创新设计手型 形象理解概念*——以高中生物核酸中的DNA模型建构为例

□杨洪斌 周素英

（1.重庆市第七中学校，重庆 400030；2.重庆市教育科学研究院，重庆 400015）

如今，建模活动已成为学校科学教育的最前沿[1]。建模使学生能够创建、分析和演示一个概念或事物的内在工作原理，从而提供对概念或事物充分理解的证据[2]。许多中学教师在他们的教学设计中使用了构建模型的方法以展示DNA的结构和功能[3]，人教版教材中有制作DNA 模型的方法，但这种方法费时较多。我们设计了一种简易的DNA 模型，即利用人的手型建构一种“简易的DNA模型”。

一、建构脱氧核苷酸模型

DNA 分子的一部分（图1）可以分解为单个脱氧核苷酸。将脱氧核苷酸绘制在手套上以用作模型（图2）。学生将在戴手套的手掌面和手背面上标记七个位置，以代表脱氧核苷酸的各个部分（不包括氮碱基）。其中五个位置由手套手掌上的脱氧核糖环结构的氧原子和四个碳原子组成，一个碳原子置于拇指中部。磷酸根离子置于拇指指尖。磷酸根离子能够与相邻核苷酸上的碳形成共价键。如图2，食指是嘧啶碱基的模型，为胞嘧啶（C）或胸腺嘧啶（T），因为嘧啶碱基像较短的食指一样是较短的单环分子（图1）。中指代表为腺嘌呤（A）或鸟嘌呤（G），因为像更长的中指一样，嘌呤是更长的双环分子（图1）。根据手套标记的类别可以分为两组（表1）。

图1 DNA分子的部分结构

图2 在食指和中指分别标记嘧啶和嘌呤

表1 手指标记碱基方式

二、模拟DNA核苷酸和分子

使用两只戴着手套的手，一只手掌朝上，另一只手掌朝下，并让一只手的食指或中指的尖端分别接触另一只手的中指或食指的尖端，从而建立起脱氧核苷酸配对模式的模型。例如，一只手掌朝上，另一只手掌朝下，学生可以用右手的中指触摸左手的食指，从而模拟C-G配对（图3）。两副手套的拇指应朝相反的方向伸展。或者，学生可以用右手食指触摸左手套的中指，以模拟A-T 或G-C 配对。学生可以切换每只手的手指，以继续模拟含氮碱基间的配对关系。在碱基配对时，将模型中未使用的其他手指折回手套的手掌中。如果学生练习这项活动，他们将开始了解含氮碱基的大小是如何影响核苷酸配对的模式和DNA分子形状的。

图3 嘧啶和嘌呤配对的手势

在其他学生的配合下，DNA 分子的一部分可以由坐在长桌子对面并跨过桌子直到他们的手相遇的学生建模（图4），图4 中桌子中间的长线表示中指，代表嘌呤；短线表示食指，代表嘧啶。该模型旨在为个别学生提供快速识别DNA 分子，以补充他们对DNA 核苷酸结构和功能的理解。

图4 多人手型拼接建构DNA分子模式图

三、模拟核苷酸的氢键

为了深入了解氢键，学生还可以添加点来表示氢键，氢键将核苷酸彼此配对。C（嘧啶）和G（嘌呤）各自具有三个位置的氢键，这导致C与G的键合。类似地，腺嘌呤和胸腺嘧啶各自具有两个位置的氢键，这将导致A与T的键合。学生将在手套指尖标记三个平行的点，代表参与C-G配对的三个氢键（图3）。同理，学生将用两个平行的点标记代表两个A 和T 配对的氢键，使它们键合。这说明由于氢键的匹配，只有 C 可以与 G 键合，只有 A 可以与 T 键合。这是有助于描述DNA分子结构的关键因素。此时，还可以让学生构建一个表格以显示DNA含氮碱基之间的关系，如表2。

表2 碱基配对与对应手指表

生物学模型可以帮助学生将困难的概念转化为日常生活中普通的情景。通过建构、分析和解释模型，学生可以更好地理解他们可能无法完全理解的概念[4]。对概念的深入理解，增强了概念在学生大脑中的记忆，也有助于让学生建立起概念之间的关联。建构此模型非常简单，且能体现沃森和克里克在建构该模型时为什么要嘧啶和嘌呤配对，原因是嘧啶只有一个环，较短；而嘌呤有两个环，较长；同时，该模型也能体现DNA分子宽度相同的原理。