生态课堂背景下质疑和释疑

2017-08-23 02:53张小明
中学生物学 2017年7期
关键词:生态课堂

张小明

摘 要 课堂是师生共同生长的平台,关注课堂生态,让学生的学习在生态课堂中自然发生,从兴趣出发,在探索中提升,这个过程既需要教师的引领,也为教师的课堂设计提供更多空间。

关键词 生态课堂 建构DNA结构 模型修正

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

生态平衡与和谐是当今社会热议主题之一。而教育也应顺着自然——也就是顺学生天性而为。生态课堂就是基于这样的理念,倡导让学生在自由发展的空间中热情洋溢地学习,让学生在自主的思考中发挥创新的品质。“DNA的结构”一节课可设计为物理模型的建构课,在学习过程中,教师贯穿沃森和克里克研究的科学史,引导学生尝试着去建构DNA的结构。学生在想象中创新,在质疑中接近DNA结构的“庐山真面目”,并总结出基于结构的规律。

1 教学目标

(1) 概述DNA分子结构的主要特点。

(2) 制作DNA分子双螺旋结构模型。

(3) 在模型建构中分享思维方法。

2 教学重点和难点

2.1 教学重点

(1) DNA分子结构的主要特点。

(2) 制作DNA分子双螺旋结构模型。

2.2 教学难点

DNA分子结构的主要特点。

3 教学方法

科学史学习和模型建构。

4 材料准备

准备表1中的材料:代表脱氧核糖、磷酸、碱基的磁贴各一个,其中嘌呤(双环)、嘧啶(单环)各一个,代表化学键的磁贴若干,脱氧核苷酸若干,连接好的脱氧核苷酸链2或3个。学生分组用具:脱氧核苷酸纸片模型,每组3个,作为化学键的贴纸若干。

5 教学过程

师:科学家通过一系列的实验证明了DNA是主要的遗传物质。遗传物质应该具有稳定的结构,存储大量遗传信息的功能。这些功能的发挥应该和它的结构相关。今天我们就来通过科学家的历程,学习DNA的结构。

5.1 学生开始活动1:掌握DNA的基本组成单位脱氧核苷酸的结构

师:DNA的基本组成单位是脱氧核苷酸。请利用黑板上贴出表示脱氧核糖、碱基和磷酸的磁贴。摆一摆脱氧核苷酸的结构。

教师指导学生活动:请同学从工具包中取出脱氧核苷酸纸片模型。每个人随机选取一个脱氧核苷酸,用铅笔标明五个碳原子的位置,并且命名随机选取的碱基(单环碱基代表嘧啶,命名为C或者T,双环碱基代表嘌呤,命名为A或者G)。

教师巡视、指导学生正确操作,并请两位学生代表展示并命名所拿的脱氧核苷酸。

5.2 学生开展活动2:构建脱氧核苷酸链

教师设疑:现在我们手上拿的是脱氧核苷酸的模型,它是构成DNA分子的基本组成单位。这些小的单位怎样连接形成链状的大分子DNA呢?

教师提出类比资料:碱基对于脱氧核苷酸相当于R基对于氨基酸。氨基酸脱水形成多肽的连接方式告诉我们:小分子之间通过单调且重复的方式连接形成长链。那么这对于脱氧核苷酸形成长链有何启发呢?请两人一组,利用脱氧核苷酸的纸片模型去试一试,脱氧核苷酸小分子怎样连接,可以形成长链。

教师任凭学生用脱氧核苷酸模型进行拼接,此活动目的并非是学生能够立即拼对,而在于学生通过自己的思考,能利用单调的脱氧核苷酸分子进行反复尝试。

教师给出科学事实:每一个核苷酸的糖基团(3号碳)以化学方式与另一个核苷酸的磷酸连接在一起,形成糖——磷酸骨架,这个骨架决定了DNA分子的长度。

学生尝试将多个脱氧核苷酸连接成长链。

教师请学生用磁贴在黑板上展示拼接的模型,检验是否满足“每一个核苷酸的糖基团(3号碳)以化学方式与另一个核苷酸的磷酸连接在一起”。并要求每个小组修正有三个脱氧核苷酸长度的单条链模型。

5.3 学生开展活动3:构建脱氧核苷酸双链的连接方式

教师设疑:我们得到的模型是一条脱氧核苷酸链的片段。DNA分子是一条链吗?当时的科学家通过DNA分子的衍射照片,发现DNA分子不是一条链,沃森和克里克曾经尝试了三条链的搭建,发现和实际DNA的衍射照片有出入。此时,两位年轻好学的科学家去拜访了威尔基斯,从威尔金斯那里获知科学史实:从DNA晶体结构的资料来看,X射线无法排除双股模型的可能性,DNA结构的螺旋具有周期性,DNA是长链的多聚体,直径恒定不变。从资料中可以看出,DNA更有可能是2条链的结构。

学生尝试连接2条脱氧核苷酸链。

教师布置任务:请尝试在桌上用模型摆一摆两条脱氧核苷酸链的空间链接方式。

学生首先构建了一条脱氧核苷酸链,然后尝试摆出自己觉得合适的DNA双链平面图。

教师观察学生的拼接方式,可能有碱基对碱基的,有磷酸对磷酸的,也有碱基对磷酸的。教师分别选出代表小组将拼接作品展示在黑板上。

教师提供科学事实:碱基是疏水性的,而磷酸是亲水性的。

学生思考:哪种拼接方式更能满足碱基疏水、磷酸亲水的特点?尝试修正脱氧核苷酸链连接的模型,留下碱基对碱基的平面图。

教师提供科学资料:英国化学家富兰克林在1952年就认为,糖-磷酸骨架位于外侧。并要求每个学习小组修正模型。

教师提出问题:从模型可以直观看出,两条链之间的堿基距离不一致。有的正好连接在一起,有的碱基之间有点空隙。怎样解决“直径恒定不变”这个问题呢?

教师展示碱基和嘌呤一一对应的DNA平面图,包括嘌呤、嘌呤配对的以及嘧啶、嘧啶配对的图,让学生进行观察比较。学生讨论后,教师引导学生得出只有嘌呤和嘧啶配对才能保证DNA的直径恒定不变。

教师给出阅读材料(表1)——DNA样本中每种碱基的百分数。

教师提供科学事实:1951年,查哥夫研究DNA的碱基组成时,曾得出结论DNA中,A=T,C=G。所以在DNA分子中,更有可能是A和T、C和G配对。修正模型中DNA的碱基配对的结构,得到DNA的平面模型,2条链反向,非常规则的平面结构,双链直径保持不变。要求学生利用磁贴在黑板上修正DNA的平面模型。

5.4 学生开展活动4:尝试建构DNA的塑料模型,总结DNA的结构特点,了解DNA分子储存遗传信息的方式

学生每四人组成1个小组,合作拼接DNA模型,从拼接的模型中尝试理解DNA的结构。教师巡视、发现学生拼接过程中的普遍问题,待模型拼接成功后讨论。

模型拼接成功后,借助模型,每小组通过比较得出DNA分子的结构特点:① 两条链反向平行;② 外侧是磷酸——脱氧核糖交替连接,构成基本骨架,以保证DNA分子结构具有一定的稳定性;③ 内侧通过碱基互补配对形成氢键进行连接。

教师借助学生手中的模型,用10个碱基对长度的DNA分子右旋一个周期形成螺旋结构。每组学生手中的DNA分子具有统一的双螺旋结构,不一样的部分是内侧的碱基对,教师请4个小组把自己拼接的DNA碱基对写在黑板上。

教师提问:写出来的碱基对是随机的,几乎没有相同的。这样的拼接方式有多少种呢?学生讨论得出得出有4n种拼接方式的重要结论(n表示碱基的对数)。

师:DNA碱基对的排列顺序蕴藏了生物的遗传信息,而DNA分子碱基的对数成千上万,所以排列顺序也很多,从而得出DNA分子具有特异性和多样性的结论。

6 课后反思

本节课建构了DNA分子物理模型,和以往的模型拼接相比,本节课更注重学生自主地逐步探索和发现过程。在生态学习中,学生了解DNA模型的发现史,结合科学事实用发展性思维进行了模型修正,在自我实践中顺其自然地拼接出DNA的结构模型,并结合模型掌握了DNA的结构特点。学生在研究中学习,在学习中发现问题,继续研究。

(1) 本节课设计了适合学生思维的模型。传统教学中,教师一般会使用DNA塑料模型。DNA塑料模型可以方便学生快速地拼出DNA模型,但是模型本身的缺陷让学生的探索过程变成了简单的搭建,不利于思维的延展。本节课所使用的纸片能进行拼接设计,可提升学生的思维能力。由简到难,逐步认知,让学生从认识脱氧核苷酸入手,到连接形成脱氧核苷酸链,进而研究双链的连接方式,最后得出碱基的科学配对。操作实践中,学生发现问题,在科学史料的启发下解决问题,并逐步加深思维,向着DNA双螺旋的结构迈进。简单的纸片模型成了学生思维延展的载体,DNA的结构一点点鲜活地呈现出来。

(2) 让学生的活动成为发现的源泉。结合科学事实,学生动手钻研了DNA的结构以后,纸质模型已经不能满足学生对DNA立体模型的把握,此时,教师换用塑料立体模型,一方面,利于学生巩固所学的关于DNA模型建构的新知识;另一方面,学生对照自己拼接出来的立体模型,能够得出DNA的结构特点。首先,每个小组拼接出的DNA都是反向平行的双链结构。外侧都是脱氧核糖和磷酸交替连接形成的基本骨架,内侧都是通过氢键相连形成的碱基对,所以DNA具有稳定性。其次,每组学生对照手中的模型,看一看、写一写碱基的排列序列,通过比较发现碱基的配对方式相同,而碱基对的排列顺序不同,从而得出DNA分子的特异性和多样性。最后,教师引导学生将每小组的DNA片段进行拼接,形成长链,通过10个碱基对为1个周期的螺旋,让学生对DNA的空间结构有更多的直观认识。学生在活动中“水到渠成”地发现DNA结构特点。学生对结构的探索过程也成为学生得出DNA结构特点的建构过程。

(3) 学生在观察中学会优化自我学习。本节课需要学生自己用脑动手,但是由于学生实践能力的不同,搭建的模型美观程度甚至科学性具有差异。在第一次交流之后,学生能借助好的模型修正自己模型,这也体现了学生在课堂中的生态生长过程。例如,活动2结束后,如果学生不修正自己的脱氧核苷酸单链的模型,就无法发现活动3中堿基配对的奥秘。

生态课堂是师生共同生长的平台,师生的思维在循环的碰撞中螺旋上升。学生带得走的是思维方法,而不是沉重的书包。在对DNA结构探索的过程中,不断的“破”和“立”,也让学生思维到达了可延展的空间,学生在生物课堂中才有蓬勃的生命力和无限的创造力。

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