运用模型构建法进行“DNA分子的结构”一节的教学

李晨　李高峰

摘 要 本文以“DNA分子的结构”一节为例，采用模型建构的方法进行教学，结合生命科学史，展示DNA双螺旋结构特点，学生自主构建DNA双螺旋模型，教师分析学生构建模型中遇到的问题，归纳总结DNA双螺旋结构中基本骨架、碱基等方面存在的规律，在此基础上画概念图，建构完整的知识体系。

关键词 模型构建 高中生物 科学史 概念图

中图分类号：G633 文献标识码：A

1教材分析与设计思路

《普通高中——生物学课程标准》要求学生在学习本节课的内容后可以概述DNA分子是由四种脱氧核苷酸构成，通常由两条碱基互补配对的反向平行长链形成双螺旋结构，碱基的排列顺序编码了遗传信息。“DNA分子的结构”是人教版必修2第三章第二节的内容，主要结合生命科学史呈现DNA双螺旋结构模型的构建过程，学生自主拼装DNA双螺旋模型，通过模型构建发现DNA双螺旋结构的主要特点，其难点在于灵活运用碱基互补配对原则总结碱基内部数目的规律。

学生在“分子与细胞”中已经知道DNA组成元素以及组成单位，但对其空间结构的认知是片面且模糊的，只关注了结构的整体却忽略了单一结构之间的联系。DNA 分子双螺旋结构物理模型的构建是从 DNA 的基本结构脱氧核苷酸开始的，由脱氧核苷酸的拼装到 DNA 单链，又由 DNA 单链到 DNA 双链，一步一步逐渐使结构完善，在构建的过程中也逐步使学生认识到自己对 DNA 双螺旋结构认识的错误，与头脑中原有的认知发生冲突，这样认知上的碰撞可以帮助学生更深刻的记忆。学生在“遗传与进化”前几章的学习中对脱氧核苷酸、基因、染色体、DNA、遗传因子等一些抽象化的概念往往会混淆，此时需要教师帮助学生理清概念，建立概念之间的联系，同时将这些知识内化，由惰性知识转化为活性知识。为下一节学习DNA分子的复制打下良好的基础。

2教学目标

依据《普通高中——生物学课程标准》并围绕核心素养的要求制定了如下教学目标：

（1）学生通过教材中资料的分析理解DNA双螺旋结构模型的构建历程，就科学家探索基因的本质的过程与方法进行分析和讨论、领悟假说—演绎法在科学研究中的应用，体会科学家善于批判质疑、勇于探究的精神。

（2）学生通过分析DNA双螺旋结构的主要特点，明确DNA分子中脱氧核糖和磷酸交替排列构成了基本骨架，且DNA双链之间的连接遵循碱基互补配对原则，以此进行问题探究，分析DNA双链和单链中胸腺数、嘧啶数的规律，通过构建DNA分子模型检验猜想正确与否，培养学生乐学善学、勤于反思的学习态度。

（3）学生在教师的引导下绘制出遗传因子、基因、染色体、DNA等重要概念的概念图（如图1）。

3教学过程

3.1创设情境—分析生命科学史，导入主题

课件展示，分析资料：图片展示坐落于北京中关村高新科技园区的DNA雕塑、2003年英国发行的DNA双螺旋结构纪念币、2004年雅典奥运会开幕投射的DNA双螺旋模型，这都显示出世界各地的人们对于这一首“生命乐章”的关注，不过其探究的过程并不是一帆风顺的，按照时间顺序将学生带回1951年威尔金斯和富兰克林首先发现的DNA衍射图谱，这也正得益于当时X射线技术的发展，让学生感悟到生物科学的进步离不开科学技术的发展，这张衍射图谱同样引起了物理学家克里克的关注，他可以帮助沃森理解晶体学的原理，以此推断DNA分子呈双螺旋结构。深究其内部机制，4种脱氧核苷酸又是如何连接？其内部有什么奥秘？1952年春天，著名化学家查戈夫提供了重要的信息，DNA分子中嘧啶数总是等于嘌呤数，于是沃森和克里克将碱基置于内部，让A与T配对，G与C配对，磷酸和五碳糖在外部交替排列构成DNA分子的基本骨架，学生据此明白学科之间的共通性，在学习的过程中应该融会贯通。最后，将DNA双螺旋模型向向学生展示，辨认双螺旋方向以及让学生猜测其各部分组成。

3.2物理模型—理解DNA分子双螺旋结构的特点

大多数学生对于DNA双螺旋结构的理解仅是一个模糊的“面”，教师需要将其内在的“点”指给学生，再让学生将这些抽象的“点”转化为立体结构，加深理解。首先教师指出DNA双螺旋结构特点可以归为三点：DNA分子呈双链且反向平行；脱氧核糖和碱基交替排列在外侧构成基本骨架，碱基排列在内测；碱基通过氢键相连，且遵循碱基互补配对原则，A-T、C-G配对，A与T之间由两个氢键连接，C与G之间由三个氢键相连。基于教材的内容学生可以自主完成DNA模型的拼装。

首先，教师给学生一些专用拼装DNA双螺旋模型的零件，学生自主拼装模型。为了形成良性的学习环境，先完成拼装的同学有小奖品，激发学生们拼装模型的兴趣，在学生完成拼装后，选择几位学生的DNA双螺旋模型进行点评、纠错。学生构建的DNA双螺旋错误主要有以下几点：

（1）螺旋方向为左手螺旋；

（2）双链两端一端都是磷酸基团，一端都是五碳糖，没有体现反向平行；

（3）没有注意到A-T与C-G之间氢键的不同。

教师在分析学生问题的基础上向学生展示，右手螺旋是指右手大拇指向上，其余四指握拳后环绕的方向就是DNA的螺旋方向，通过课件给学生展示DNA的平面结构图，DNA由脱氧核糖核苷酸脱水缩合而成，脱水缩合发生的部位是一个脱氧核苷酸的磷酸与下一个脱氧核苷酸的3号碳，通常将磷酸基团称为核苷酸链的5‘端，脱氧核糖3号碳所在方向称为核苷酸链的3端，所以核酸是有方向性的分子，DNA的两条链一条方向是5‘→3，另一条是3‘→5，故称为反向平行。DNA是遗传物质，其结构的稳定有利于在亲代与子代间传递，碱基之间通过氢键相连，氢键比较稳定，且双链之间只能是嘌呤和嘧啶配对，因为嘌呤是双环化合物，所占空间较大，嘧啶是单环化合物，所占空间较小，正因为如此，嘌呤与嘧啶配对体现互补原则，由于A、G、C、T之间最外层电子数不同，決定A-T之间通过两个氢键相连，C-G之间通过三个氢键相连。对于学生在拼装过程中出现的问题解释其原理并更正，让学生产生思维碰撞，提高学生兴趣，学生课堂学习中参与度更高。

学生更正自己的DNA双螺旋模型后，小组合作探究分析DNA分子结构碱基排列的规律，得出如下结论：

（1）DNA双链中，A的数目=T的数目，C的数目=G的数目，A+C/T+G等于1，单链中不成立。

（2）DNA双链中，1链和2链中A+T/C+G的值互为倒数。

（3）DNA双链中，脱氧核糖：碱基：磷酸基团=1：1：1。

（4）一个DNA双链分子，存在n个碱基对，则碱基排列方式有4n种，其排列顺序代表遗传信息。

学生在构建DNA双螺旋模型后，每个人的DNA双螺旋分子碱基序列虽然不同，但是都遵循间碱基互补配对原则，因此在合作探究后不难得出以上结论，学生不再感觉这些规律晦涩难懂，更有利于以后灵活运用。

3.3画概念图—厘清重要概念之间的联系

将概念图放在课堂教学的最后一个环节，可以帮助学生整合新旧知识，建构知识网络，在整体上把知识融会贯通。建构主义学习理论认为，要记住知识并懂得意义，新知识就应当与现有的知识结构整合，长期研究发现，学习过程中使用概念图的学生，一段时间以后，对知识的熟练程度远超过未使用概念图的学生。画概念图的学生解决学习中的问题时方式发法更灵活，因此在本节课堂学习最后，教师将容易与DNA混淆的遗传因子、脱氧核苷酸、基因、染色体等几个概念画成完整的概念图是非常有必要的。

4教学反思

《普通高中生物课程标准 》中对模型建构有如下要求：了解建立模型的科学方法，在此过程中培养学生的建模思维和建模能力。利用好的模型进行教学，提高学生课堂的整体参与度。本节课将抽象的DNA分子结构具体化，有利于学生理解其内部的规律，同时将学生经常混淆的遗传学概念绘成概念图，建立知识之间的联系，有助于学生记忆和掌握。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准[M].北京：人民教育出版社，2017：2.

[2] 樊英.物理模型构建在高一生物教学中的应用研究[D].西安：陕西师范大学，2014.

[3] 王文丽.运用概念图策略组织生物课堂教学实践初探[J].课程·教材·教法，2007（07）：42-44.