常州市天宁区教研室　顾凤秀

“DNA分子的结构”一节是人教版高中生物教材模块2《遗传与进化》第3章第2节的内容，具体由DNA双螺旋结构模型的构建，DNA分子结构的主要特点，以及制作DNA双螺旋结构模型三部分内容构成。本节内容的重点是理解DNA空间结构的主要特点，难点是分析
　　DNA结构中的碱基数量关系及DNA分子的多样性，制作DNA分子的双螺旋结构模型是对学生的能力要求，体验科学家模型建构的历程和方法，感悟科学研究中蕴含的科学思想和科学态度则是所要达成的情感、态度与价值观目标。
　　本节内容的结构体系决定了它是教师有效实施探究式教学的良好素材，常规的教学程序可从DNA的“空间结构模型→平面结构→单链结构→基本单位”展开分析，然后再利用1课时让学生制作DNA双螺旋结构的模型并进行交流，此程序让学生从“整体→部分→整体”认识DNA，但其中的制作DNA模型显然变成了一个验证性实验，这与顺利达成学生的情感、态度与价值观目标差距甚远。考虑到学生在模块1的学习中对DNA分子的化学组成知识已有所了解，或者在课堂上由教师先作一些铺垫，如：DNA分子的基本单位是脱氧核苷酸，每个脱氧核苷酸由一分子磷酸、一分子脱氧核糖和一分子含氮碱基（共有A、T、C、G四种）组成。那么，教师在组织本节课的教学时就可以直接让学生模拟科学家的探究思路，在问题的引领下动手构建DNA的物理模型，接着通过观察、交流、比较，水到渠成归纳出DNA分子结构的主要特点，最后学以致用进行案例分析，加强STS教育。我觉得设计这种由“部分→整体”的教学程序，不仅能节省课时，更主要的是让学生能真正体验科学探究的过程，在模型建构的过程中获得科学知识，并领会其中蕴含的科学方法。下面谈谈我对“DNA分子的结构”这节内容的教学设计思路。
　　一、了解科学家研究的过程，初步认识DNA的结构
　　通过媒体出示图片：2009年9月4日在中国科技馆新馆南大厅揭开“红盖头”的“生命螺旋”—— DNA雕塑。
　　教师介绍：“生命螺旋” 雕塑是由20对青年男女手拉手组成的放大的DNA双螺旋结构，它形象地反映了现实生命及科学畅想，以充满张力的人体造型表现生命的蓬勃活力，随着造型的不断螺旋上升，雕塑中男人和女人的表情及肢体语言愈加奔放，喻示着人类向往光明、追求美好的执着精神。（一上课就能对学生进行生命教育）
　　接着教师引导学生阅读人教版课本P47—48页中描述的科学家构建DNA双螺旋结构模型的故事，提出如下问题：
　　1. DNA分子的基本组成单位是什么？包含哪些化学成分？
　　（学生回答：DNA分子的基本组成单位是脱氧核苷酸；一个脱氧核苷酸由1分子磷酸、1分子脱氧核糖和1分子含氮碱基组成。）
　　2. DNA分子的空间结构怎样？该结构由谁发现？
　　（学生回答：DNA的空间结构为双螺旋结构；该结构是1953年由美国生物学家沃森和英国物理学家克里克共同发现的。）
　　3．沃森和克里克先后分别提出了DNA的哪些模型？
　　学生答：（1）螺旋结构：三螺旋、双螺旋，碱基位于外部；
　　　　　　（2）双螺旋结构：磷酸—脱氧核糖位于外部，碱基位于内部，相同的碱基配对；
　　　　　　（3）双螺旋结构：磷酸—脱氧核糖是骨架，位于外侧，碱基A与T配对，G与C配对，位于内侧。
　　此时，教师可继续通过媒体资料给学生介绍沃森和克里克以及另两位科学家威尔金斯和富兰克林的情况，这四位科学家有的来自不同国度，其中只有沃森是生物学家，其他则是物理学家或化学家，由此说明科学始终没有国界之分，学科间的交叉和渗透能推动科学的发展，让学生潜意识认识到要努力学好各门功课。（对学生进行热爱科学的教育）
　　二、跟随科学家研究的足迹，动手构建DNA的模型
　　教师设问：沃森和克里克采用什么方法发现了DNA的双螺旋空间结构？
　　（学生回答：模型建构的方法）
　　教师讲授：模型建构的方法是受化学家鲍林曾经构建蛋白质α螺旋结构模型的启发，DNA和蛋白质都是大分子物质，因此它们结构形成的过程非常相似。
　　教师设问：蛋白质的结构层次如何？
　　（学生回答：氨基酸→二肽→多肽链→空间结构）
　　教师设问：DNA分子的结构层次怎样？
　　（学生回答：脱氧核苷酸→相互连接→多核苷酸链→双链平面结构→双螺旋空间结构）
　　该设计不仅能加强学生新旧知识的衔接，还让他们学会科学知识和方法的迁移，从而对构建DNA结构模型指明了一定的方向。此时教师和学生可以一起利用模型盒中现成的塑料组件（或者用自选材料），尝试构建DNA的结构模型：
　　1. 组装一个脱氧核苷酸模型
　　教师设问：你能找出DNA分子中的几种含氮碱基吗？构成的脱氧核苷酸有哪些？
　　（学生从模型盒中分别找出代表A、T、C、G四种含氮碱基的塑料组件，由此推出可以构成4种脱氧核苷酸，教师可将它们依次画成板图。）
　　完成探究任务：同桌的两位同学为一小组，每位同学各自从模型盒中分别找出代表磷酸、脱氧核糖和含氮碱基的塑料组件，特别注意以上3种物质的连接位置，拼装出4种不同的脱氧核苷酸若干个。（此过程教师跟着他们一起操作，肯定会遇到一些障碍，提示大家可依据板图去纠错改正。）
　　2. 连接两个脱氧核苷酸
　　教师请学生尝试能否将脱氧核苷酸分子两两连接起来，学生连接时碰到问题：两个脱氧核苷酸之间究竟在什么部位连接？
　　教师利用媒体提供信息：1951年11月，富兰克林通过数据计算知道，是一个脱氧核苷酸的脱氧核糖和另一脱氧核苷酸的磷酸之间发生连接。
　　学生获取信息后将已经搭建的脱氧核苷酸分子模型两两连接起来。
　　3．构建两条多核苷酸链
　　教师利用媒体提供信息：沃森和克里克根据富兰克林提供的DNA照片，认定DNA分子具有双链螺旋结构，即具有两条链。
　　获取信息后，两位学生进行分工，各自将若干个脱氧核苷酸分子连接起来，制作成两条长度相当的多核苷酸链。
　　4. 组合两条多核苷酸链
　　教师让学生观察构建好的两条多核苷酸链，要求学生大胆尝试，将它们组合构建成平行的双链模型。学生在拼接过程中发现，这两条链之间有3种不同的排列方式：
　　第1种：两条链的碱基在外侧进行排列；
　　第2种：两条链的碱基在内侧进行排列；
　　第3种：两条链完全一样平行排列。
　　教师提供信息：富兰克林和威尔金斯通过照片进行计算，得出DNA分子的外侧是磷酸和脱氧核糖，它们交替连接构成了DNA分子的基本骨架，内侧才是碱基对（即上述第2种排列方式）。
　　学生获取信息后，按上述第2种方式将两条多核苷酸链进行组合排列。
　　5．修改脱氧核苷酸双链模型
　　学生在继续操作的过程中又发现问题：DNA分子的两条链独立吗？含氮碱基之间靠什么连接？是任意碱基之间进行连接的吗？
　　教师提供资料：沃森和克里克从奥地利著名生物化学家查哥夫发现的信息中得知，在DNA分子中， A=T，G=C，且含氮碱基之间通过氢键相互连接。他们后来又请数学家格里菲斯计算出DNA分子中，A吸引T，G吸引C，从而得出A和T配对，G和C配对，这就是碱基互补配对原则。
　　学生获取信息后继续动手构建，不断纠正出现的错误。在构建过程中，学生会发现，只有让A与T配对，G与C配对（如果用其他碱基之间进行连接，现成的塑料组件就插不进去）组成的DNA分子才具有稳定结构，由此得到结构相对稳定的DNA双链模型。
　　教师引导学生仔细观察模型，提出问题：DNA分子的两条链是怎样的关系？
　　（学生回答：DNA分子的两条链是互为反向平行连接的。）
　　此时，教师可提供少量课堂训练内容（或延伸到课后），以突破本节课的教学难点——分析DNA结构中的碱基数量关系及DNA分子的多样性。
　　6.构建DNA分子的立体空间模型
　　教师提问：到现在为止，我们是否已经完成DNA模型的制作了呢？
　　（学生回答：没有，因为它不是螺旋结构。）
　　教师出示DNA双螺旋结构模型，介绍DNA分子是向右逆时针方向上升螺旋的结构，告诉他们螺旋一周就是一个螺距，每个螺距有10个碱基对，长度约为3.4纳米。
　　教师提问：我们能否用刚才制作的模型尝试螺旋过程呢？
　　（教师自己先作演示，两手分别抓住DNA平面双链模型的两端，垂直放置，然后上手按逆时针方向缓缓旋转，一个规则的DNA双链结构模型就呈现在眼前了。接着每小组先由其中的一位学生模拟操作，完成后依然复位成平面结构，再由另一位学生重复上述操作过程。）
　　在上述整个模型的制作过程中，教师所起的是引导和提供信息的作用，同时跟随学生一起操作并及时进行过程性评价。学生在此过程中，一定会不断发现问题，然后从教师提供的信息中获取知识解决问题，在反复纠正错误的过程中，他们得到了知识技能方面的训练，制作出的直观模型能让学生更具体清楚地认识DNA。
　　三、分析双螺旋结构模型，归纳总结DNA的特点
　　师生一起仔细观察自己亲手制作的DNA双螺旋结构模型，先进行自我评价，然后通过模型展示及相互交流，找出不同DNA双螺旋结构模型的共同点和差异，归纳得出DNA双螺旋结构的3个主要特点：
　　1．两条脱氧核苷酸链反向平行盘旋成双螺旋结构；
　　2．外侧为脱氧核糖和磷酸交替连接，构成基本骨架；
　　3．内侧的碱基遵循碱基互补配对原则通过氢键连接成为碱基对。
　　此时，教师继续引导学生分析，由于DNA分子外侧的脱氧核糖和磷酸的排列方式始终不变，内侧的碱基互补配对，体现出结构的稳定性；但是，内侧碱基的排列顺序是千变万化的，决定了DNA分子结构具有多样性；特异性是由于每个DNA分子具有特定的碱基排列顺序。
　　四、学以致用进行案例分析，加强STS教育
　　在本节课的最后，教师可以继续通过媒体给学生介绍一起案例： 2004年3月，为迎接世界华人生物科学家大会，北京大学生命科学院准备在新落成的办公楼大厅内建造3座雕塑，其中有一座雕塑是为了纪念DNA双螺旋结构发现50周年而制作。后来，世纪盛典公司按预先签订的合同为北京大学制作了一座名为“旋律”的不锈钢雕塑并如期完工，北京大学按照合同约定支付了款项（6万），因为该雕塑是以DNA的双螺旋结构为构思蓝本，因而成为世人瞩目的标志。但是，雕塑参展一个月以后，北京大学的一位教授突然发现该双螺旋雕塑的螺旋方向反了，呈顺时针方向螺旋上升，而50年前科学家发现的双螺旋结构是呈逆时针方向旋转的。因此，北大校方无法接受纪念雕塑与双螺旋结构本身出现的巨大出入。考虑到世界华人科学家大会即将召开，世纪盛典公司很快更改图纸后为北京大学重新制作了雕塑，并向北京大学提出给付第二次制作雕塑的成本费用（4.8万）要求，但北京大学拒绝了这项要求，于是世纪盛典公司将北京大学起诉到了法院。
　　案例展示后， 留给学生一段思考的时间，一起与学生分析如下问题：
　　1．你觉得本案中的世纪盛典公司最后会胜诉吗?为什么?
　　（分析思路：不能胜诉。因为上世纪发现DNA的左旋顺时针方向上升的双螺旋结构是在70年代，而当时华人生物科学家大会的主题之一是为了纪念DNA双螺旋结构发现50周年，50年前沃森和克里克发现的DNA双螺旋结构方向是呈右旋逆时针方向上升，显然世纪盛典公司是处于被动方，第一次制作成的左旋顺时针方向上升的双螺旋结构雕塑是不能被认可的。法院必须以事实为依据进行宣判。）
　　2．雕塑“旋律”及“生命螺旋”等是否就是DNA双螺旋结构的模型？
　　（分析思路：不是。它们都只是形似而神不是的模型，仅以DNA双螺旋结构为构思蓝本，不可能没有体现出DNA分子的完整结构，包括其化学组成及各种分子的排列。）
　　此案例给我们的启示是：科学没有半点虚假的成分，只有努力学习科学知识，才能获得科学真理。科学成果的展示同样必须以科学探究中发现的事实作为依据。让学生学以致用，充分理解科学、技术、社会的相互关系，进一步激发他们对生命科学的求知欲望。
　　五、反思模型建构的过程，提升情感教育
　　兴趣是最好的老师，有位科学家曾经说过：“最佳的学习方法是先做后辨认，或是一边做一边辨认。”学生对课堂探究实验本来就有兴趣，本节课上他们对DNA双螺旋结构模型的塑料组件可能倍感亲切，因为它们很象积木，所以制作该模型的过程就非常类似于他们小时候搭积木的游戏。毫无疑问，这节课一开始就能将学生的学习积极性调动起来，在这样的情境下，学生的思维会显得异常活跃，他们在动手又动脑的过程中首先感受到DNA分子的客观存在，同时感受到在半个多世纪前，沃森和克里克两位科学家能吸纳其他科学家的思想，利用物理、化学、数学方面的原理及方法，最终共同发现了DNA分子为双螺旋结构。从中感受到科学探索的艰辛，体会到科学家严谨的科学态度和持之以恒的科学精神，同时真切体验到科学探究的乐趣和获得成功后的惊喜。学生在模型建构的过程中，可能会遇到类似于科学家们的困惑，教师可采用“引导──体验──感悟”的教学模式，利用媒体提供信息，融合观察法、讲授法、讨论法等多种教学方法，让他们学习到科学家善于捕获、分析信息的能力，同时感受到生物学中的很多结论不是凭空而来，靠死记硬背记住它们肯定不是方法。学生通过模型建构的过程能认识DNA分子的本来面目，促进他们深入理解DNA的结构知识。正是由于DNA分子具有稳定性、多样性和特异性，我们的大自然才显得和谐与丰富多彩，让学生进一步感悟到生命的物质性，以及生命又是可贵的，从而在情感、态度、价值观方面得到启示和升华。
　　模型建构是自然科学研究中的一种常用方法。本节课的教学设计是遵循学生认识事物的一般规律：从简单到复杂，从已知到未知，引导他们从DNA的“基本单位→单链结构→平面结构→空间结构” 进行模型建构，培养他们在尊重事实、遵循逻辑的基础上进行科学探究，不断激发学生的学习兴趣，引导他们积极主动地完成预期学习目标。
　　不当之处请专家与同行们批评指正！

2009年11月