生态课堂背景下质疑和释疑

张小明

摘 要 课堂是师生共同生长的平台，关注课堂生态，让学生的学习在生态课堂中自然发生，从兴趣出发，在探索中提升，这个过程既需要教师的引领，也为教师的课堂设计提供更多空间。

关键词 生态课堂 建构DNA结构 模型修正

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

生态平衡与和谐是当今社会热议主题之一。而教育也应顺着自然——也就是顺学生天性而为。生态课堂就是基于这样的理念，倡导让学生在自由发展的空间中热情洋溢地学习，让学生在自主的思考中发挥创新的品质。“DNA的结构”一节课可设计为物理模型的建构课，在学习过程中，教师贯穿沃森和克里克研究的科学史，引导学生尝试着去建构DNA的结构。学生在想象中创新，在质疑中接近DNA结构的“庐山真面目”，并总结出基于结构的规律。

1 教学目标

（1） 概述DNA分子结构的主要特点。

（2） 制作DNA分子双螺旋结构模型。

（3） 在模型建构中分享思维方法。

2 教学重点和难点

2.1 教学重点

（1） DNA分子结构的主要特点。

（2） 制作DNA分子双螺旋结构模型。

2.2 教学难点

DNA分子结构的主要特点。

3 教学方法

科学史学习和模型建构。

4 材料准备

准备表1中的材料：代表脱氧核糖、磷酸、碱基的磁贴各一个，其中嘌呤（双环）、嘧啶（单环）各一个，代表化学键的磁贴若干，脱氧核苷酸若干，连接好的脱氧核苷酸链2或3个。学生分组用具：脱氧核苷酸纸片模型，每组3个，作为化学键的贴纸若干。

5 教学过程

师：科学家通过一系列的实验证明了DNA是主要的遗传物质。遗传物质应该具有稳定的结构，存储大量遗传信息的功能。这些功能的发挥应该和它的结构相关。今天我们就来通过科学家的历程，学习DNA的结构。

5.1 学生开始活动1：掌握DNA的基本组成单位脱氧核苷酸的结构

师：DNA的基本组成单位是脱氧核苷酸。请利用黑板上贴出表示脱氧核糖、碱基和磷酸的磁贴。摆一摆脱氧核苷酸的结构。

教师指导学生活动：请同学从工具包中取出脱氧核苷酸纸片模型。每个人随机选取一个脱氧核苷酸，用铅笔标明五个碳原子的位置，并且命名随机选取的碱基（单环碱基代表嘧啶，命名为C或者T，双环碱基代表嘌呤，命名为A或者G）。

教师巡视、指导学生正确操作，并请两位学生代表展示并命名所拿的脱氧核苷酸。

5.2 学生开展活动2：构建脱氧核苷酸链

教师设疑：现在我们手上拿的是脱氧核苷酸的模型，它是构成DNA分子的基本组成单位。这些小的单位怎样连接形成链状的大分子DNA呢？

教师提出类比资料：碱基对于脱氧核苷酸相当于R基对于氨基酸。氨基酸脱水形成多肽的连接方式告诉我们：小分子之间通过单调且重复的方式连接形成长链。那么这对于脱氧核苷酸形成长链有何启发呢？请两人一组，利用脱氧核苷酸的纸片模型去试一试，脱氧核苷酸小分子怎样连接，可以形成长链。

教师任凭学生用脱氧核苷酸模型进行拼接，此活动目的并非是学生能够立即拼对，而在于学生通过自己的思考，能利用单调的脱氧核苷酸分子进行反复尝试。

教师给出科学事实：每一个核苷酸的糖基团（3号碳）以化学方式与另一个核苷酸的磷酸连接在一起，形成糖——磷酸骨架，这个骨架决定了DNA分子的长度。

学生尝试将多个脱氧核苷酸连接成长链。

教师请学生用磁贴在黑板上展示拼接的模型，检验是否满足“每一个核苷酸的糖基团（3号碳）以化学方式与另一个核苷酸的磷酸连接在一起”。并要求每个小组修正有三个脱氧核苷酸长度的单条链模型。

5.3 学生开展活动3：构建脱氧核苷酸双链的连接方式

教师设疑：我们得到的模型是一条脱氧核苷酸链的片段。DNA分子是一条链吗？当时的科学家通过DNA分子的衍射照片，发现DNA分子不是一条链，沃森和克里克曾经尝试了三条链的搭建，发现和实际DNA的衍射照片有出入。此时，两位年轻好学的科学家去拜访了威尔基斯，从威尔金斯那里获知科学史实：从DNA晶体结构的资料来看，X射线无法排除双股模型的可能性，DNA结构的螺旋具有周期性，DNA是长链的多聚体，直径恒定不变。从资料中可以看出，DNA更有可能是2条链的结构。

学生尝试连接2条脱氧核苷酸链。

教师布置任务：请尝试在桌上用模型摆一摆两条脱氧核苷酸链的空间链接方式。

学生首先构建了一条脱氧核苷酸链，然后尝试摆出自己觉得合适的DNA双链平面图。

教师观察学生的拼接方式，可能有碱基对碱基的，有磷酸对磷酸的，也有碱基对磷酸的。教师分别选出代表小组将拼接作品展示在黑板上。

教师提供科学事实：碱基是疏水性的，而磷酸是亲水性的。

学生思考：哪种拼接方式更能满足碱基疏水、磷酸亲水的特点？尝试修正脱氧核苷酸链连接的模型，留下碱基对碱基的平面图。

教师提供科学资料：英国化学家富兰克林在1952年就认为，糖-磷酸骨架位于外侧。并要求每个学习小组修正模型。

教师提出问题：从模型可以直观看出，两条链之间的堿基距离不一致。有的正好连接在一起，有的碱基之间有点空隙。怎样解决“直径恒定不变”这个问题呢？

教师展示碱基和嘌呤一一对应的DNA平面图，包括嘌呤、嘌呤配对的以及嘧啶、嘧啶配对的图，让学生进行观察比较。学生讨论后，教师引导学生得出只有嘌呤和嘧啶配对才能保证DNA的直径恒定不变。

教师给出阅读材料（表1）——DNA样本中每种碱基的百分数。

教师提供科学事实：1951年，查哥夫研究DNA的碱基组成时，曾得出结论DNA中，A=T，C=G。所以在DNA分子中，更有可能是A和T、C和G配对。修正模型中DNA的碱基配对的结构，得到DNA的平面模型，2条链反向，非常规则的平面结构，双链直径保持不变。要求学生利用磁贴在黑板上修正DNA的平面模型。

5.4 学生开展活动4：尝试建构DNA的塑料模型，总结DNA的结构特点，了解DNA分子储存遗传信息的方式

学生每四人组成1个小组，合作拼接DNA模型，从拼接的模型中尝试理解DNA的结构。教师巡视、发现学生拼接过程中的普遍问题，待模型拼接成功后讨论。

模型拼接成功后，借助模型，每小组通过比较得出DNA分子的结构特点：① 两条链反向平行；② 外侧是磷酸——脱氧核糖交替连接，构成基本骨架，以保证DNA分子结构具有一定的稳定性；③ 内侧通过碱基互补配对形成氢键进行连接。

教师借助学生手中的模型，用10个碱基对长度的DNA分子右旋一个周期形成螺旋结构。每组学生手中的DNA分子具有统一的双螺旋结构，不一样的部分是内侧的碱基对，教师请4个小组把自己拼接的DNA碱基对写在黑板上。

教师提问：写出来的碱基对是随机的，几乎没有相同的。这样的拼接方式有多少种呢？学生讨论得出得出有4n种拼接方式的重要结论（n表示碱基的对数）。

师：DNA碱基对的排列顺序蕴藏了生物的遗传信息，而DNA分子碱基的对数成千上万，所以排列顺序也很多，从而得出DNA分子具有特异性和多样性的结论。

6 课后反思

本节课建构了DNA分子物理模型，和以往的模型拼接相比，本节课更注重学生自主地逐步探索和发现过程。在生态学习中，学生了解DNA模型的发现史，结合科学事实用发展性思维进行了模型修正，在自我实践中顺其自然地拼接出DNA的结构模型，并结合模型掌握了DNA的结构特点。学生在研究中学习，在学习中发现问题，继续研究。

（1） 本节课设计了适合学生思维的模型。传统教学中，教师一般会使用DNA塑料模型。DNA塑料模型可以方便学生快速地拼出DNA模型，但是模型本身的缺陷让学生的探索过程变成了简单的搭建，不利于思维的延展。本节课所使用的纸片能进行拼接设计，可提升学生的思维能力。由简到难，逐步认知，让学生从认识脱氧核苷酸入手，到连接形成脱氧核苷酸链，进而研究双链的连接方式，最后得出碱基的科学配对。操作实践中，学生发现问题，在科学史料的启发下解决问题，并逐步加深思维，向着DNA双螺旋的结构迈进。简单的纸片模型成了学生思维延展的载体，DNA的结构一点点鲜活地呈现出来。

（2） 让学生的活动成为发现的源泉。结合科学事实，学生动手钻研了DNA的结构以后，纸质模型已经不能满足学生对DNA立体模型的把握，此时，教师换用塑料立体模型，一方面，利于学生巩固所学的关于DNA模型建构的新知识；另一方面，学生对照自己拼接出来的立体模型，能够得出DNA的结构特点。首先，每个小组拼接出的DNA都是反向平行的双链结构。外侧都是脱氧核糖和磷酸交替连接形成的基本骨架，内侧都是通过氢键相连形成的碱基对，所以DNA具有稳定性。其次，每组学生对照手中的模型，看一看、写一写碱基的排列序列，通过比较发现碱基的配对方式相同，而碱基对的排列顺序不同，从而得出DNA分子的特异性和多样性。最后，教师引导学生将每小组的DNA片段进行拼接，形成长链，通过10个碱基对为1个周期的螺旋，让学生对DNA的空间结构有更多的直观认识。学生在活动中“水到渠成”地发现DNA结构特点。学生对结构的探索过程也成为学生得出DNA结构特点的建构过程。

（3） 学生在观察中学会优化自我学习。本节课需要学生自己用脑动手，但是由于学生实践能力的不同，搭建的模型美观程度甚至科学性具有差异。在第一次交流之后，学生能借助好的模型修正自己模型，这也体现了学生在课堂中的生态生长过程。例如，活动2结束后，如果学生不修正自己的脱氧核苷酸单链的模型，就无法发现活动3中堿基配对的奥秘。

生态课堂是师生共同生长的平台，师生的思维在循环的碰撞中螺旋上升。学生带得走的是思维方法，而不是沉重的书包。在对DNA结构探索的过程中，不断的“破”和“立”，也让学生思维到达了可延展的空间，学生在生物课堂中才有蓬勃的生命力和无限的创造力。