基于“体验式学习”的“DNA分子的结构”教学设计

刘晓菊 李玉娜 （河北省卢龙县中学 河北秦皇岛 066400）

体验式学习注重为学习者提供真实或模拟真实的环境，通过设计模拟活动，让学习者通过个人在活动中充分“参与”来获得个人的经验、感受、觉悟，然后进行交流和分享，并通过反思再总结提升为理论成果，最后将理论成果放到实践应用中去检验。体验式教学注重学习者主观能动性的发挥，并使其学习能力得到提升，因而体验式教学在新课改中被广泛应用。而对于生物学这门与实际生产、生活联系紧密的学科，体验式教学更容易使学习者抓住知识的内涵，理解知识的形成过程及运用知识解决实际问题，使知识内化成学习者可把握的“点”和“面”。笔者以“DNA分子的结构”一节课为例，着重实施了引导学生“体验”并“学习”DNA分子的双螺旋结构。

1 教材分析及学情分析

1.1 教材分析

DNA分子的结构是对前面已学习的孟德尔遗传定律和减数分裂知识进一步的深化理解，也是学习整个遗传模块的基础。它与必修1中所学的核酸和细胞的增殖等知识相联系，同时也是学习DNA的复制、基因的表达、基因突变等知识及选修3中基因工程的基础。

1.2 学情分析

学生已经掌握核酸的种类、元素组成及其基本组成单位，认识了有丝分裂、减数分裂和受精作用等生物学基础，掌握了生物的生殖过程、染色体的化学组成等相关知识，懂得DNA是主要的遗传物质，这为新知识的学习奠定了认知基础。

2 教学目标

（1）了解DNA双螺旋结构模型构建的科学史；概述DNA分子结构的主要特点；制作DNA分子双螺旋结构模型，总结DNA分子的特性。

（2）通过动手制作模型，培养观察分析能力、动手能力，结合资料分析DNA双螺旋结构模型的科学性，反思建模过程，体会建模的思想，提高建模能力。

（3）体验科学家建立DNA双螺旋结构模型的艰辛与曲折，体验科学家的坚持不懈、团结合作的精神，形成勇于创新的科学态度与为科学献身的精神。

3 教学过程

3.1 导入激趣

教师展示北京中关村高科技园区的DNA雕塑图片、雅典奥运会上“DNA的灯光秀”经典场景。师生达成共识：DNA分子已经成为现代高科技的标志和象征。

教师继续展示凶杀案图片，并说明：这起凶杀案的案情扑朔迷离，犯罪嫌疑人却提供了不在现场的证据。这时，法医在现场找到了留在被害人指甲中的一些皮肤组织，警方应该如何破案？学生思考后回答：从被害人指甲中的皮肤细胞中提取到DNA，利用DNA鉴定技术协助破案 。

设计意图：通过播放与社会热点相联系的图片，激发学生学习兴趣，促进学生回忆已有生物学相关知识。

3.2 学习“DNA分子规则的双螺旋结构模型”建构的科学史

教师引导学生阅读人教版教材P47-48科学家建构DNA双螺旋结构模型的故事，要求学生：总结每位科学家所做出的贡献，并谈谈你受到的启发。

第1组学生代表回答：威尔金斯和富兰克林的贡献是获得了DNA衍射图谱；查哥夫提供了非常有用的信息：A的数量等于T，C的数量等于G；沃森和克里克构建了“DNA双螺旋结构模型”。我们小组得到启示：科学研究的过程可能是曲折的，最后的成果是建立在前人研究成果之上的，因此科学成果是科学家坚持不懈、团队合作的成果。

设计意图：教师引导学生了解DNA分子模型构建中的关键要点：碱基数目规律（A=T，C=G）。通过设问引导学生树立科研志向，培养学生的团队合作意识，使学生形成勇于创新的科学态度与为科学献身的正确的价值观。

3.3 模型建构，发挥学习者的主观能动性

3.3.1 模型建构1：一个“脱氧核苷酸”

教师引导学生回顾人教版必修1“核酸”有关的内容，组成DNA分子的基本组成单位是什么？是由哪些成分构成？教师提示学生拿出课前分发到每个小组的相关教具（图1），学生以小组为单位活动，用相关教具组装DNA基本组成单位的模型（脱氧核苷酸）。在学生分组制作模型的过程中，教师引导学生认识五碳糖的5个碳原子的位置。

5 min后，第2组学生代表展示模型并讲解分析：DNA分子的基本组成单位是脱氧核苷酸，一分子脱氧核苷酸是由一分子含氮碱基、一分子脱氧核糖、一分子磷酸基团构成。我们组构建了4种脱氧核苷酸模型，字母A代表腺嘌呤，该模型代表“腺嘌呤脱氧核苷酸”，展示模型（图2）。

图1 模型构建所需教具

图2 第2组学生制作“腺嘌呤脱氧核苷酸”模型

设计意图：让学生动手制作并区分4种“脱氧核苷酸模型”，并认识各“元件”所代表的成分，为下一步制作“脱氧核苷酸链”模型做准备。这样可以分散难点，使学生学习循序渐进。

3.3.2 模型建构2：一条“脱氧核苷酸链”

教师继续设问，一条脱氧核苷酸链中脱氧核苷酸之间是在什么部位相互连接的?通过什么化学键连接的?学生分小组活动，用不同颜色的导线作为新形成的化学键，使单个脱氧核苷酸形成脱氧核苷酸长链，第3组学生代表展示模型并做出相应板画（图3）。

第3组学生代表根据板画讲解分析：一个脱氧核苷酸的3′碳原子上的-OH与另一个脱氧核苷酸的磷酸基团通过反应，形成3′5′—磷酸二酯键，使两个“脱氧核苷酸”连接起来，依此类推便可形成脱氧核苷酸长链，并展示模型（图4）。教师对形成3′5′—磷酸二酯键过程进行拓展：一个脱氧核苷酸的3′羟基失去H原子，另一个脱氧核苷酸5′碳原子上的磷酸基失去H、O两个原子，完成脱水缩合形成3′5′—磷酸二酯键。

图3 第3组学生脱氧核苷酸链的板画

图4 第3组学生制作“脱氧核苷酸长链”模型

设计意图：学生通过自己动手制作，演示单个脱氧核苷酸形成脱氧核苷酸长链的过程，就更加清楚脱氧核苷酸长链中与磷酸基团所连的两个化学键中哪个是后形成的磷酸二酯键，哪个是一个“脱氧核苷酸单位”内部的化学键，帮助学生区分容易混淆的知识点。通过模型制作活动中学生的亲自动手操作，结合思考与小组内讨论以及展示活动中生与生之间交流、师生交流的深入，化解了知识难点，训练了学生的科学思维，符合中学生物教学的核心素养提升目标。

3.3.3 模型建构3：DNA分子的平面结构模型

教师继续引导学生分析以下问题：①DNA分子是由两条脱氧核苷酸链构成，这两条链通过什么化学键结合在一起?②空间结构中两链位置关系如何?如何体现出来?然后，教师组织学生分组活动，要求学生用教具制作出另一条链，并把两条链连接起来。教师提示学生可参考人教版教材P51练习里基础题的第1题内容。

几分钟后小组活动完成，第4组学生代表甲在第3组学生所做板画基础之上完成两条脱氧核苷酸链的连接（图5），并着重展示分析碱基互补配对原则、碱基对、氢键等重要概念。

第4组学生代表乙根据板画进行补充分析：DNA分子的两条链位置关系为反向平行（在板画上标出两链的3'端和5'端），中间的“碱基对”以氢键相连，其中A与T配对，G与C配对，A与T之间为两条氢键，图上用两条虚线表示，C与G之间三条氢键，用三条虚线表示。同时展示本小组建构的模型（图6），模型中不同的颜色代表不同的碱基，氢键的条数用导线的条数表示。

图5 第四组同学完成两条脱氧抗苷酸链的连接

图6 “DNA分子平面结构模型”

设计意图：学生通过观察DNA分子结构模式图，制作模型，并在讨论和相互纠错中更能直观地、深刻地理解DNA两条脱氧核苷酸链的反向平行，并且对不同“碱基对”之间的氢键数目等细节知识形成“深刻记忆”。教师展示讲解环节，训练了学生对概念及专业术语的学习和恰当表述。

3.3.4 模型建构4：DNA分子规则的双螺旋结构模型

教师再次展示DNA雕塑图片，引导学生观察DNA分子的螺旋结构，引出螺旋的方向讨论。学生用2段铜芯导线代替DNA的两条链，制作螺旋模型，小组间相互评价。

第5组学生展示模型并讲解分析：指出生物体内天然DNA分子大多为“右手螺旋”，展示本组制作的导线模型（图7）。

图7 “DNA右手螺旋”模型

3.4 问题串帮助学生总结提升

教师展示问题串，总结知识，并要求学生补充：（1）稳定性：DNA分子的双螺旋结构是相对稳定的，原因有：①内侧碱基通过_____形成碱基对。②碱基间纵向的堆积力加固了稳定性。③______平行的双链结构，磷酸和脱氧核糖交替连接，排列在外侧构成_____。（2）多样性：DNA分子只含有4种脱氧核苷酸，它如何能够储存足够多的遗传信息？DNA分子的____千变万化。例如：一个具有n个碱基对的DNA分子所携带的遗传信息是_____种。（3）特异性：不同DNA分子碱基对的排列顺序不同。

参考答案：（1）氢键、反向、基本骨架 （2）碱基对排列顺序、4n

3.5 师生共同总结DNA分子的“一、二、三、四、五”记忆口诀

DNA分子具有一种基本组成单位（脱氧核苷酸）、两条反向平行链（脱氧核苷酸链）、三种小分子（脱氧核糖、磷酸、含氮碱基）、四种碱基对（G-C、A-T、T-A、C-G），五种组成元素（C、H、O、N、P）。

3.6 反馈练习：挑战高考真题

（2016年高考上海卷28题）在DNA分子模型的搭建实验中，若仅有订书钉将脱氧核糖、磷酸、碱基连为一体并构建一个含 10对碱基（A有6个）的DNA双链片段，那么使用的订书钉个数为 （ ）

A.58 B.78 C.82 D.88

答案及解析：10对碱基的DNA双链片段，共含有20个脱氧核苷酸，构成一个脱氧核苷酸需要2个订书钉，20个脱氧核苷酸总共需要40个；一条DNA单链上10个脱氧核苷酸相连需要9个订书钉，连接成一条单链，两条链共需要18个；A-T之间2条氢键，C-G之间3条氢键，A-T为6个，C-G为4个，则双链间的氢键数共有6×2+3×4=24，总共需要订书钉40+18+24=82，因此C选项正确。

4 教学反思

这节课通过教师精心设计学生活动，引导学生分组制作一系列模型，提高了学生动手建模能力，培养了学生小组的团队合作意识。在制作模型后的分组展示交流环节，学生展示小组作品，成就感十足，提高了语言表述、知识总结、识图画图、分析探讨等综合能力。

通过模型制作这种体验式学习获得的知识不仅可以借助相关概念、文字等抽象符号激活，还可以借助相应的情绪记忆激活，知识“复现”的效果更为理想，有利于学生知识结构由抽象到具体的逐步“拉近”，展现了体验式教学的优势。这种体验式学习不仅让学生对知识理解更直观、更深刻，还有利于学生对后面各章节知识的学习和理解，为后续知识学习奠定基础。

教师在课上要注意倾听学生的表述，并及时纠错和点评、引导，才能达到好的教学效果。教师在教学中发挥引导作用，重视科学史教学，培养学生科学研究的态度和热爱科学的情感，把知识的传授过程优化成一个体验式的探究过程，培养了学生科学探究、科学思维，利于中学生生物学科核心素养的培养。