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摘要
阐述了教师如何成功地将沃森、克里克建立DNA双螺旋结构模型的研究过程转化为学生边分析资料边构建模型的学习过程。
关键词 DNA结构 构建模型 教学案例
中图分类号 G633.91
文献标识码 B
1背景
为推进并深化高中生物的教学改革，北京区教研中心在平谷四中举办了“新课程背景下的引导探究式教学研究”现场会。教学内容为人教版必修模块二第三章的第二节。
2主题
探讨在新课程背景下的课堂教学如何加强教师在探究教学中的引导，促使学生进行有效的探究式学习活动。
3教学方式
任务驱动式、引导探究式。
4教与学过程
4.1教学环节一：创设问题情景，引入课题
师：通过上节课的学习，我们已经知道DNA是生物的遗传物质，而且它能够自我复制、控制生物性状。结构与功能是相适应的，那么DNA具有什么样的结构呢?从20世纪40年代到50年代初，几个美国和欧洲的研究小组既协作又竞争地对比进行了研究。今天我们将重温当年科学家建立DNA双螺旋结构模型这一段艰难与充满智慧的过程。(此环节意在激发学生探究的欲望)
4.2教学环节二：引导探究DNA模型建立过程，并尝试构建模型
此环节是引导学生模仿科学家探究建立DNA结构模型的过程，感悟DNA分子结构构建过程中的科学探索精神和思维方法，鼓励学生大胆想象，培养学生创新思维能力，同时通过合作探究，培养学生团结协作精神。
教师展示资料1：在沃森和克里克研究之前，科学界对DNA的认识：DNA分子是以4种脱氧核苷酸为单位连接而成的长链。
教师引导学生回忆学过的DNA的相关知识：①组成DNA的基本元素?②DNA的基本组成单位名称及种类?③脱氧核苷酸由哪几部分构成?
生回答：①c、H、O、N、P；②脱氧核苷酸：4种，分别是腺嘌呤(鸟嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶)脱氧核苷酸；③一分子碱基、一分子磷酸、一分子脱氧核糖。
教师简介信封中的用不干胶剪成的碱基、磷酸、脱氧核糖模型，并布置任务：构建四种脱氧核苷酸模型(此环节是构建多脱氧核苷酸链的基础)。
两名学生在黑板上粘贴构建。其余分组在学案上粘贴构建。
师巡视：发现有的学生磷酸或碱基连接部位不对：有的把碱基连到了脱氧核糖的2号位，有的把磷酸连到了3号位。教师在黑板上画出脱氧核糖的结构简式，引导学生评价，强调碱基应连在1号位，磷酸应连在5号位(利用生成资源为顺利构建模型做好铺垫，也为学习基因工程打下基础)。
师设疑：这些脱氧核苷酸怎样连接成多脱氧核苷酸长链?布置任务：构建多脱氧核苷酸长链模型。
两名学生在黑板上用不干胶尝试连接。其余学生分组在学案上用线段连接。有的小组连接正确，有的小组连接错误。
各小组展示自己的成果，并相互比较评价。
教师展示资料2：1952年，有机化学家证明：将DNA的脱氧核苷酸结合在一起的是3’—5’的磷酸二脂键。错误的小组动手纠正错误连接。
师设疑：平面的单链的脱氧核苷酸长链没有DNA的功能，那么脱氧核苷酸长链会形成怎样的空间结构?基于这种认识，有多名科学家开始研究DNA的空间结构。他们在不同的实验室研究着同一个问题。沃森和克里克就是其中一对合作者。如果你就是当年的科学家，根据DNA的功能，推测一下DNA具有怎样的空间结构?
生大胆推测：螺旋结构。
师：科学研究需要技术的支持，不只是创新想象。在沃森和克里克冥思苦想而不得其解时，沃森看到了富兰克林拍摄的DNA的x射线衍射图，顿时感觉柳暗花明。
教师展示资料3：富兰克林拍摄的DNA的x射线衍射图。简介威尔金斯、富兰克林及x衍射技术。沃森和克里克依据弗兰克林拍摄的DNA的x射线衍射图谱推测：DNA应该是规则的螺旋结构，而且应该是双链或三链螺旋结构。三链螺旋结构很快被否定。继续构建DNA双链螺旋结构模型。
教师设疑：如果是双链构成，双链如何排列呢?并布置任务：用不干胶摆放DNA双链的排布(DNA平面模型)。
两名学生在黑板上用不干胶尝试排布。其余学生分组在学案上用不干胶尝试排布。
各学习小组展示自己的成果，并相互比较评价。
师生评价归纳：DNA结构中两条链可能的排列情况有两种：一是碱基排列在外侧；一是碱基排列在内侧。碱基配对方式有：同配方案A与A、T与T、G与G、C与C，异配方案A与T、c、G分别配对、T与c、G分别配对、c与G配对。
师：用幻灯片展示碱基排列在外侧图片，并简介两位科学家按着这种方式构建的模型与DNA的x射线衍射图数据不符而失败，在失败面前毫不气馁，继续研究。
师设疑：碱基排列在内侧的情况，需要解决的最关键问题是什么?
生：碱基到底怎样配对?
师讲述：沃森和克里克的研究陷入了低谷，这时，化学家查哥夫访问了剑桥大学，带来了振奋人心的研究成果。
教师展示资料4：1952年春天，奥地利的著名生物化学家查哥夫访问了剑桥大学，沃森和克里克从他那里得到了一个重要的信息：A的量等于T的量；G的量等于c的量。
师引导学生分析：依据这个事实，判断4种碱基如何配对?
学生讨论分析后得出结论：A与T配对；G与c配对。
师布置任务：修改你们构建的平面结构模型。
生：两名学生在黑板上修改，其余分组在学案上修改。师巡视。
师：两条链的方向如何?
生：反向。
师：为什么会反向?
生：因为要保证碱基在内侧进行配对。
师：展示合理的碱基连接方式。这说明在平面结构的基础上进行规则的旋转，就是沃森和克里克成功建构的DNA双螺旋结构模型。构建模型方法是科学研究中的一个重要方法。播放DNA双螺旋结构的动画，展示模型。并说明：经验证，沃森和克里克建立的DNA的双螺旋结构模型与衍射图相符，并能解释DNA的多种功能。因此此模型一提出，便得到了科学界的认可，并由此而引发了一场蔚为壮观的生命科学和生物技术领域的重大革命。沃森、克里克和威尔金斯也因此荣获1962年诺贝尔医学生理学奖。
4.3教学环节三：导引学生概述DNA双螺旋结构的主要特点
课外活动小组的学生展示在课下用纸板、铁丝等材料制作的DNA双螺旋模型。
师演示DNA双螺旋结构实物模型，引导学生从整体、外侧、内侧逐步观察，要求学生用规范的生物学术语概述DNA分子结构的主要特点。
学生观察后概述DNA分子结构的3个主要特点。
针对学生回答过程中出现的问题，教师及时点拨、纠正。
4.4教学环节四：师生共同总结
师生总结得出：DNA分子的结构层次：5种元素、4种基本单位、3种化学成分组成、2条多脱氧核苷酸链、1个双螺旋。
5研讨与点评
该教学案例的教学过程以沃森、克里克建立DNA双螺旋结构模型的过程为主线，通过对科学史材料进行精心地选择和组织，成功地将沃森、克里克建立DNA双螺旋结构模型的研究过程转化为学生边分析资料边构建模型的学习过程，学生通过亲身体验制作模型，不仅加深和强化了对DNA分子结构的认识和理解，同时也领悟了建立模型的科学方法及其在科学研究中的作用。
学生在尝试构建模型的过程中，加强了师生之间、生生之间的交流、合作，并通过这种交流发现问题、解决问题(如碱基、磷酸在脱氧核糖上的连接部位，两条链如何反向平行等)，有效地促进了知识和能力目标的达成。通过交流、探讨和观察等活动，也有效地促进了情感目标的达成。
阐述了教师如何成功地将沃森、克里克建立DNA双螺旋结构模型的研究过程转化为学生边分析资料边构建模型的学习过程。
关键词 DNA结构 构建模型 教学案例
中图分类号 G633.91
文献标识码 B
1背景
为推进并深化高中生物的教学改革，北京区教研中心在平谷四中举办了“新课程背景下的引导探究式教学研究”现场会。教学内容为人教版必修模块二第三章的第二节。
2主题
探讨在新课程背景下的课堂教学如何加强教师在探究教学中的引导，促使学生进行有效的探究式学习活动。
3教学方式
任务驱动式、引导探究式。
4教与学过程
4.1教学环节一：创设问题情景，引入课题
师：通过上节课的学习，我们已经知道DNA是生物的遗传物质，而且它能够自我复制、控制生物性状。结构与功能是相适应的，那么DNA具有什么样的结构呢?从20世纪40年代到50年代初，几个美国和欧洲的研究小组既协作又竞争地对比进行了研究。今天我们将重温当年科学家建立DNA双螺旋结构模型这一段艰难与充满智慧的过程。(此环节意在激发学生探究的欲望)
4.2教学环节二：引导探究DNA模型建立过程，并尝试构建模型
此环节是引导学生模仿科学家探究建立DNA结构模型的过程，感悟DNA分子结构构建过程中的科学探索精神和思维方法，鼓励学生大胆想象，培养学生创新思维能力，同时通过合作探究，培养学生团结协作精神。
教师展示资料1：在沃森和克里克研究之前，科学界对DNA的认识：DNA分子是以4种脱氧核苷酸为单位连接而成的长链。
教师引导学生回忆学过的DNA的相关知识：①组成DNA的基本元素?②DNA的基本组成单位名称及种类?③脱氧核苷酸由哪几部分构成?
生回答：①c、H、O、N、P；②脱氧核苷酸：4种，分别是腺嘌呤(鸟嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶)脱氧核苷酸；③一分子碱基、一分子磷酸、一分子脱氧核糖。
教师简介信封中的用不干胶剪成的碱基、磷酸、脱氧核糖模型，并布置任务：构建四种脱氧核苷酸模型(此环节是构建多脱氧核苷酸链的基础)。
两名学生在黑板上粘贴构建。其余分组在学案上粘贴构建。
师巡视：发现有的学生磷酸或碱基连接部位不对：有的把碱基连到了脱氧核糖的2号位，有的把磷酸连到了3号位。教师在黑板上画出脱氧核糖的结构简式，引导学生评价，强调碱基应连在1号位，磷酸应连在5号位(利用生成资源为顺利构建模型做好铺垫，也为学习基因工程打下基础)。
师设疑：这些脱氧核苷酸怎样连接成多脱氧核苷酸长链?布置任务：构建多脱氧核苷酸长链模型。
两名学生在黑板上用不干胶尝试连接。其余学生分组在学案上用线段连接。有的小组连接正确，有的小组连接错误。
各小组展示自己的成果，并相互比较评价。
教师展示资料2：1952年，有机化学家证明：将DNA的脱氧核苷酸结合在一起的是3’—5’的磷酸二脂键。错误的小组动手纠正错误连接。
师设疑：平面的单链的脱氧核苷酸长链没有DNA的功能，那么脱氧核苷酸长链会形成怎样的空间结构?基于这种认识，有多名科学家开始研究DNA的空间结构。他们在不同的实验室研究着同一个问题。沃森和克里克就是其中一对合作者。如果你就是当年的科学家，根据DNA的功能，推测一下DNA具有怎样的空间结构?
生大胆推测：螺旋结构。
师：科学研究需要技术的支持，不只是创新想象。在沃森和克里克冥思苦想而不得其解时，沃森看到了富兰克林拍摄的DNA的x射线衍射图，顿时感觉柳暗花明。
教师展示资料3：富兰克林拍摄的DNA的x射线衍射图。简介威尔金斯、富兰克林及x衍射技术。沃森和克里克依据弗兰克林拍摄的DNA的x射线衍射图谱推测：DNA应该是规则的螺旋结构，而且应该是双链或三链螺旋结构。三链螺旋结构很快被否定。继续构建DNA双链螺旋结构模型。
教师设疑：如果是双链构成，双链如何排列呢?并布置任务：用不干胶摆放DNA双链的排布(DNA平面模型)。
两名学生在黑板上用不干胶尝试排布。其余学生分组在学案上用不干胶尝试排布。
各学习小组展示自己的成果，并相互比较评价。
师生评价归纳：DNA结构中两条链可能的排列情况有两种：一是碱基排列在外侧；一是碱基排列在内侧。碱基配对方式有：同配方案A与A、T与T、G与G、C与C，异配方案A与T、c、G分别配对、T与c、G分别配对、c与G配对。
师：用幻灯片展示碱基排列在外侧图片，并简介两位科学家按着这种方式构建的模型与DNA的x射线衍射图数据不符而失败，在失败面前毫不气馁，继续研究。
师设疑：碱基排列在内侧的情况，需要解决的最关键问题是什么?
生：碱基到底怎样配对?
师讲述：沃森和克里克的研究陷入了低谷，这时，化学家查哥夫访问了剑桥大学，带来了振奋人心的研究成果。
教师展示资料4：1952年春天，奥地利的著名生物化学家查哥夫访问了剑桥大学，沃森和克里克从他那里得到了一个重要的信息：A的量等于T的量；G的量等于c的量。
师引导学生分析：依据这个事实，判断4种碱基如何配对?
学生讨论分析后得出结论：A与T配对；G与c配对。
师布置任务：修改你们构建的平面结构模型。
生：两名学生在黑板上修改，其余分组在学案上修改。师巡视。
师：两条链的方向如何?
生：反向。
师：为什么会反向?
生：因为要保证碱基在内侧进行配对。
师：展示合理的碱基连接方式。这说明在平面结构的基础上进行规则的旋转，就是沃森和克里克成功建构的DNA双螺旋结构模型。构建模型方法是科学研究中的一个重要方法。播放DNA双螺旋结构的动画，展示模型。并说明：经验证，沃森和克里克建立的DNA的双螺旋结构模型与衍射图相符，并能解释DNA的多种功能。因此此模型一提出，便得到了科学界的认可，并由此而引发了一场蔚为壮观的生命科学和生物技术领域的重大革命。沃森、克里克和威尔金斯也因此荣获1962年诺贝尔医学生理学奖。
4.3教学环节三：导引学生概述DNA双螺旋结构的主要特点
课外活动小组的学生展示在课下用纸板、铁丝等材料制作的DNA双螺旋模型。
师演示DNA双螺旋结构实物模型，引导学生从整体、外侧、内侧逐步观察，要求学生用规范的生物学术语概述DNA分子结构的主要特点。
学生观察后概述DNA分子结构的3个主要特点。
针对学生回答过程中出现的问题，教师及时点拨、纠正。
4.4教学环节四：师生共同总结
师生总结得出：DNA分子的结构层次：5种元素、4种基本单位、3种化学成分组成、2条多脱氧核苷酸链、1个双螺旋。
5研讨与点评
该教学案例的教学过程以沃森、克里克建立DNA双螺旋结构模型的过程为主线，通过对科学史材料进行精心地选择和组织，成功地将沃森、克里克建立DNA双螺旋结构模型的研究过程转化为学生边分析资料边构建模型的学习过程，学生通过亲身体验制作模型，不仅加深和强化了对DNA分子结构的认识和理解，同时也领悟了建立模型的科学方法及其在科学研究中的作用。
学生在尝试构建模型的过程中，加强了师生之间、生生之间的交流、合作，并通过这种交流发现问题、解决问题(如碱基、磷酸在脱氧核糖上的连接部位，两条链如何反向平行等)，有效地促进了知识和能力目标的达成。通过交流、探讨和观察等活动，也有效地促进了情感目标的达成。