陳秋來

“結(jié)構(gòu)與功能觀”是生命科學(xué)的基本觀點之一。在理解DNA結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，能夠解釋DNA結(jié)構(gòu)特點與編碼遺傳信息、復(fù)制遺傳信息和傳遞遺傳信息的適應(yīng)關(guān)系，是“生命觀念”的重要內(nèi)容[1]。建模教學(xué)可以使學(xué)生體會到真實的科學(xué)實踐，使學(xué)生在掌握知識的同時了解知識的形成過程，提升學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，是目前中學(xué)科學(xué)教育改革的一個重要方向。構(gòu)建模型是科學(xué)研究工作的核心內(nèi)容之一，在教學(xué)中進行模型建構(gòu)，可以幫助學(xué)生模擬科學(xué)家的思維，了解知識的產(chǎn)生和運作，并在學(xué)習(xí)科學(xué)的過程中構(gòu)建和發(fā)展自己的模型，從而深入理解知識[2]?，F(xiàn)以“DNA的結(jié)構(gòu)”一課為例，介紹在模仿科學(xué)家建模的過程中發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的具體做法。

一、教材分析及設(shè)計思路

“DNA的結(jié)構(gòu)”是人教社2019版高中生物必修2第3章第2節(jié)的內(nèi)容，學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容時，普遍感到抽象、復(fù)雜、深奧。教學(xué)時如果按照教材順序，先介紹DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)科學(xué)史，然后學(xué)習(xí)DNA結(jié)構(gòu)主要特點，最后讓學(xué)生制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，會使理論知識和制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的實驗割裂，讓學(xué)生感覺科學(xué)知識比較枯燥，也無法感受“做中學(xué)”的快樂，不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)。為此，筆者改變了教學(xué)策略：把DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型制作的實驗進行分解，將制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型與跟隨科學(xué)家的研究歷程緊密結(jié)合，以幫助學(xué)生在感受科學(xué)家科學(xué)探究的情境中，加深對DNA結(jié)構(gòu)的了解，同時體會沃森等科學(xué)家如何在合作中不斷捕獲和分析信息，學(xué)習(xí)他們嚴謹?shù)乃季S品質(zhì)以及持之以恒的科學(xué)研究精神。此外，學(xué)生在探究過程中產(chǎn)生的很多想法與科學(xué)家不謀而合，大大激發(fā)了學(xué)生的研究興趣和自信心，從而有助于在課堂教學(xué)中落實學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、課前準備——學(xué)具的準備

為了保證課堂上有更充分的時間用于討論和交流，教師需要在課前集中指導(dǎo)合作學(xué)習(xí)的小組長按以下要求準備學(xué)具：每個4人學(xué)習(xí)小組需要準備支架1個、訂書機1個、訂書釘1盒（訂書釘用來連接堿基和脫氧核糖代表氫鍵以及脫氧核糖和磷酸的連接），小剪刀1把，透明膠布1卷。

1.制作支架

用4毫米直徑的硬鐵絲做2個長26cm寬8cm的方框（用作兩端固定以及方便拿取旋轉(zhuǎn)展示的支架），在每個方框一側(cè)的兩端各固定一條長0.8m的細鐵絲或細線（注意柔軟且有韌性，便于做好模型后的扭轉(zhuǎn)和固定）。

2.裁剪代表磷酸、脫氧核糖和4種堿基的紙片

每個學(xué)習(xí)小組需要裁剪磷酸基團和脫氧核糖各24個， A、T、G、C 四種堿基共48個。教師為每個小組長準備3張較厚的A4紙。具體裁剪方法按如下步驟進行。

（1）把每張A4紙縱向?qū)φ?次，橫向?qū)φ?次，這樣每張A4紙就被分成16等份，每份規(guī)格是10.5cm*3.7125cm。

（2）在每等份左右兩邊按照圖1標上字母或數(shù)字，AT和GC合計標24份，磷酸和脫氧核糖標24份。

（3）沿著對折痕跡把3張A4紙分別裁開。

（4）把標有GC的紙條在字母G和C之間按圖1裁成圓弧形，把標有AT的紙條在字母A和T之間裁成V形，把磷酸裁成圓形，把脫氧核糖裁成五邊形。

三、教學(xué)過程

1.創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)探究欲望

利用學(xué)生對“探案”和新名詞“DNA指紋”的興趣，呈現(xiàn)DNA指紋圖片，快速轉(zhuǎn)到本節(jié)的課題：根據(jù)DNA指紋確認身份與DNA的特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2.建構(gòu)DNA結(jié)構(gòu)的物理模型

（1）建構(gòu)脫氧核苷酸模型。從復(fù)習(xí)必修1有關(guān)DNA的知識過渡到新知識的學(xué)習(xí)，教師提出任務(wù)：請每位學(xué)生用桌面上提供的合適的材料建構(gòu)1個DNA的基本組成單位，可提示學(xué)生訂書釘用來連接堿基、脫氧核糖和磷酸之間的連接。建構(gòu)完成后用實物投影儀展示學(xué)生作品，引導(dǎo)學(xué)生進行評價。然后教師用PPT呈現(xiàn)圖2，總結(jié)磷酸基團、脫氧核糖和含N堿基3種分子的正確連接方式。最后要求學(xué)生每人完成5個脫氧核苷酸模型的制作，為建構(gòu)脫氧核苷酸鏈模型做準備。

（2）建構(gòu)脫氧核苷酸鏈模型。引導(dǎo)學(xué)生將自己制作的脫氧核苷酸連成長鏈，派代表進行展示，并用語言描述脫氧核苷酸之間是如何連接的，同組組員可補充說明，其他組學(xué)生評價，然后教師點評，強調(diào)相應(yīng)知識點。

（3）嘗試建構(gòu)DNA的平面結(jié)構(gòu)模型。教師引導(dǎo)學(xué)生回顧DNA的發(fā)現(xiàn)歷史，提出“由脫氧核苷酸長鏈組成的DNA要具有怎樣的結(jié)構(gòu)才能穩(wěn)定存在并且遺傳給后代”的問題。學(xué)生閱讀課本了解“DNA結(jié)構(gòu)模型的建構(gòu)”歷程后，小組討論，最后由教師總結(jié)：沃森和克里克以威爾金斯和富蘭克林提供的DNA的衍射圖譜和相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，推斷出DNA呈螺旋結(jié)構(gòu)。但此時又引出另一個問題：DNA究竟是由幾條鏈組成的螺旋結(jié)構(gòu)？科學(xué)家們提出了不同猜想，沃森和克里克建構(gòu)了DNA的雙鏈結(jié)構(gòu)模型。此時請學(xué)生分組建構(gòu)DNA雙鏈結(jié)構(gòu)模型，并進行組內(nèi)討論、實物展示、小組代表解說、其他組員提出異議，然后教師引導(dǎo)：通過建構(gòu)，我們知道兩條鏈的連接有多種可能性，哪一種連接方式更符合實際情況呢？教師用PPT呈現(xiàn)：1952年春天奧地利的著名生物化學(xué)家查哥夫提供的信息：A的量等于T的量，G的量等于C的量。并進一步引導(dǎo)學(xué)生：根據(jù)以上信息你獲得了什么啟發(fā)？要求學(xué)生組內(nèi)討論并修正本組模型。

（4）建構(gòu)DNA的立體結(jié)構(gòu)模型。先讓學(xué)生用訂書釘按照堿基互補配對原則建構(gòu)含20個堿基對的DNA平面結(jié)構(gòu)模型，然后提醒學(xué)生用透明膠布把磷酸分子固定到鐵絲上，雙手提起方框，輕輕地拉直雙鏈后旋轉(zhuǎn)一下即得到DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)立體模型。

本環(huán)節(jié)以著名教育家維果茨基提出的“最近發(fā)展區(qū)”理論為依據(jù)，沿著“復(fù)習(xí)已學(xué)知識建構(gòu)脫氧核苷酸模型和脫氧核苷酸鏈模型—發(fā)現(xiàn)問題—補充資料—建構(gòu)DNA的平面結(jié)構(gòu)模型—形成DNA的立體結(jié)構(gòu)模型”的路線推進，分步實現(xiàn)模型的建構(gòu)過程，不僅讓學(xué)生通過“做中學(xué)”深入理解DNA結(jié)構(gòu)的知識，還能讓學(xué)生體驗科學(xué)家探究DNA結(jié)構(gòu)的過程，培養(yǎng)善于捕獲、分析信息的思維品質(zhì)及持之以恒的科研精神，激發(fā)學(xué)生的科研興趣，提升勇于擔(dān)當(dāng)?shù)钠焚|(zhì)。學(xué)生通過DNA的結(jié)構(gòu)物理模型的建構(gòu)、評價與修正，建立了對DNA 結(jié)構(gòu)的認識，形成了生物體結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點，同時也提升和發(fā)展了建構(gòu)模型、邏輯思維與科學(xué)表達的能力。

3.建構(gòu)DNA結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型

通過引導(dǎo)學(xué)生分析DNA各組分的數(shù)量關(guān)系構(gòu)建相關(guān)數(shù)學(xué)模型有助于學(xué)生理解DNA的結(jié)構(gòu)特性，強化“結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)”的生物學(xué)基本觀點。此環(huán)節(jié)請學(xué)生觀察各自構(gòu)建好的DNA立體結(jié)構(gòu)模型并填空。如下面兩題。

第1題：1個DNA=（2）條脫氧核糖核苷酸鏈=（2）個游離磷酸基團;與一個磷酸基團相連接的有（兩個或一個）脫氧核糖，與脫氧核糖連接的有（兩個或一個）磷酸基團。

第2題：若一個DNA中有n個堿基對，則堿基對的排列方式有（4n）種。

設(shè)計第1題的目的是引導(dǎo)學(xué)生歸納出DNA結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性的原因，幫助學(xué)生理解DNA結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性與DNA能夠承擔(dān)遺傳物質(zhì)的功能相適應(yīng)。設(shè)計第2題的目的是引導(dǎo)學(xué)生推出 DNA 結(jié)構(gòu)具有多樣性和特異性，為解釋自然界生物的多樣性和特異性打基礎(chǔ)。

4.建構(gòu)DNA結(jié)構(gòu)的概念模型

高中生物學(xué)科知識的學(xué)習(xí)，實質(zhì)上是引導(dǎo)學(xué)生習(xí)得一個完整而系統(tǒng)的核心概念體系的過程[3]。

（1）利用模型歸納主要特點。教師組織學(xué)生通過對比各自制作的作品，在獨立思考和相互補充后歸納出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要特點。教師引導(dǎo)學(xué)生進一步觀察各自建構(gòu)的DNA立體結(jié)構(gòu)模型中脫氧核糖上標注的數(shù)字，完善DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要特點，由學(xué)生得出“DNA兩條鏈是反向平行排列”的結(jié)論。教師進一步追問導(dǎo)入問題：觀察各組建構(gòu)的DNA立體結(jié)構(gòu)模型，你能解釋DNA指紋為什么可以用于識別身份嗎？學(xué)生得出答案：不同組建構(gòu)的DNA立體結(jié)構(gòu)模型的堿基排列順序不同，每個DNA都帶有獨特的遺傳信息。

（2）填寫概念圖進行知識總結(jié)。向?qū)W生呈現(xiàn)圖3所示的概念圖，由學(xué)生填寫括號內(nèi)的文字，幫助學(xué)生構(gòu)建本節(jié)所學(xué)內(nèi)容的知識網(wǎng)絡(luò);同時利用圖3內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生歸納出記憶竅門“54321”，即5種組成元素：C、H、O、N、P;4種堿基A、T、G、C和4種脫氧核苷酸;3種基本組成物質(zhì)：堿基、脫氧核糖、磷酸;2條反向脫氧核苷酸鏈組成1個DNA。

四、教后反思

通過團隊學(xué)習(xí)、主動學(xué)習(xí)和參與式學(xué)習(xí)的方式，學(xué)生可以主動參與制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并追蹤了科學(xué)家的研究歷程，不斷提高科學(xué)思維能力，培養(yǎng)不畏困難、持之以恒的科研精神。

參考文獻

[1]劉恩山，曹保義主編.普通高中生物學(xué)課程標準（2017年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2018.

[2]趙萍萍，劉恩山.生物學(xué)建模教學(xué)研究進展及啟示[J].生物學(xué)通報，2015（1）：19-23.

[3]鄭春和.高中生物學(xué)的概念與命題[J].課程·教材·教法，2011（6）：91.

（責(zé)任編輯? ?姚力寧）