DNA结构模型建模教学实践

陈书平

（福清第三中学，福建福清 350300）

深度学习要求学生主动地、全方位地参与学习，在教师的指导下逐步地解决问题，体验学习过程与成果，发展学科核心素养。［1］根据深度学习理念，笔者尝试在高中生物学教学中运用windows10操作系统中自带的“画图3D”软件，指导学生建构生物结构模型，发展模型与建模、批判性思维等生物科学核心素养。本文以DNA结构模型为例，探讨建模教学的设计与实施。

一、DNA结构模型建模教学设计

根据《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》有关要求，围绕“构建精确的DNA结构模型”这个主题开展DNA二维结构模型、三维结构模型、物理结构模型建模教学。以“明确建模目标-构建模型-评价模型-修正模型”等基本程序设计与实施DNA结构模型建模教学，指导学生主动参与小组合作建构DNA结构模型，认识DNA二维结构、三维结构及其联系，体验两条反向平行脱氧核糖核酸链的构建，明确DNA螺旋结构形成的实质是碱基对的旋转，认识DNA三维结构具有丰富的遗传信息，学会运用数学思想建构DNA结构模型的方法，深度发展科学思维，为学习遗传信息的传递及表达奠定基础。［2］

二、DNA结构模型建模教学过程

（一）DNA二维结构模型的构建

教师先讲解“画图3D”软件的绘图原理及其运用方式。也可以将该内容录制成微课让学生课前预习。要求学生小组合作、运用软件练习建构球形、立方体及长方体等简易几何模型，进而以“搭积木”的思路构建“立体的小房子”。以此激发学生的学习兴趣，熟练使用“画图3D”软件，为运用该软件绘制DNA结构模型打下基础。

1.构建脱氧核苷酸模型

指导学生观察教科书中DNA结构模型图片，明确磷酸、碱基分别与脱氧核糖的哪个碳原子相连，以及嘧啶与嘌呤大小的差异，运用“画图3D”软件中不同颜色的球形分别表示C与O原子，以细圆柱表示原子间的化学键，小组合作构建球-棍状的脱氧核苷酸模型，并且用画笔标出1-5号C原子的位置。各小组展示、评价所建构的脱氧核苷酸模型，修正存在的未准确体现脱氧核糖5个C原子的排列方式、未体现磷酸、碱基与脱氧核糖之间的化学键等问题。建构脱氧核苷酸模型活动帮助学生明确脱氧核苷酸的三种组成成分，以及磷酸和碱基与脱氧核糖的连接方式，以便构建DNA二维结构模型。

2.构建DNA二维结构模型

组织学生利用修正的脱氧核苷酸模型构建具有多个碱基对的DNA二维结构模型。同时，思考与解决以下问题：同一条脱氧核苷酸链中的两个相邻脱氧核苷酸如何连接的？如何体现两条脱氧核苷酸链链之间的反向平行关系以及碱基对之间的氢键？学生依次排列四种脱氧核苷酸模型，相互连接形成一条脱氧核苷酸链。即运用细圆柱将3号C与相邻核苷酸的磷酸基团相连，除第一个磷酸基团外，其余磷酸基团分别与上、下两个脱氧核糖的3号、5号C原子相连，形成3-5磷酸二酯键。再将脱氧核苷酸旋转180°，根据碱基互补配对原则构建DNA互补链。以相同的方法连接相互补链的核苷酸，并运用“画图3D”软件中画笔工具画出氢键。通过C原子的排列，可以清晰地观察到两条链的方向分别为5’-3’及3’-5’（如图1）。DNA二维结构模型建模活动促进学生明确脱氧核苷酸构成单链的方式，以及两条脱氧核苷酸链是通过特定的碱基对所形成的氢键相互连接的，引导学生发挥创造性思维，巧妙、便捷地构建DNA互补链，通过事先标注的C原子序号，直观地体现两条脱氧核苷酸链是反向平行的。不同小组构建的碱基排列顺序随机且多样，有利于学生建立DNA多样性的认识，理解遗传信息的含义。在此DNA二维结构模型基础上，教师还可以引导学生尝试建构DNA的半保留复制模型。

图1 DNA二维结构模型

（二）DNA三维结构模型的构建

指导学生旋转DNA二维结构模型，尝试构建螺旋结构模型。学生通过尝试，发现无法直接在“画图3D”软件中绘制螺旋结构。进一步引导学生绘制一系列等长、平行的长方体，再从上到下依次以固定的角度旋转长方体，便可构建左手或右手螺旋结构模型。引导学生思考：能否按照这种方式构建DNA双螺旋结构模型？以此，激发学生探索建构DNA三维结构模型的兴趣，将数学思维与生物学建模教学有机结合。

1.构建DNA三维结构模型

研究表明，在不同的物理条件下或受到碱基对序列的影响，双链DNA可能呈现出A型、B型、Z型等三种结构。［3］沃森与克里克所描述的B型DNA是细胞中大多数DNA具有的构象。2019版人教社《生物学·必修2·遗传与进化》中富兰克林拍摄的DNA X射线衍射图也是B型DNA。［4］故下文以B型DNA的相关参数为依据，指导学生小组合作构建DNA三维结构模型。

要求学生构建DNA双螺旋结构模型时应注意：如何使得碱基平面与螺旋轴垂直？脱氧核糖-磷酸骨架在空间中如何连接？相邻脱氧核苷酸的碱基平面之间如何旋转才能构建右手螺旋？旋转的角度是多少？螺旋直径与螺距如何调整才能符合B型DNA的比例等系列问题。某学生小组在软件中插入一系列平行等距的线段，线段间距:线段长度=0.17：1，作为模型比例调整的参照。其中线段间距模拟相邻碱基平面间的0.34nm距离；线段长度模拟双螺旋2nm直径。调整后，碱基对平面与Y轴垂直，以互补的两个脱氧核苷酸及3’磷酸酯键组合为模型的基本单位（下文简称组件）。将组件宽度调整到与参照物中的线段等长，相邻组件沿线段排列，使得模型的比例符合DNA螺旋直径与螺距的关系。将排列整齐的组件从上到下顺时针绕Y轴旋转，使得下方的组件相对于上方的组件单位顺时针绕Y轴旋转36°，从而构建DNA双螺旋结构模型（如图2a）。小组展示交流建模成果时，教师肯定该模型的可取之处的同时，指出该模型存在的磷酸-脱氧核糖骨架未能在空间中沿螺旋线排列的不足。

图2 DNA三维结构模型（X、Y、Z示空间坐标轴）

2.DNA三维结构模型的修正

指导学生利用“螺旋升角”方法解决DNA三维结构模型中磷酸-脱氧核糖骨架空间排列问题。要求学生在纸上画一个长方形，在左下角与右上角顶点之间画对角线，并将纸张卷成圆柱体，即可发现对角线卷曲成右手螺旋线。教师进一步讲解：如果将DNA分子中的一条脱氧核苷酸链旋转一周的螺旋线展开，将得到类似的一条长方形对角线，该长方形的底边长度等于DNA双螺旋横截面的周长，长方形的高等于DNA双螺旋的螺距。对角线与底边的夹角称为螺旋升角，磷酸-脱氧核糖骨架在空间旋转的角度等于这个螺旋升角。螺旋升角与长方形的高与底边的比例有关，利用B型DNA的有关参数，可以计算出DNA的螺旋升角接近28°。接着，让学生利用软件验证该计算结果。将组件中的原本垂直排列的磷酸-脱氧核糖骨架顺时针旋转62°，使得磷酸-脱氧核糖骨架与水平方向的夹角为28°，使得磷酸-脱氧核糖骨架完美地沿螺旋线排列（如图2b）。DNA三维模型的构建与修正活动充分运用数学思想，帮助学生认识真实的DNA双螺旋三维结构，发展建模能力与批判性思维能力。

（三）DNA物理结构模型的构建

指导学生比较分析自己构建的DNA双螺旋结构模型与教科书上的DNA空间结构示意图，发现利用“画图3D”软件构建的DNA三维结构模型具有大小相同的两条沟，而教科书上的DNA空间结构则具有一条大沟及一条小沟。指导学生利用教师提供的建模材料制作具有大沟与小沟的DNA结构物理模型。

要求学生在卡纸上绘制图3a所示图形。分别沿直线A1A2及距直线A1′A2′右侧少许处裁剪，以便黏合。将裁剪后的图形卷曲，使得A1A2所在直线与A1′A2′所在直线重合，B2与B1′重合、A2与A1′重合。在重合部位用胶水黏合，得到1个圆柱体。将一根长竹签粘在圆柱体上以固定此螺旋形态，并用牙签穿透同一虚线上的两个灰色原点，再用美工刀切去大沟与小沟中的部分卡纸（如图3a中的灰色区域），即制作成一个简易的DNA双螺旋物理模型（如图3b）。该模型相邻碱基对相互平行并以一定的角度旋转，而且旋转中心不在碱基对上。DNA结构物理模型建模活动促进学生了解DNA双螺旋结构中大沟与小沟形成的原因及其生物学意义。即在B型DNA中，碱基对与脱氧核糖相连的两个化学键不在一条直线上，而是具有一定的夹角，内侧窄角接近120°，外侧广角则为240°。［5］上下多个碱基对堆积时，窄角一侧形成小沟，广角一侧形成大沟。与小沟相比，大沟更多地暴露出碱基以及磷酸-五碳糖骨架信息，为蛋白质等多种分子与DNA的选择性结合提供了结构基础，在基因的表达、DNA的复制中具有十分重要的作用，可见DNA的遗传信息不只表现在碱基序列上，也与DNA三维结构有关。

图3 DNA物理模型构建示意图

DNA结构模型建模教学充分调动学生学习兴趣与主动性，学生以2-4人组建学习小组，利用教师提供的计算机软件以及卡纸、尺子、剪刀、胶水等工具，制作DNA结构模型。建模教学过程中，教师及时指导与评价，帮助学生熟练掌握“画图3D”软件的基本操作方法，学会运用数学方法解析、构建精确的、优美的DNA结构模型。同时，深入理解DNA结构与功能，体验艰辛的DNA结构发现历程，学习沃森、克里克、富兰克林、威尔金斯等科学家严谨的科学态度与实事求是的科学精神，发展生物学建模能力及跨学科能力。