信息的编码、贮存和复制提供保证。学生知道蛋白质分子多样性和特异性的原因，教学时引导学生以蛋白质为参照，用概念同化方式尝试解释DNA的多样性和特异性，取得较好的教学效果。最后，用典型例证帮助学生加深理解DNA多样性和特异性的原因，即物种之间的碱基比率（A+T/G+C）具有特异性，同种生物个体之间的同源DNA分子的碱基序列具有多样性。

      

      以上是笔者对“DNA的分子结构和特点”单元教学的设计与实施的写真，通过实践对生物科学史的教育功能有了深层次的认识，对模型构建与应用对生物学教学的有效性有了新体验。

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