许豇羽

摘 要：基于生命科学史，建构DNA双螺旋结构模型，多维立体地培养学生的生物学核心素养。

关键词：DNA分子的结构 建构模型 生命科学史 核心素养

1 教材分析和教学设计理念

“DNA分子的结构”是人教版生物必修二第三章第二节的内容。在学习本节内容以前，学生已通过“经典遗传实验”知道了DNA是生物体主要的遗传物质，然而DNA为什么能够储存遗传信息，学生并不理解，本节正是基于“结构与功能相适应”的生命观念，通过“模型与建模”的科学思维来解决这一问题。基于此，本节教学目标定位如下：根据DNA双螺旋结构模型建构的生命科学史，建构DNA物理模型，归纳DNA分子的空间结构特点;比较模型，分析DNA是如何储存遗传信息的，归纳DNA分子特性;融汇情境，多维立体地培养生物学核心素养。

2 教学过程

2.1 情境激趣 引入新知

播放“英雄回家！”视频：通过DNA检测比对，6位志愿军烈士确定身份和亲缘关系，实现“认亲”。引入问题：为什么检测比对DNA能确定亲缘关系？DNA是如何实现储存遗传信息这一功能的？你准备从什么角度研究以上问题，说出你的看法。

因为学生必修一通过蛋白质等分子的学习具备了“结构决定功能”的生命观念，很快想到要从“DNA分子的结构”入手解决“DNA如何实现存储遗传信息这一功能”的问题。教师展示“甲烷模型”、“氨基酸模型”引出科学上经常通过搭建模型来解析分子的结构，今天我们就顺着科学家的足迹来一起搭建DNA分子结构模型。

2.2 “画点”—建构DNA基本单位模型

教师设问：当时科学界对DNA 的认识是DNA是生物大分子，是由一个个基本单位构成的长链，这个基本单位是什么？学生能说出脱氧核苷酸。教师请每个小组打开桌上的教具盒，取出塑料教具，分析圆球、五边形、长方形、短棒分别代表什么，它们是如何构成脱氧核苷酸的。并请小组同学动手操作，每人构建2个脱氧核苷酸模型，相互比较说出其不同。

学生基于必修一知识能说出圆球、五边形和长方形、短棒分别代表磷酸、脱氧核糖、碱基和化学键。利用以上元件构建好脱氧核苷酸模型，组内对比能说出脱氧核苷酸的不同在于碱基种类的不同。

2.3 “连线”—构建一条DNA链

教师展示当时科学界对DNA的认识—每一个核苷酸的糖基团以化学方式与另一个核苷酸的磷酸连在一起，形成糖—磷酸骨架[1]。教师展示“3′，5′-磷酸二酯键”连接方式，请小组同学合作构建两条含4个脱氧核苷酸的DNA链。

学生小组合作，用短棒代表化学键将核苷酸相连，组成两条含4个脱氧核苷酸的DNA链。

2.4 “成面”—构建DNA双链

2.4.1 DNA链条数的探究

教师呈示富兰克林的DNA X射线衍射图谱[2]，科学家分析图谱显示：DNA结构的螺旋周期性;分子直径保持不变（2 nm）。沃森和克里克由此将DNA锁定在双螺旋或三螺旋，但威尔金斯指出，3条链的DNA模型推算出的含水量只是实际测得的1/10。教师设问：根据以上资料，分析DNA由几条链组成，空间结构是怎样的。

学生讨论得出：DNA由2条链组成，空间结构为双链螺旋。

2.4.2 两条链间相连方式的探究

教師请小组同学将DNA两条链拼接在一起，学生构建出：“碱基内侧，糖—磷酸骨架外侧”和“碱基外侧，糖—磷酸骨架内侧”两种模型。教师出示资料：碱基疏水，脱氧核糖和磷酸亲水。请学生结合DNA所处的环境思考两条链如何相连。

学生有了“磷酸头部亲水，尾部疏水”构建细胞膜模型的经验，结合DNA处在水中这一环境，能够说出第二种模型不符合化学规律，从而建构出“碱基内侧，糖—磷酸骨架外侧”的DNA模型。

2.4.3 碱基配对方式的探究

教师ppt展示四种碱基结构式，学生比对手中模型发现嘧啶碱基由于双环，比单环的嘌呤碱基更长。教师呈示问题：尝试拼接模型，思考碱基如何配对能保证分子直径恒定不变（2 nm）？

学生拼接模型得出只有嘌呤碱基和嘧啶碱基配对，才能保证直径不变，但具体哪种嘌呤配对哪种嘧啶碱基小组各不相同。教师呈示查哥夫“几种生物DNA分子碱基量的分析表”，学生发现规律：A总是接近于T，C总是接近于G，得出结论“A—T，C—G”配对。小组同学构建出“A—T，C—G”配对的DNA双链模型。

2.5 “转体”—构建DNA双螺旋空间结构模型

教师引导一个大组的同学将各小组的DNA双链拼接成一个更大的DNA片段，尝试螺旋，建构DNA空间结构模型。学生对比发现三大组的三个DNA片段有的“左旋”，有的“右旋”。教师展示中关村DNA雕塑图片，请同学对比模型的不同。

学生观察得出DNA右旋，修正模型为“DNA右旋”，全班构建起3个DNA双螺旋结构模型。

2.6 归纳概括，情境升华

教师让全班对比三个DNA模型，分析异同点。学生观察得出：①DNA空间结构相同：两条链盘旋成双螺旋结构，外侧脱氧核糖和磷酸构成基本骨架，内侧碱基对，碱基互补配对方式相同（稳定性）;②不同之处在于碱基排列方式不同（多样性）。

教师引导学生回归情境：为什么检测比对DNA能确定烈士和子女的亲缘关系？DNA是如何储存遗传信息的？学生得出：每个人的碱基排序都是特定的（特异性），遗传信息就储存在四种碱基的排列顺序中。

3 教学反思

本节课融汇科学史，通过模型建构培养了学生“模型与建模”的科学思维，树立了“基于结构研究功能”的生命观念，应用所学解决现实问题，升华了学生的社会责任。

参考文献：

[1] 王永胜.生物学核心概念的发展[M].北京：人民教育出版社，2011：88-93.

[2] 张建.DNA双螺旋结构发现者——莫里斯·威尔金斯[J].生物学通报，2017，52（12）：56-58.