基于生物学核心素养的“DNA的结构”教学设计

王晓红

（上海市淞浦中学 上海 200941）

1 教材分析与设计思路

上科版高中《生命科学》第二册第六章第一节遗传信息的内容，属于学习水平B级，主要教学内容包括DNA是遗传物质、DNA分子的双螺旋结构、蕴藏在DNA分子中的遗传信息），以及DNA分子模型的搭建活动。其中DNA双螺旋结构、蕴藏在DNA分子中的遗传信息是建立在DNA是遗传物质的学习的基础上，学生通过探索DNA分子结构进一步理解DNA是遗传物质。教师在设计教学时，把后两部分内容和实验作为第二课时。DNA的结构在遗传和进化学习中起到承上启下的作用，只有真正理解了DNA的结构，学生才能理解DNA的特点、DNA复制以及指导蛋白质合成的原理，从而明确DNA担当遗传物质的理由，对DNA结构的研究也为认识基因突变、染色体复制和遗传重组成做铺垫。

本节课的教学重点在于通过对DNA结构模型的建构，理解DNA的结构特点；难点在于DNA与基因染色体的关系、DNA的结构特点如何与DNA的功能特点相适应、解释DNA与遗传变异进化的关系。

本节课通过DNA的雕塑和DNA研究的科学史入手，建构DNA的结构模型，了解DNA的结构，以及由DNA结构决定的DNA的特点，同时在搭建的结构上直观地发现DNA与基因和染色体的关系，最后把DNA的相关知识用“知识树”贯穿起来，旨在建立结构和功能相适应的生物学思想，形成生物学学科核心素养。

2 教学目标

（1）分析DNA的结构模型，领会脱氧核苷酸形成DNA双螺旋结构的要素，归纳DNA的结构特点，推断DNA的功能特点；比较DNA与染色体、基因的关系，描述DNA蕴藏遗传信息。

（2）通过克隆羊多莉的培养过程和特征，推断DNA主要存在的部位，获得获取信息、分析信息的能力；经历模型建构的过程，理解碱基互补配对原则，培养科学探究、动手操作能力；通过DNA结构模型的搭建，对模型进行观察比较，从结构上论证DNA的多样性、稳定性和特异性，培养观察、比较、归纳的能力。

（3）在科学史的学习过程中，明确科学探究需要严谨的科学态度、锲而不舍的科学精神；在模型搭建过程中，感受合作精神，认同前人成果的重要性，体验结构与功能相适应的生物学思想；感受生命的奥秘，体验生命之美。

3 教学过程

3.1 创设科学史情境导入，激发学习兴趣

教师展示世界各地几幅著名雕塑，学生通过分析找出它们共同的元素：DNA双螺旋结构。教师以此点题DNA结构在生命科学研究领域的地位，在人类探索生命奥秘旅程中的重要性。科学家为了探索DNA蕴藏的秘密，进行了不懈的努力。学生交流课前准备的关于DNA发现和研究的科学史，明确DNA双螺旋结构模型的建立标志生命科学进入分子水平的研究，同时感悟科学研究需要严谨的科学态度和锲而不舍的科学精神，科学家的成功离不开前人的贡献。

3.2 创设知识背景，温故而知新

学生回忆，DNA是遗传物质，DNA与遗传有关。教师引导学生观察克隆羊多莉的诞生过程，根据多莉羊的性状与提供细胞核的白面母羊相似，得出DNA在细胞核中的结论，培养学生获取信息、处理信息、分析信息的能力。

接着，教师提出以下问题，促进学生思考：

①同种生物体内的每个细胞DNA都相同吗？做亲子鉴定或身份鉴定时用哪种的细胞？

②不同生物体内的细胞DNA相同吗？③DNA的不同如何得以体现？

3.3 小组建构模型，创立DNA双螺旋结构

3.3.1构建模型1——脱氧核苷酸的搭建

学生回忆，回答以下问题：①组成DNA的基本单位是什么？②每个脱氧核苷酸的结构组成是什么？③组成DNA的碱基有哪几种？

教师提供以下教具：用圆形模具代表磷酸基团，五边形代表脱氧核糖，4种不同颜色的长方形分别代表A、T、G、C 4种碱基。学生4人一组，每人完成2个脱氧核苷酸模型的制作。

教师用多媒体展示正确的连接方法，提示学生解碱基、磷酸与脱氧核糖的碳原子的位置关系，并提出问题：大家搭建的脱氧核苷酸有什么区别？

3.3.2 构建模型2——搭建10个脱氧核苷酸组成的长链

学生搭建10个脱氧核苷酸组成的长链，注意两个脱氧核苷酸之间的连接。教师提出问题：你们所搭建的脱氧核苷酸链与所展示的脱氧核苷酸链有什么异同？相同在哪里？不同在哪里？这些信息说明了什么？你还可以搭出不同的脱氧核苷酸吗？

教师在此处埋下了很多伏笔，为得出DNA的结构特点奠定基础。学生在搭建过程中，不断尝试思考比较，锻炼了动手能力观察能力、分析能力和交流表达能力。

3.3.3 构建模型3——DNA双螺旋模型建构

教师提出问题：20世纪50年代初，富兰克林和威尔金斯使用晶体学、数学计算分别提出了双螺旋和三螺旋结构，并同时提出磷酸根在螺旋外侧，碱基在螺旋内侧的观点；1952年，奥地利化学家查戈夫测定DNA中4种碱基含量，得出A=T，C=G；1953年，根据富兰克林的DNA晶体X射线衍射照片，富兰克林和威尔金斯的数据，沃森和克里克用铁皮、铁棍、铁丝搭建了DNA双螺旋模型（10个碱基对右旋一周）。同学们，你们可以吗？

学生交流搭建成果，师生共同指出搭建过程中的问题，并进行纠正（主要问题是两条链没有反向平行；两个基团连接失误；不符合碱基互补配对的原则），展示各组正确的模型。

3.4 口诀小结，练习巩固

教师利用“54321”的口诀小结DNA的结构（图1），并利用小练习进行巩固。

图1“54321”的口诀示意图

3.5 比较分析模型，归纳DNA的结构特点

教师引导各组学生比较各自以及教师展示的模型之间的异同点，小结DNA的特点：磷酸和脱氧核糖相间组成的骨架是基本不变的；碱基互补配对原则是稳定不变的；碱基对的排列顺序是多种多样的，分别体现了DNA的稳定性和多样性、特异性。通过直观的模具，学生很容易总结DNA的特点。

教师提出问题：正因为DNA的碱基配对原则在DNA的复制、转录、翻译过程中稳定不变，才保证了生物遗传物质的稳定，而碱基对的千变万化使生物个体存在特异性，生物群体的多样性。DNA为什么可以作为遗传物质？

3.6 利用模型结合资料，理清基因、DNA、染色体的关系

学生从模型上看出，碱基对的排列顺序是不同的。教师解释碱基对的排列顺序蕴含遗传信息，并展示染色体由DNA和蛋白质组成的图片，告诉学生：DNA上碱基对的排列顺序代表遗传信息，有遗传效应的DNA片段代表基因；一条染色体上有1或2个DNA分子，有很多个基因。

3.7 绘制“知识树”（图2），总结课堂

4 教学反思

教师认真分析教材和学生的学情，依据布鲁姆教学目标分类学理论，把教学内容根据不同层次的教学要求设定相应的教学目标，采用不同的教学手段，以达到生物核心素养的培养。

4.1 紧扣教学主线，确立“结构功能观”生命观念，认识生命的内涵

在整个教学设计中，呈现了结构和功能相统一的生物学思想。教师以此为主线，课前设问：DNA为什么可以担当遗传物质？要解决这个问题必须了解DNA的结构，从而引出课题。课中，学生搭建DNA结构模型，具体了解DNA的结构，归纳DNA的特点，理解DNA的结构决定与遗传变异进化有关。课末，教师再次回到DNA的功能上。这样，整节课前后呼应，课程结构完整。

4.2 利用相关教学素材，通过对资料的信息获取、比较、推理，引导学生进行理性思维

教师针对教学过程中的一些事实性知识，如DNA是双螺旋结构（外观）、DNA存在部位、DNA是什么、基因染色体的概念和关系等，采用了一些相应的图片、素材，引导学生通过联想类比DNA分子在生命科学研究领域的地位，培养学生的类比能力。根据克隆羊多莉培养过程的资料，学生比较、推理得出遗传物质存在于细胞核，培养了获取信息、处理信息、分析信息的能力；通过对染色体组成的图片的观察，培养了观察、比较的能力。

教师过渡至模型搭建时，使用了问题串，有利于培养学生的科学思维，激发学生的思维风暴。

在课堂小结DNA的结构时，教师采用的“54321”口诀、课堂总结中采用的“知识树”总结，都有利于学生归纳总结能力的培养。

4.3 物理模型的搭建，在体验中参与科学探究

对于概念性知识，如碱基互补配对原则、程序性知识如DNA双螺旋结构，教师在知识达成过程中采用了学生模型建构和科学史相结合的体验学习方式，模拟科学家的研究历程。学生在模型建构过程中发现很多问题，教师利用科学史及时给予相应的信息，师生共同解决问题，继而又产生新的问题。这样使学生在发现问题、解决问题、新的问题的循环中体验科学研究的乐趣。

4.4 科学史的引入，提升社会责任

教师在授课过程中有两处引入了科学史。新课伊始，学生交流课前准备的DNA发现史，目的在于明确科学探索需要严谨的科学态度和锲而不舍的科学精神；DNA搭建过程中引入科学史，为学生在模型搭建过程中解决问题提供素材，同时使学生感悟科学研究的成功建立于前人的劳动成果和共同合作的基础上。