DNA分子双螺旋结构模型的设计和制作

王 静 （江苏省徐州市徐州高级中学 江苏徐州 221000）

DNA分子双螺旋结构模型的设计和制作

王 静 （江苏省徐州市徐州高级中学 江苏徐州 221000）

《中国学生发展核心素养》提出，学生发展核心素养指学生应具备的，能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是关于学生知识、技能、情感、态度、价值观等多方面要求的综合表现，而从自主发展（学会学习、健康生活）、文化基础（人文底蕴、科学精神）、社会参与（责任担当、实践创新）等3部分加以培育。在核心素养理念的指引下，笔者在教学过程中逐步尝试运用各种方法，培育学生的核心素养，教学案例也曾获得教育部“一师一优课、一课一名师”优课。现以“设计和制作DNA分子双螺旋结构模型”一课为例，谈谈如何在高中生物实验课上培育学生的核心素养。

1 教学思路

DNA分子的双螺旋结构是分子学的知识。这部分知识比较抽象，学生较难掌握。本节课通过让学生设计和制作DNA分子双螺旋结构模型，旨在帮助学生理解DNA分子的结构及其特点。因此，教学设计从以下几方面考虑：

（1）从分子水平了解遗传物质的结构特点，教师引导学生充分了解DNA分子的基本组成单位和DNA分子结构的主要特点，为设计和制作DNA分子双螺旋结构模型做好知识铺垫。

（2）教师要促进学生形成DNA双螺旋结构的思维空间构象。这样，学生既有形象直观的认识，又有抽象的理解，为进一步理解DNA分子如何储备大量的遗传信息打下基础。

（3）实验过程遵循学生自主学习为主、教师指导为辅的原则，采用了独立学习与小组学习策略、竞争与合作学习策略。教师课前布置学习任务，学生先自行思考设计和制作DNA分子双螺旋结构模型的方案；然后教师引导学生充分开展小组合作学习，并以小组为单位在课前准备好制作模型所需要的材料；课上学生进行模型的拼装、展示和说明，小组之间进行点评。教师在整个过程中给予及时、恰当的指导和帮助。

（4）本实验注重联系学生的生活实际，利用常见且成本较低的材料，充分调动了学生自主学习的积极性，点燃了学生动手操作的热情。

2 教学目标

知识目标：

通过设计DNA分子双螺旋结构模型的制作方案，加深对DNA分子结构特点的理解和认识。

过程与技能目标：

通过制作DNA分子双螺旋结构模型，培养动手操作能力。

情感、态度与价值观目标：

交流讨论DNA分子双螺旋结构模型制作过程中需要注意的问题，进一步养成小组合作学习习惯，培养审美能力。

3 教学准备

学生在课前积极思考并充分开展小组合作学习的基础上，设计制作模型的方案，准备制作模型需要使用的各种材料。

4 教学过程

4.1 学生小组内交流讨论设计方案

4.2 每个小组派代表向全班汇报本组的主要设计方案

小组1：我们组选取橡皮泥和回形针作为主要材料来制作DNA分子双螺旋结构模型，色彩鲜艳，标示明显。

小组2：我们组选取食物来制作DNA分子双螺旋结构模型。因为食物获取方便，成本也很低，有些食物还有特殊颜色，能体现出各个结构，还有一大优势就是剩下的食物还可以吃。

小组3：我们组是用人来做的模型，先保密，一会儿再给大家惊喜！

小组4：我们组思考制作DNA分子双螺旋结构模型如何能够创新呢？于是我们想到如果能体现出DNA分子的解旋，将会使大家眼前一亮。我们发现拉链可以体现这一特点，并以此为突破点，用纯手工制作模型。

4.3 小组合作制作DNA分子双螺旋结构模型

4.4 交流展示，自评互评

小组1：我们组用橙色的橡皮泥表示磷酸；用红色的橡皮泥表示脱氧核糖，而且两条链中放置的方向不同，体现出了平行且反向的特点；用粉色、黄色、紫色和绿色的橡皮泥分别表示A、T、G、C四种碱基（注意遵循碱基互补配对原则）；再用不同颜色的回形针表示出五号碳以及磷酸二酯键、氢键等。其中要特别注意五号碳的表示以及氢键数量的表示。我们的模型最大的特点就是各个结构表示得非常清楚，并且色彩鲜艳，仿佛带着大家进入了一个童话般的世界，我们把模型命名为“童话王国”。但是我们的模型的缺点就是只能体现出DNA分子的平面结构，而不能体现出它的立体结构。改进方案：将橡皮泥固定在同一形状的泡沫板上，并把模型做成双螺旋结构（图1）这样既能看到平面结构，又能看到立体结构。

图1 小组1的模型示意

小组2：我们组的模型叫“舌尖上的DNA”。我们用大樱桃表示磷酸；用苹果刻成五边形表示脱氧核糖，也注意到了两条链的平行且反向的问题；用西瓜皮刻成A、T、G、C的形状表示四种碱基（注意遵循碱基互补配对原则），四种碱基的雕刻很不容易，着实费了我们不少功夫；我们用牙签表示各种化学键，比如碱基中间用牙签表示氢键，A和T之间是2个氢键，G和C之间是3个氢键。我们模型的最大优点就是可以吃，但是我们和第一组一样，也不能体现出DNA分子的立体结构。改进方案:可用弹性较好的塑料棒代替牙签，将塑料棒两端做成钩子，使苹果等结构不易脱落（图2）。

图2 小组2的模型示意

小组3：我们组的模型绝对高大上，它还有一个响亮的名字叫“superman组合”。我们用乒乓球拍表示磷酸；用身上的五边形卡纸表示脱氧核糖，我们两排同学一排面向大家，一排背向大家，表示出了DNA分子两条链的平行且反向的特点；我们用胳膊上的长方形卡纸表示A、T、G、C四种碱基（注意遵循碱基互补配对原则）；用卷起来的纸棒表示氢键及数量；用胳膊的弯曲表示出五号碳；用腿表示出磷酸二酯键的部分结构。改进方案:找个台阶至少有10级的楼梯，且较陡，这样既能满足有10个脱氧核苷酸对，又有助于观察（图 3）。

图3 小组3的模型示意

小组4：请大家看我们的纯手工制作的DNA分子双螺旋结构模型，我们把它命名为“家乡美”。我们用蓝色的扣子表示磷酸；用玫红色的五边形布包表示脱氧核糖，我们也注意了平行且反向的问题；用四种不同颜色的长方形布包表示A、T、G、C四种碱基（注意遵循碱基互补配对原则）；用编好的绳子表示五号碳、磷酸二酯键等；用粗的水彩笔在拉链上画出氢键，当然要特别注意氢键的数目；两条单链上各有一个游离的磷酸。下面请我的两个助手旋转一下，展示出DNA分子的立体结构。我们组的创新之处在于，当我们把拉链拉开的时候就能够体现出解旋，实际上DNA分子是边解旋边复制的，而且可以从多个点开始，别的组你们能解旋吗？改进方案：可在双链的上、下辅助2根棍子，用来保持双链的平行，这样模型就方便旋转了（图4）。

图4 小组4的模型示意

4.5 小结

学生总结DNA分子的结构特征：①DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘旋成双螺旋结构。②DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；碱基在内侧。③两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对，且遵循碱基互补配对原则。

5 教后反思

本教学实践过程中，学生能够积极开动脑筋，大胆想象，利用所学知识和身边可以找到的各种材料，设计和制作DNA分子的双螺旋结构模型，且效果显著，实验很成功。教后的主要体会如下。

5.1 设计模型阶段培养学生“学会学习”的素养

要想制作出一个出彩的模型，必须首先掌握DNA分子双螺旋结构的特点。这就要求学生在课前就要学会自主学习，搜集相关资料，设计好制作方案，准备好相关实验材料。这个阶段充分调动了学生自主学习的积极性。

5.2 制作模型阶段培养学生“实践创新”的素养

本实验注重联系学生的生活实际，利用常见且成本较低的材料制作DNA分子双螺旋结构模型。学生在设计和制作的过程中不断修改方案，展示成果的过程中还要进行自评和互评，找出优缺点，提出改进意见，这个过程点燃了学生动手实践的热情，培养了学生的创新能力。

5.3 整个设计和制作模型的过程中培养学生“科学精神”的素养

整个实验过程都坚持以科学的态度讨论、设计、制作、评价、改进。制作模型的过程也是一个知识内化的过程。在这样一个过程中，学生还能够自己发现和解决科学问题。比如：

① 学生能够注意到核苷酸对的数量问题：DNA分子双螺旋结构中，一般每转一圈有10个核苷酸对，双螺旋总处于能量最低状态。若正常的DNA双螺旋额外多转或少转几圈，使每转一圈的核苷酸数目大于或小于10，就会出现双螺旋立体结构的改变，在DNA分子中产生额外的张力。

② 学生能够注意到实验中的旋转方式应体现右手螺旋：旋转体现立体结构的时候，为什么右手向右旋，左手向左旋，而不反过来旋转？一般DNA的二级结构分为两大类：一类是右手螺旋，如A-DNA和B-DNA，其中B-DNA是最常见的；另一类是左手螺旋，如Z-DNA。

文件编号：1003-7586(2017)10-0078-03

本文为江苏省中小学教学研究室立项课题“高中生物教学进行生命教育的实践研究”（课题编号为2015JK11-L058）的研究成果。