利用模型建构培养科学思维的教学实践——以“核酸分子的结构”为例

重庆市南川中学校 黄小琪

重庆市南川区教育科学研究所 谭 洁

北京市昌平区第一中学 周有祥

笔者在北师大版生物学必修二《遗传与进化》的“核酸分子的结构”一节课的教学中，尝试让学生重温科学探索之旅，逐步构建出DNA分子双螺旋结构模型。从而达到构建概念，培养科学思维的目的。

一、教学分析

（一）课标分析

从课标的要求看，本节课内容是从分子角度阐述遗传信息的本质，进一步形成结构与功能相适应的生命观念，为学生学习DNA的复制和表达奠定基础。为促进学生生物学核心素养的提升，课标建议开展的活动是：①收集DNA分子结构模型建立过程的资料并进行讨论和交流；②制作DNA分子双螺旋结构模型。

（二）教材分析

以课标为依据，教材编排的内容包括DNA结构探索科学史、DNA分子结构、DNA的碱基排序与遗传信息关系、RNA分子结构以及制作DNA双螺旋结构模型五部分。因此，在实际教学中，本节课需要重温或者建构的概念包括：①DNA分子是由四种脱氧核苷酸构成的；②DNA通常由两条碱基互补配对的反向平行长链形成双螺旋结构；③DNA碱基的排列顺序编码了遗传信息；④RNA是由多核糖核苷酸组成的单链。运用模型与建模有利于学生解读DNA多样性、特异性和稳定性的特征，奠定理解生物学的多样性及物种稳定性的物质基础。

（三）学情分析

高中生的思维水平、学习能力已经发展到一定的阶段，具有一定的抽象思维能力与分析、推理能力，并具备数学、物理和化学知识基础。学生喜欢动手操作，且绝大部分学生对揭秘“遗传信息”非常感兴趣。基于课标、教材与学情，教师制订教学目标如下。

二、教学目标

生命观念：在理解DNA和RNA分子结构的基础上，能运用结构与功能观，阐明碱基的排列顺序编码了遗传信息。

科学思维与科学探究：基于DNA和RNA的分子结构特征，能选用合适的材料和用具，设计方案制作DNA和RNA的分子结构模型，论述DNA双螺旋结构的发现对促进分子生物学发展的意义。

社会责任：关注分子遗传学领域的成果与进展，展示和交流相关的社会热点问题及科技前沿问题。

三、模型建构过程

（一）问题情境导入

教师行为：【提供资料——PPT展示】刑侦案例中，被害者体内的精液DNA指纹图，以及三个嫌疑人的DNA指纹图，并提出问题谁是真正的罪犯？

学生活动：观察图片，思考并回答谁是真正的罪犯。DNA具有什么样的结构使它可以作为断案的依据？

设计意图：教师引导学生思考什么样的结构才使DNA具有这样的功能，创造认知差，激发学生的好奇心和求知欲，引入模型想象。

（二）任务一：制作四种脱氧核苷酸模型

教师行为：提供米歇尔、科赛尔和利文等人研究的资料及核苷酸图片。

学生活动：阅读资料，观察磷酸、脱氧核糖、四种碱基的结构图。回顾DNA、RNA分子的核苷酸的种类和组成，利用手上的一个带磁性的白板、若干带磁性碱基平面模型、脱氧核糖平面模型、磷酸平面模型、化学键模型以及双面胶，构建各种脱氧苷酸平面模型（图1）。

图1 原材料和学生构建的脱氧核苷酸

设计意图：厘清容易混淆的脱氧核糖核酸、脱氧核糖核苷酸、脱氧核糖等名词区别；回忆脱氧核苷酸的组成，建立最基本的分子模型（脱氧核苷酸三个组成部分之间的位置关系）。建构“DNA分子是由四种脱氧核苷酸构成的”的基本概念。

（三）任务二：构建多脱氧核苷酸链模型

教师行为：【提供资料——PPT展示】早在20世纪30年代科学家就已经知道相邻两个脱氧核苷酸是通过脱去一分子水并形成磷酸二酯键连接起来的；介绍五碳糖的碳原子编号、磷酸二酯键、单链方向3′端和5′端等相关知识。

学生活动：以小组为单位，利用构建好的脱氧核苷酸模型，在白板左侧构建一条多脱氧核苷酸链（图2）。

图2 学生构建的多脱氧核苷酸单链

设计意图：构建多脱氧核苷酸链模型，为构建DNA双链打下基础。同时弄清楚DNA单链的结构，明确哪个键是脱氧核苷酸之间的键，哪个键是脱氧核苷酸内部的键，为后面学习DNA聚合酶、限制酶、DNA连接酶等作用部位打下基础。同时，了解当时的研究背景，领悟科学发现的规律、方法和历程。

（四）任务三：构建DNA分子双链模型

过渡：1951年沃森和克里克，就是在已知这样一条多脱氧核苷酸链，以及在多位科学家提供数据资料的基础上，开启了他们DNA模型的构建之旅。

1.科学史——DNA具有两条链

教师行为：【提供资料——PPT展示】富兰克林通过衍射图谱得出DNA的直径为2nm。经过测定发现，无论是2条链还是3条链直径都为2nm，因此她推测DNA可能由2条或者3条链构成。接着，她又分别测定2条、3条链的DNA模型含水量，结果只有两条链构成的DNA的含水量与实际DNA相符。提问——DNA具有几条链？

学生活动：分析资料，推测DNA具有两条链。

设计意图：分析资料得出DNA是两条链的结论，为构建DNA双螺旋结构模型奠定基础。让学生明白，一项结论的提出，是需要相关科学实验结果作为支撑的。培养学生根据资料，分析、归纳、总结的能力。

2.推理——DNA两条链的排列方式

教师行为：【提供资料——PPT展示】科学家发现，磷酸和脱氧核糖亲水，碱基疏水，而DNA在细胞内始终处于一个水环境中。提出问题——DNA的双链的排列方式是什么？

学生活动：类比细胞膜的磷脂双分子层的排列方式，推测DNA两条链的排列方式：磷酸和脱氧核糖等亲水基团排列在外侧，碱基等疏水基团排列在内侧。

设计意图：培养学生基于已知信息和已有知识提出假设，进行推理，逐步形成复杂的模型设想。

3.分析——碱基配对的方式

教师行为：【提供资料——PPT展示】DNA衍射图谱揭示，碱基通过氢键连接成碱基对，且DNA双链之间的距离恒等。教师提供4种碱基分子的结构式，引导学生发现什么样的配对方式才能使距离恒等。

学生活动：通过小组分析讨论，比较碱基大小，以及配对的方式对双链之间距离的影响，从而提出可能的配对方式：一个嘌呤和一个嘧啶配对。

设计意图：通过观察资料，初步判断碱基配对是一个嘌呤和一个嘧啶配对，为后续确定碱基互补配对原则打下基础，同时培养学生获取信息、分析信息的能力。

4.归纳——碱基互补配对原则

教师行为：【提供资料——PPT展示】1952年，查哥夫对多种生物的DNA进行了碱基定量分析，并提供碱基的相关数据表格。提出问题——根据表格发现碱基之间有什么关系呢？

学生活动：通过比较表格中每一种生物内各种碱基的数量，小组讨论，总结得出不同碱基之间的数量关系，以及配对方式：A的数量=T的数量，C的数量=G的数量，以及A和T配对，G和C配对的结论。

设计意图：根据资料分析推导获取信息，分析归纳概括出规律，为模型的进一步构建提供理论基础。

5.确定——双链之间连接的方式

教师行为：【提供资料——PPT展示】DNA分子的两条链通过碱基之间的氢键结合在一起，A与T之间为2个氢键，而C与G之间为3个氢键。提问——哪种碱基对结构更稳定？

学生活动：积极思考并比较，小组讨论，碱基的种类、氢键的数量与DNA结构稳定性之间的关系：G和C越多，氢键越多，相对作用力越大，DNA双链结构越稳定。

设计意图：通过资料信息分析，明确碱基对、氢键、DNA稳定性之间的关系，在理解结构与功能相适应的基础上培养逻辑思维能力。

6.初步构建DNA分子双链模型

教师行为：让学生根据以上信息，在白板上做出DNA的双链模型。选择两个摆法不同（反向平行与正向平行）的小组代表上台展示。

学生活动：基于分步骤的信息积累，小组讨论总结DNA具有的结构特点，实现模型转化，在白板上做出DNA的平面模型（图3）。并派代表将他们的成果投影到多媒体上。

图3 学生构建的两种DNA平面模型

设计意图：检测学生对所学内容的掌握情况，同时锻炼学生动手动脑的能力。摆上两种典型的排列方式，为后续复杂模型的构建奠定基础，培养学生相互合作、共同探索的能力。给学生展示的平台，有利于提高学生学习兴趣和学习自信。同时，也可以通过展示交流对学生进行表现性评价。

7.修正双链模型——确定双链方向

教师行为：【提供资料——PPT展示】富兰克林发现，将DNA晶体水平旋转180°获得的X射线衍射图仍然是一样的。引导学生将自己的平面模型进行翻转，从而找出旋转后衍射图仍然一样的可能原因：两条链是反向的，揭示反向平行的科学描述，一条链是5′→3′，另一条链是3′→5′。

学生活动：上台展示的两个学生将构建的模型水平旋转180°，比较翻转前后的模型外观是否一致。通过小组讨论两条链的方向：反向平行。然后各小组修正自己的DNA模型，并展示。

设计意图：激发学生的思维，培养学生根据资料获取信息，基于实证修正模型的能力。让学生明白，科学研究的道路，困难重重，任何一项发现都不是一蹴而就的，需要脚踏实地、坚持不懈的科学态度。

8.确定DNA分子的空间结构

教师行为：PPT展示DNA的X射线衍射图，再将两个弹簧放置在一起，现场用激光笔照射弹簧形成一个衍射图（图4），供学生与DNA衍射图谱对比分析，推断出DNA的空间结构是双螺旋。分析完成后，教师图片展示DNA的平面结构模式图，以及沃森、克里克最终用金属材料搭建的DNA双螺旋结构立体模型。

图4 弹簧的激光衍射图

学生活动：比较科学家所做的DNA的X光衍射图，与现场所做的弹簧的激光衍射图，推测它们在结构上的相似之处——双螺旋结构。

设计意图：通过对比弹簧的激光衍射图与DNA的X光衍射图，推测DNA的空间结构。并将自己的模型成果优化为双螺旋。

9.解读DNA的多样性和特异性

教师行为：引导各组学生和周围小组比较彼此模型中碱基序列的差异。并提问——DNA的遗传信息是什么？为什么可以用DNA、指纹技术来确认案件的真凶？

学生活动：比较自己组所做模型和周围组的区别（图5），体会DNA具有多样性和特异性的特点，同时体会DNA的遗传信息就是碱基对的排列顺序。每个人的DNA序列都不完全一样，所以可以用作刑侦案件的证据。

图5 学生构建的两种序列

设计意图：对模型内涵进行观察思考，从结构上论证DNA的多样性和特异性，进一步引导学生体会结构决定功能的思想。让学生了解到DNA的多样性和特异性在生物个体层面的表现，引导学生关注DNA检测技术在实际生活中的应用。

（五）任务四：归纳总结DNA分子的结构

教师行为：提出问题——DNA的结构有哪些特点呢？引导学生对DNA的结构特点进行总结。

学生活动：小组讨论总结，并派代表回答。

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形成碱基对，且遵循碱基互补配对原则。

设计意图：通过了DNA结构模型的构建，学生对DNA的结构有了一定的印象，鼓励学生归纳总结，一方面，将散乱的知识整理为成体系的知识；另一方面，培养学生的归纳总结能力及交流表达能力。

（六）任务五：构建RNA分子结构模型

教师行为：所有细胞生物和部分病毒的遗传物质是DNA。但某些病毒，如HIV、烟草花叶病毒、新冠病毒、流感病毒等遗传物质是RNA。并提问——RNA的结构是什么？在结构和组成上和DNA有哪些异同？谁的结构会更稳定？谁更容易发生变异？它又如何存储遗传信息呢？

学生活动：自主完成教材13页内容，类比DNA的结构回答问题——RNA通常是单链，有些区域也可形成双链；RNA的五碳糖是核糖，构成RNA的碱基是A、U、G、C，没有T，和A配对的碱基是U；DNA比RNA分子结构更加稳定；所以RNA病毒更容易变异；RNA的遗传信息是由核糖核苷酸的排列顺序编码。回答完成后，构建出RNA的平面模型。

设计意图：通过构建RNA分子结构模型，培养学生掌握RNA结构特点的同时，学会用已有知识类比学习新知识的能力。通过对比两种核酸的稳定性，让学生明白新冠病毒等RNA病毒变异性强的原因，鼓励学生用已学知识解释现实生活中的现象，从而培养学生关心医疗、健康等方面的社会责任感。

四、教学反思

教师应当注意的是，模型建构的过程环节较多，课堂教学中要注意时间的把控，需要课前精选基本材料（包括信息），确保教学时效。