DNA分子雙螺旋結構模型的設計和制作

王 靜 （江蘇省徐州市徐州高級中學 江蘇徐州 221000）

DNA分子雙螺旋結構模型的設計和制作

王 靜 （江蘇省徐州市徐州高級中學 江蘇徐州 221000）

《中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)》提出，學生發(fā)展核心素養(yǎng)指學生應具備的，能夠適應終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關鍵能力，是關于學生知識、技能、情感、態(tài)度、價值觀等多方面要求的綜合表現(xiàn)，而從自主發(fā)展（學會學習、健康生活）、文化基礎（人文底蘊、科學精神）、社會參與（責任擔當、實踐創(chuàng)新）等3部分加以培育。在核心素養(yǎng)理念的指引下，筆者在教學過程中逐步嘗試運用各種方法，培育學生的核心素養(yǎng)，教學案例也曾獲得教育部“一師一優(yōu)課、一課一名師”優(yōu)課。現(xiàn)以“設計和制作DNA分子雙螺旋結構模型”一課為例，談談如何在高中生物實驗課上培育學生的核心素養(yǎng)。

1 教學思路

DNA分子的雙螺旋結構是分子學的知識。這部分知識比較抽象，學生較難掌握。本節(jié)課通過讓學生設計和制作DNA分子雙螺旋結構模型，旨在幫助學生理解DNA分子的結構及其特點。因此，教學設計從以下幾方面考慮：

（1）從分子水平了解遺傳物質的結構特點，教師引導學生充分了解DNA分子的基本組成單位和DNA分子結構的主要特點，為設計和制作DNA分子雙螺旋結構模型做好知識鋪墊。

（2）教師要促進學生形成DNA雙螺旋結構的思維空間構象。這樣，學生既有形象直觀的認識，又有抽象的理解，為進一步理解DNA分子如何儲備大量的遺傳信息打下基礎。

（3）實驗過程遵循學生自主學習為主、教師指導為輔的原則，采用了獨立學習與小組學習策略、競爭與合作學習策略。教師課前布置學習任務，學生先自行思考設計和制作DNA分子雙螺旋結構模型的方案；然后教師引導學生充分開展小組合作學習，并以小組為單位在課前準備好制作模型所需要的材料；課上學生進行模型的拼裝、展示和說明，小組之間進行點評。教師在整個過程中給予及時、恰當?shù)闹笇Ш蛶椭?/p>

（4）本實驗注重聯(lián)系學生的生活實際，利用常見且成本較低的材料，充分調動了學生自主學習的積極性，點燃了學生動手操作的熱情。

2 教學目標

知識目標：

通過設計DNA分子雙螺旋結構模型的制作方案，加深對DNA分子結構特點的理解和認識。

過程與技能目標：

通過制作DNA分子雙螺旋結構模型，培養(yǎng)動手操作能力。

情感、態(tài)度與價值觀目標：

交流討論DNA分子雙螺旋結構模型制作過程中需要注意的問題，進一步養(yǎng)成小組合作學習習慣，培養(yǎng)審美能力。

3 教學準備

學生在課前積極思考并充分開展小組合作學習的基礎上，設計制作模型的方案，準備制作模型需要使用的各種材料。

4 教學過程

4.1 學生小組內交流討論設計方案

4.2 每個小組派代表向全班匯報本組的主要設計方案

小組1：我們組選取橡皮泥和回形針作為主要材料來制作DNA分子雙螺旋結構模型，色彩鮮艷，標示明顯。

小組2：我們組選取食物來制作DNA分子雙螺旋結構模型。因為食物獲取方便，成本也很低，有些食物還有特殊顏色，能體現(xiàn)出各個結構，還有一大優(yōu)勢就是剩下的食物還可以吃。

小組3：我們組是用人來做的模型，先保密，一會兒再給大家驚喜！

小組4：我們組思考制作DNA分子雙螺旋結構模型如何能夠創(chuàng)新呢？于是我們想到如果能體現(xiàn)出DNA分子的解旋，將會使大家眼前一亮。我們發(fā)現(xiàn)拉鏈可以體現(xiàn)這一特點，并以此為突破點，用純手工制作模型。

4.3 小組合作制作DNA分子雙螺旋結構模型

4.4 交流展示，自評互評

小組1：我們組用橙色的橡皮泥表示磷酸；用紅色的橡皮泥表示脫氧核糖，而且兩條鏈中放置的方向不同，體現(xiàn)出了平行且反向的特點；用粉色、黃色、紫色和綠色的橡皮泥分別表示A、T、G、C四種堿基（注意遵循堿基互補配對原則）；再用不同顏色的回形針表示出五號碳以及磷酸二酯鍵、氫鍵等。其中要特別注意五號碳的表示以及氫鍵數(shù)量的表示。我們的模型最大的特點就是各個結構表示得非常清楚，并且色彩鮮艷，仿佛帶著大家進入了一個童話般的世界，我們把模型命名為“童話王國”。但是我們的模型的缺點就是只能體現(xiàn)出DNA分子的平面結構，而不能體現(xiàn)出它的立體結構。改進方案：將橡皮泥固定在同一形狀的泡沫板上，并把模型做成雙螺旋結構（圖1）這樣既能看到平面結構，又能看到立體結構。

圖1 小組1的模型示意

小組2：我們組的模型叫“舌尖上的DNA”。我們用大櫻桃表示磷酸；用蘋果刻成五邊形表示脫氧核糖，也注意到了兩條鏈的平行且反向的問題；用西瓜皮刻成A、T、G、C的形狀表示四種堿基（注意遵循堿基互補配對原則），四種堿基的雕刻很不容易，著實費了我們不少功夫；我們用牙簽表示各種化學鍵，比如堿基中間用牙簽表示氫鍵，A和T之間是2個氫鍵，G和C之間是3個氫鍵。我們模型的最大優(yōu)點就是可以吃，但是我們和第一組一樣，也不能體現(xiàn)出DNA分子的立體結構。改進方案:可用彈性較好的塑料棒代替牙簽，將塑料棒兩端做成鉤子，使蘋果等結構不易脫落（圖2）。

圖2 小組2的模型示意

小組3：我們組的模型絕對高大上，它還有一個響亮的名字叫“superman組合”。我們用乒乓球拍表示磷酸；用身上的五邊形卡紙表示脫氧核糖，我們兩排同學一排面向大家，一排背向大家，表示出了DNA分子兩條鏈的平行且反向的特點；我們用胳膊上的長方形卡紙表示A、T、G、C四種堿基（注意遵循堿基互補配對原則）；用卷起來的紙棒表示氫鍵及數(shù)量；用胳膊的彎曲表示出五號碳；用腿表示出磷酸二酯鍵的部分結構。改進方案:找個臺階至少有10級的樓梯，且較陡，這樣既能滿足有10個脫氧核苷酸對，又有助于觀察（圖 3）。

圖3 小組3的模型示意

小組4：請大家看我們的純手工制作的DNA分子雙螺旋結構模型，我們把它命名為“家鄉(xiāng)美”。我們用藍色的扣子表示磷酸；用玫紅色的五邊形布包表示脫氧核糖，我們也注意了平行且反向的問題；用四種不同顏色的長方形布包表示A、T、G、C四種堿基（注意遵循堿基互補配對原則）；用編好的繩子表示五號碳、磷酸二酯鍵等；用粗的水彩筆在拉鏈上畫出氫鍵，當然要特別注意氫鍵的數(shù)目；兩條單鏈上各有一個游離的磷酸。下面請我的兩個助手旋轉一下，展示出DNA分子的立體結構。我們組的創(chuàng)新之處在于，當我們把拉鏈拉開的時候就能夠體現(xiàn)出解旋，實際上DNA分子是邊解旋邊復制的，而且可以從多個點開始，別的組你們能解旋嗎？改進方案：可在雙鏈的上、下輔助2根棍子，用來保持雙鏈的平行，這樣模型就方便旋轉了（圖4）。

圖4 小組4的模型示意

4.5 小結

學生總結DNA分子的結構特征：①DNA分子是由兩條反向平行的脫氧核苷酸長鏈盤旋成雙螺旋結構。②DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連接，排列在外側，構成基本骨架；堿基在內側。③兩條鏈上的堿基通過氫鍵連接成堿基對，且遵循堿基互補配對原則。

5 教后反思

本教學實踐過程中，學生能夠積極開動腦筋，大膽想象，利用所學知識和身邊可以找到的各種材料，設計和制作DNA分子的雙螺旋結構模型，且效果顯著，實驗很成功。教后的主要體會如下。

5.1 設計模型階段培養(yǎng)學生“學會學習”的素養(yǎng)

要想制作出一個出彩的模型，必須首先掌握DNA分子雙螺旋結構的特點。這就要求學生在課前就要學會自主學習，搜集相關資料，設計好制作方案，準備好相關實驗材料。這個階段充分調動了學生自主學習的積極性。

5.2 制作模型階段培養(yǎng)學生“實踐創(chuàng)新”的素養(yǎng)

本實驗注重聯(lián)系學生的生活實際，利用常見且成本較低的材料制作DNA分子雙螺旋結構模型。學生在設計和制作的過程中不斷修改方案，展示成果的過程中還要進行自評和互評，找出優(yōu)缺點，提出改進意見，這個過程點燃了學生動手實踐的熱情，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力。

5.3 整個設計和制作模型的過程中培養(yǎng)學生“科學精神”的素養(yǎng)

整個實驗過程都堅持以科學的態(tài)度討論、設計、制作、評價、改進。制作模型的過程也是一個知識內化的過程。在這樣一個過程中，學生還能夠自己發(fā)現(xiàn)和解決科學問題。比如：

① 學生能夠注意到核苷酸對的數(shù)量問題：DNA分子雙螺旋結構中，一般每轉一圈有10個核苷酸對，雙螺旋總處于能量最低狀態(tài)。若正常的DNA雙螺旋額外多轉或少轉幾圈，使每轉一圈的核苷酸數(shù)目大于或小于10，就會出現(xiàn)雙螺旋立體結構的改變，在DNA分子中產(chǎn)生額外的張力。

② 學生能夠注意到實驗中的旋轉方式應體現(xiàn)右手螺旋：旋轉體現(xiàn)立體結構的時候，為什么右手向右旋，左手向左旋，而不反過來旋轉？一般DNA的二級結構分為兩大類：一類是右手螺旋，如A-DNA和B-DNA，其中B-DNA是最常見的；另一類是左手螺旋，如Z-DNA。

文件編號：1003-7586(2017)10-0078-03

本文為江蘇省中小學教學研究室立項課題“高中生物教學進行生命教育的實踐研究”（課題編號為2015JK11-L058）的研究成果。