生態課堂背景下質疑和釋疑

張小明

摘 要 課堂是師生共同生長的平臺，關注課堂生態，讓學生的學習在生態課堂中自然發生，從興趣出發，在探索中提升，這個過程既需要教師的引領，也為教師的課堂設計提供更多空間。

關鍵詞 生態課堂 建構DNA結構 模型修正

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

生態平衡與和諧是當今社會熱議主題之一。而教育也應順著自然——也就是順學生天性而為。生態課堂就是基于這樣的理念，倡導讓學生在自由發展的空間中熱情洋溢地學習，讓學生在自主的思考中發揮創新的品質?！癉NA的結構”一節課可設計為物理模型的建構課，在學習過程中，教師貫穿沃森和克里克研究的科學史，引導學生嘗試著去建構DNA的結構。學生在想象中創新，在質疑中接近DNA結構的“廬山真面目”，并總結出基于結構的規律。

1 教學目標

（1） 概述DNA分子結構的主要特點。

（2） 制作DNA分子雙螺旋結構模型。

（3） 在模型建構中分享思維方法。

2 教學重點和難點

2.1 教學重點

（1） DNA分子結構的主要特點。

（2） 制作DNA分子雙螺旋結構模型。

2.2 教學難點

DNA分子結構的主要特點。

3 教學方法

科學史學習和模型建構。

4 材料準備

準備表1中的材料：代表脫氧核糖、磷酸、堿基的磁貼各一個，其中嘌呤（雙環）、嘧啶（單環）各一個，代表化學鍵的磁貼若干，脫氧核苷酸若干，連接好的脫氧核苷酸鏈2或3個。學生分組用具：脫氧核苷酸紙片模型，每組3個，作為化學鍵的貼紙若干。

5 教學過程

師：科學家通過一系列的實驗證明了DNA是主要的遺傳物質。遺傳物質應該具有穩定的結構，存儲大量遺傳信息的功能。這些功能的發揮應該和它的結構相關。今天我們就來通過科學家的歷程，學習DNA的結構。

5.1 學生開始活動1：掌握DNA的基本組成單位脫氧核苷酸的結構

師：DNA的基本組成單位是脫氧核苷酸。請利用黑板上貼出表示脫氧核糖、堿基和磷酸的磁貼。擺一擺脫氧核苷酸的結構。

教師指導學生活動：請同學從工具包中取出脫氧核苷酸紙片模型。每個人隨機選取一個脫氧核苷酸，用鉛筆標明五個碳原子的位置，并且命名隨機選取的堿基（單環堿基代表嘧啶，命名為C或者T，雙環堿基代表嘌呤，命名為A或者G）。

教師巡視、指導學生正確操作，并請兩位學生代表展示并命名所拿的脫氧核苷酸。

5.2 學生開展活動2：構建脫氧核苷酸鏈

教師設疑：現在我們手上拿的是脫氧核苷酸的模型，它是構成DNA分子的基本組成單位。這些小的單位怎樣連接形成鏈狀的大分子DNA呢？

教師提出類比資料：堿基對于脫氧核苷酸相當于R基對于氨基酸。氨基酸脫水形成多肽的連接方式告訴我們：小分子之間通過單調且重復的方式連接形成長鏈。那么這對于脫氧核苷酸形成長鏈有何啟發呢？請兩人一組，利用脫氧核苷酸的紙片模型去試一試，脫氧核苷酸小分子怎樣連接，可以形成長鏈。

教師任憑學生用脫氧核苷酸模型進行拼接，此活動目的并非是學生能夠立即拼對，而在于學生通過自己的思考，能利用單調的脫氧核苷酸分子進行反復嘗試。

教師給出科學事實：每一個核苷酸的糖基團（3號碳）以化學方式與另一個核苷酸的磷酸連接在一起，形成糖——磷酸骨架，這個骨架決定了DNA分子的長度。

學生嘗試將多個脫氧核苷酸連接成長鏈。

教師請學生用磁貼在黑板上展示拼接的模型，檢驗是否滿足“每一個核苷酸的糖基團（3號碳）以化學方式與另一個核苷酸的磷酸連接在一起”。并要求每個小組修正有三個脫氧核苷酸長度的單條鏈模型。

5.3 學生開展活動3：構建脫氧核苷酸雙鏈的連接方式

教師設疑：我們得到的模型是一條脫氧核苷酸鏈的片段。DNA分子是一條鏈嗎？當時的科學家通過DNA分子的衍射照片，發現DNA分子不是一條鏈，沃森和克里克曾經嘗試了三條鏈的搭建，發現和實際DNA的衍射照片有出入。此時，兩位年輕好學的科學家去拜訪了威爾基斯，從威爾金斯那里獲知科學史實：從DNA晶體結構的資料來看，X射線無法排除雙股模型的可能性，DNA結構的螺旋具有周期性，DNA是長鏈的多聚體，直徑恒定不變。從資料中可以看出，DNA更有可能是2條鏈的結構。

學生嘗試連接2條脫氧核苷酸鏈。

教師布置任務：請嘗試在桌上用模型擺一擺兩條脫氧核苷酸鏈的空間鏈接方式。

學生首先構建了一條脫氧核苷酸鏈，然后嘗試擺出自己覺得合適的DNA雙鏈平面圖。

教師觀察學生的拼接方式，可能有堿基對堿基的，有磷酸對磷酸的，也有堿基對磷酸的。教師分別選出代表小組將拼接作品展示在黑板上。

教師提供科學事實：堿基是疏水性的，而磷酸是親水性的。

學生思考：哪種拼接方式更能滿足堿基疏水、磷酸親水的特點？嘗試修正脫氧核苷酸鏈連接的模型，留下堿基對堿基的平面圖。

教師提供科學資料：英國化學家富蘭克林在1952年就認為，糖-磷酸骨架位于外側。并要求每個學習小組修正模型。

教師提出問題：從模型可以直觀看出，兩條鏈之間的堿基距離不一致。有的正好連接在一起，有的堿基之間有點空隙。怎樣解決“直徑恒定不變”這個問題呢？

教師展示堿基和嘌呤一一對應的DNA平面圖，包括嘌呤、嘌呤配對的以及嘧啶、嘧啶配對的圖，讓學生進行觀察比較。學生討論后，教師引導學生得出只有嘌呤和嘧啶配對才能保證DNA的直徑恒定不變。

教師給出閱讀材料（表1）——DNA樣本中每種堿基的百分數。

教師提供科學事實：1951年，查哥夫研究DNA的堿基組成時，曾得出結論DNA中，A=T，C=G。所以在DNA分子中，更有可能是A和T、C和G配對。修正模型中DNA的堿基配對的結構，得到DNA的平面模型，2條鏈反向，非常規則的平面結構，雙鏈直徑保持不變。要求學生利用磁貼在黑板上修正DNA的平面模型。

5.4 學生開展活動4：嘗試建構DNA的塑料模型，總結DNA的結構特點，了解DNA分子儲存遺傳信息的方式

學生每四人組成1個小組，合作拼接DNA模型，從拼接的模型中嘗試理解DNA的結構。教師巡視、發現學生拼接過程中的普遍問題，待模型拼接成功后討論。

模型拼接成功后，借助模型，每小組通過比較得出DNA分子的結構特點：① 兩條鏈反向平行；② 外側是磷酸——脫氧核糖交替連接，構成基本骨架，以保證DNA分子結構具有一定的穩定性；③ 內側通過堿基互補配對形成氫鍵進行連接。

教師借助學生手中的模型，用10個堿基對長度的DNA分子右旋一個周期形成螺旋結構。每組學生手中的DNA分子具有統一的雙螺旋結構，不一樣的部分是內側的堿基對，教師請4個小組把自己拼接的DNA堿基對寫在黑板上。

教師提問：寫出來的堿基對是隨機的，幾乎沒有相同的。這樣的拼接方式有多少種呢？學生討論得出得出有4n種拼接方式的重要結論（n表示堿基的對數）。

師：DNA堿基對的排列順序蘊藏了生物的遺傳信息，而DNA分子堿基的對數成千上萬，所以排列順序也很多，從而得出DNA分子具有特異性和多樣性的結論。

6 課后反思

本節課建構了DNA分子物理模型，和以往的模型拼接相比，本節課更注重學生自主地逐步探索和發現過程。在生態學習中，學生了解DNA模型的發現史，結合科學事實用發展性思維進行了模型修正，在自我實踐中順其自然地拼接出DNA的結構模型，并結合模型掌握了DNA的結構特點。學生在研究中學習，在學習中發現問題，繼續研究。

（1） 本節課設計了適合學生思維的模型。傳統教學中，教師一般會使用DNA塑料模型。DNA塑料模型可以方便學生快速地拼出DNA模型，但是模型本身的缺陷讓學生的探索過程變成了簡單的搭建，不利于思維的延展。本節課所使用的紙片能進行拼接設計，可提升學生的思維能力。由簡到難，逐步認知，讓學生從認識脫氧核苷酸入手，到連接形成脫氧核苷酸鏈，進而研究雙鏈的連接方式，最后得出堿基的科學配對。操作實踐中，學生發現問題，在科學史料的啟發下解決問題，并逐步加深思維，向著DNA雙螺旋的結構邁進。簡單的紙片模型成了學生思維延展的載體，DNA的結構一點點鮮活地呈現出來。

（2） 讓學生的活動成為發現的源泉。結合科學事實，學生動手鉆研了DNA的結構以后，紙質模型已經不能滿足學生對DNA立體模型的把握，此時，教師換用塑料立體模型，一方面，利于學生鞏固所學的關于DNA模型建構的新知識；另一方面，學生對照自己拼接出來的立體模型，能夠得出DNA的結構特點。首先，每個小組拼接出的DNA都是反向平行的雙鏈結構。外側都是脫氧核糖和磷酸交替連接形成的基本骨架，內側都是通過氫鍵相連形成的堿基對，所以DNA具有穩定性。其次，每組學生對照手中的模型，看一看、寫一寫堿基的排列序列，通過比較發現堿基的配對方式相同，而堿基對的排列順序不同，從而得出DNA分子的特異性和多樣性。最后，教師引導學生將每小組的DNA片段進行拼接，形成長鏈，通過10個堿基對為1個周期的螺旋，讓學生對DNA的空間結構有更多的直觀認識。學生在活動中“水到渠成”地發現DNA結構特點。學生對結構的探索過程也成為學生得出DNA結構特點的建構過程。

（3） 學生在觀察中學會優化自我學習。本節課需要學生自己用腦動手，但是由于學生實踐能力的不同，搭建的模型美觀程度甚至科學性具有差異。在第一次交流之后，學生能借助好的模型修正自己模型，這也體現了學生在課堂中的生態生長過程。例如，活動2結束后，如果學生不修正自己的脫氧核苷酸單鏈的模型，就無法發現活動3中堿基配對的奧秘。

生態課堂是師生共同生長的平臺，師生的思維在循環的碰撞中螺旋上升。學生帶得走的是思維方法，而不是沉重的書包。在對DNA結構探索的過程中，不斷的“破”和“立”，也讓學生思維到達了可延展的空間，學生在生物課堂中才有蓬勃的生命力和無限的創造力。