摘要

闡述了教師如何成功地將沃森、克里克建立DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的研究過(guò)程轉(zhuǎn)化為學(xué)生邊分析資料邊構(gòu)建模型的學(xué)習(xí)過(guò)程。

關(guān)鍵詞 DNA結(jié)構(gòu) 構(gòu)建模型 教學(xué)案例

中圖分類(lèi)號(hào) G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B

1背景

為推進(jìn)并深化高中生物的教學(xué)改革，北京區(qū)教研中心在平谷四中舉辦了“新課程背景下的引導(dǎo)探究式教學(xué)研究”現(xiàn)場(chǎng)會(huì)。教學(xué)內(nèi)容為人教版必修模塊二第三章的第二節(jié)。

2主題

探討在新課程背景下的課堂教學(xué)如何加強(qiáng)教師在探究教學(xué)中的引導(dǎo)，促使學(xué)生進(jìn)行有效的探究式學(xué)習(xí)活動(dòng)。

3教學(xué)方式

任務(wù)驅(qū)動(dòng)式、引導(dǎo)探究式。

4教與學(xué)過(guò)程

4.1教學(xué)環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情景，引入課題

師：通過(guò)上節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)知道DNA是生物的遺傳物質(zhì)，而且它能夠自我復(fù)制、控制生物性狀。結(jié)構(gòu)與功能是相適應(yīng)的，那么DNA具有什么樣的結(jié)構(gòu)呢?從20世紀(jì)40年代到50年代初，幾個(gè)美國(guó)和歐洲的研究小組既協(xié)作又競(jìng)爭(zhēng)地對(duì)比進(jìn)行了研究。今天我們將重溫當(dāng)年科學(xué)家建立DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型這一段艱難與充滿智慧的過(guò)程。(此環(huán)節(jié)意在激發(fā)學(xué)生探究的欲望)

4.2教學(xué)環(huán)節(jié)二：引導(dǎo)探究DNA模型建立過(guò)程，并嘗試構(gòu)建模型

此環(huán)節(jié)是引導(dǎo)學(xué)生模仿科學(xué)家探究建立DNA結(jié)構(gòu)模型的過(guò)程，感悟DNA分子結(jié)構(gòu)構(gòu)建過(guò)程中的科學(xué)探索精神和思維方法，鼓勵(lì)學(xué)生大膽想象，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力，同時(shí)通過(guò)合作探究，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作精神。

教師展示資料1：在沃森和克里克研究之前，科學(xué)界對(duì)DNA的認(rèn)識(shí)：DNA分子是以4種脫氧核苷酸為單位連接而成的長(zhǎng)鏈。

教師引導(dǎo)學(xué)生回憶學(xué)過(guò)的DNA的相關(guān)知識(shí)：①組成DNA的基本元素?②DNA的基本組成單位名稱(chēng)及種類(lèi)?③脫氧核苷酸由哪幾部分構(gòu)成?

生回答：①c、H、O、N、P；②脫氧核苷酸：4種，分別是腺嘌呤(鳥(niǎo)嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶)脫氧核苷酸；③一分子堿基、一分子磷酸、一分子脫氧核糖。

教師簡(jiǎn)介信封中的用不干膠剪成的堿基、磷酸、脫氧核糖模型，并布置任務(wù)：構(gòu)建四種脫氧核苷酸模型(此環(huán)節(jié)是構(gòu)建多脫氧核苷酸鏈的基礎(chǔ))。

兩名學(xué)生在黑板上粘貼構(gòu)建。其余分組在學(xué)案上粘貼構(gòu)建。

師巡視：發(fā)現(xiàn)有的學(xué)生磷酸或堿基連接部位不對(duì)：有的把堿基連到了脫氧核糖的2號(hào)位，有的把磷酸連到了3號(hào)位。教師在黑板上畫(huà)出脫氧核糖的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式，引導(dǎo)學(xué)生評(píng)價(jià)，強(qiáng)調(diào)堿基應(yīng)連在1號(hào)位，磷酸應(yīng)連在5號(hào)位(利用生成資源為順利構(gòu)建模型做好鋪墊，也為學(xué)習(xí)基因工程打下基礎(chǔ))。

師設(shè)疑：這些脫氧核苷酸怎樣連接成多脫氧核苷酸長(zhǎng)鏈?布置任務(wù)：構(gòu)建多脫氧核苷酸長(zhǎng)鏈模型。

兩名學(xué)生在黑板上用不干膠嘗試連接。其余學(xué)生分組在學(xué)案上用線段連接。有的小組連接正確，有的小組連接錯(cuò)誤。

各小組展示自己的成果，并相互比較評(píng)價(jià)。

教師展示資料2：1952年，有機(jī)化學(xué)家證明：將DNA的脫氧核苷酸結(jié)合在一起的是3’—5’的磷酸二脂鍵。錯(cuò)誤的小組動(dòng)手糾正錯(cuò)誤連接。

師設(shè)疑：平面的單鏈的脫氧核苷酸長(zhǎng)鏈沒(méi)有DNA的功能，那么脫氧核苷酸長(zhǎng)鏈會(huì)形成怎樣的空間結(jié)構(gòu)?基于這種認(rèn)識(shí)，有多名科學(xué)家開(kāi)始研究DNA的空間結(jié)構(gòu)。他們?cè)诓煌膶?shí)驗(yàn)室研究著同一個(gè)問(wèn)題。沃森和克里克就是其中一對(duì)合作者。如果你就是當(dāng)年的科學(xué)家，根據(jù)DNA的功能，推測(cè)一下DNA具有怎樣的空間結(jié)構(gòu)?

生大膽推測(cè)：螺旋結(jié)構(gòu)。

師：科學(xué)研究需要技術(shù)的支持，不只是創(chuàng)新想象。在沃森和克里克冥思苦想而不得其解時(shí)，沃森看到了富蘭克林拍攝的DNA的x射線衍射圖，頓時(shí)感覺(jué)柳暗花明。

教師展示資料3：富蘭克林拍攝的DNA的x射線衍射圖。簡(jiǎn)介威爾金斯、富蘭克林及x衍射技術(shù)。沃森和克里克依據(jù)弗蘭克林拍攝的DNA的x射線衍射圖譜推測(cè)：DNA應(yīng)該是規(guī)則的螺旋結(jié)構(gòu)，而且應(yīng)該是雙鏈或三鏈螺旋結(jié)構(gòu)。三鏈螺旋結(jié)構(gòu)很快被否定。繼續(xù)構(gòu)建DNA雙鏈螺旋結(jié)構(gòu)模型。

教師設(shè)疑：如果是雙鏈構(gòu)成，雙鏈如何排列呢?并布置任務(wù)：用不干膠擺放DNA雙鏈的排布(DNA平面模型)。

兩名學(xué)生在黑板上用不干膠嘗試排布。其余學(xué)生分組在學(xué)案上用不干膠嘗試排布。

各學(xué)習(xí)小組展示自己的成果，并相互比較評(píng)價(jià)。

師生評(píng)價(jià)歸納：DNA結(jié)構(gòu)中兩條鏈可能的排列情況有兩種：一是堿基排列在外側(cè)；一是堿基排列在內(nèi)側(cè)。堿基配對(duì)方式有：同配方案A與A、T與T、G與G、C與C，異配方案A與T、c、G分別配對(duì)、T與c、G分別配對(duì)、c與G配對(duì)。

師：用幻燈片展示堿基排列在外側(cè)圖片，并簡(jiǎn)介兩位科學(xué)家按著這種方式構(gòu)建的模型與DNA的x射線衍射圖數(shù)據(jù)不符而失敗，在失敗面前毫不氣餒，繼續(xù)研究。

師設(shè)疑：堿基排列在內(nèi)側(cè)的情況，需要解決的最關(guān)鍵問(wèn)題是什么?

生：堿基到底怎樣配對(duì)?

師講述：沃森和克里克的研究陷入了低谷，這時(shí)，化學(xué)家查哥夫訪問(wèn)了劍橋大學(xué)，帶來(lái)了振奮人心的研究成果。

教師展示資料4：1952年春天，奧地利的著名生物化學(xué)家查哥夫訪問(wèn)了劍橋大學(xué)，沃森和克里克從他那里得到了一個(gè)重要的信息：A的量等于T的量；G的量等于c的量。

師引導(dǎo)學(xué)生分析：依據(jù)這個(gè)事實(shí)，判斷4種堿基如何配對(duì)?

學(xué)生討論分析后得出結(jié)論：A與T配對(duì)；G與c配對(duì)。

師布置任務(wù)：修改你們構(gòu)建的平面結(jié)構(gòu)模型。

生：兩名學(xué)生在黑板上修改，其余分組在學(xué)案上修改。師巡視。

師：兩條鏈的方向如何?

生：反向。

師：為什么會(huì)反向?

生：因?yàn)橐ＷC堿基在內(nèi)側(cè)進(jìn)行配對(duì)。

師：展示合理的堿基連接方式。這說(shuō)明在平面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行規(guī)則的旋轉(zhuǎn)，就是沃森和克里克成功建構(gòu)的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。構(gòu)建模型方法是科學(xué)研究中的一個(gè)重要方法。播放DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的動(dòng)畫(huà)，展示模型。并說(shuō)明：經(jīng)驗(yàn)證，沃森和克里克建立的DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型與衍射圖相符，并能解釋DNA的多種功能。因此此模型一提出，便得到了科學(xué)界的認(rèn)可，并由此而引發(fā)了一場(chǎng)蔚為壯觀的生命科學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域的重大革命。沃森、克里克和威爾金斯也因此榮獲1962年諾貝爾醫(yī)學(xué)生理學(xué)獎(jiǎng)。

4.3教學(xué)環(huán)節(jié)三：導(dǎo)引學(xué)生概述DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)

課外活動(dòng)小組的學(xué)生展示在課下用紙板、鐵絲等材料制作的DNA雙螺旋模型。

師演示DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)實(shí)物模型，引導(dǎo)學(xué)生從整體、外側(cè)、內(nèi)側(cè)逐步觀察，要求學(xué)生用規(guī)范的生物學(xué)術(shù)語(yǔ)概述DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)。

學(xué)生觀察后概述DNA分子結(jié)構(gòu)的3個(gè)主要特點(diǎn)。

針對(duì)學(xué)生回答過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，教師及時(shí)點(diǎn)撥、糾正。

4.4教學(xué)環(huán)節(jié)四：師生共同總結(jié)

師生總結(jié)得出：DNA分子的結(jié)構(gòu)層次：5種元素、4種基本單位、3種化學(xué)成分組成、2條多脫氧核苷酸鏈、1個(gè)雙螺旋。

5研討與點(diǎn)評(píng)

該教學(xué)案例的教學(xué)過(guò)程以沃森、克里克建立DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的過(guò)程為主線，通過(guò)對(duì)科學(xué)史材料進(jìn)行精心地選擇和組織，成功地將沃森、克里克建立DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的研究過(guò)程轉(zhuǎn)化為學(xué)生邊分析資料邊構(gòu)建模型的學(xué)習(xí)過(guò)程，學(xué)生通過(guò)親身體驗(yàn)制作模型，不僅加深和強(qiáng)化了對(duì)DNA分子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和理解，同時(shí)也領(lǐng)悟了建立模型的科學(xué)方法及其在科學(xué)研究中的作用。

學(xué)生在嘗試構(gòu)建模型的過(guò)程中，加強(qiáng)了師生之間、生生之間的交流、合作，并通過(guò)這種交流發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題(如堿基、磷酸在脫氧核糖上的連接部位，兩條鏈如何反向平行等)，有效地促進(jìn)了知識(shí)和能力目標(biāo)的達(dá)成。通過(guò)交流、探討和觀察等活動(dòng)，也有效地促進(jìn)了情感目標(biāo)的達(dá)成。