張小明

摘 要 課堂是師生共同生長(zhǎng)的平臺(tái)，關(guān)注課堂生態(tài)，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)在生態(tài)課堂中自然發(fā)生，從興趣出發(fā)，在探索中提升，這個(gè)過程既需要教師的引領(lǐng)，也為教師的課堂設(shè)計(jì)提供更多空間。

關(guān)鍵詞 生態(tài)課堂 建構(gòu)DNA結(jié)構(gòu) 模型修正

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

生態(tài)平衡與和諧是當(dāng)今社會(huì)熱議主題之一。而教育也應(yīng)順著自然——也就是順學(xué)生天性而為。生態(tài)課堂就是基于這樣的理念，倡導(dǎo)讓學(xué)生在自由發(fā)展的空間中熱情洋溢地學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在自主的思考中發(fā)揮創(chuàng)新的品質(zhì)?！癉NA的結(jié)構(gòu)”一節(jié)課可設(shè)計(jì)為物理模型的建構(gòu)課，在學(xué)習(xí)過程中，教師貫穿沃森和克里克研究的科學(xué)史，引導(dǎo)學(xué)生嘗試著去建構(gòu)DNA的結(jié)構(gòu)。學(xué)生在想象中創(chuàng)新，在質(zhì)疑中接近DNA結(jié)構(gòu)的“廬山真面目”，并總結(jié)出基于結(jié)構(gòu)的規(guī)律。

1 教學(xué)目標(biāo)

（1） 概述DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)。

（2） 制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。

（3） 在模型建構(gòu)中分享思維方法。

2 教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)

2.1 教學(xué)重點(diǎn)

（1） DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)。

（2） 制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。

2.2 教學(xué)難點(diǎn)

DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)。

3 教學(xué)方法

科學(xué)史學(xué)習(xí)和模型建構(gòu)。

4 材料準(zhǔn)備

準(zhǔn)備表1中的材料：代表脫氧核糖、磷酸、堿基的磁貼各一個(gè)，其中嘌呤（雙環(huán)）、嘧啶（單環(huán)）各一個(gè)，代表化學(xué)鍵的磁貼若干，脫氧核苷酸若干，連接好的脫氧核苷酸鏈2或3個(gè)。學(xué)生分組用具：脫氧核苷酸紙片模型，每組3個(gè)，作為化學(xué)鍵的貼紙若干。

5 教學(xué)過程

師：科學(xué)家通過一系列的實(shí)驗(yàn)證明了DNA是主要的遺傳物質(zhì)。遺傳物質(zhì)應(yīng)該具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)大量遺傳信息的功能。這些功能的發(fā)揮應(yīng)該和它的結(jié)構(gòu)相關(guān)。今天我們就來通過科學(xué)家的歷程，學(xué)習(xí)DNA的結(jié)構(gòu)。

5.1 學(xué)生開始活動(dòng)1：掌握DNA的基本組成單位脫氧核苷酸的結(jié)構(gòu)

師：DNA的基本組成單位是脫氧核苷酸。請(qǐng)利用黑板上貼出表示脫氧核糖、堿基和磷酸的磁貼。擺一擺脫氧核苷酸的結(jié)構(gòu)。

教師指導(dǎo)學(xué)生活動(dòng)：請(qǐng)同學(xué)從工具包中取出脫氧核苷酸紙片模型。每個(gè)人隨機(jī)選取一個(gè)脫氧核苷酸，用鉛筆標(biāo)明五個(gè)碳原子的位置，并且命名隨機(jī)選取的堿基（單環(huán)堿基代表嘧啶，命名為C或者T，雙環(huán)堿基代表嘌呤，命名為A或者G）。

教師巡視、指導(dǎo)學(xué)生正確操作，并請(qǐng)兩位學(xué)生代表展示并命名所拿的脫氧核苷酸。

5.2 學(xué)生開展活動(dòng)2：構(gòu)建脫氧核苷酸鏈

教師設(shè)疑：現(xiàn)在我們手上拿的是脫氧核苷酸的模型，它是構(gòu)成DNA分子的基本組成單位。這些小的單位怎樣連接形成鏈狀的大分子DNA呢？

教師提出類比資料：堿基對(duì)于脫氧核苷酸相當(dāng)于R基對(duì)于氨基酸。氨基酸脫水形成多肽的連接方式告訴我們：小分子之間通過單調(diào)且重復(fù)的方式連接形成長(zhǎng)鏈。那么這對(duì)于脫氧核苷酸形成長(zhǎng)鏈有何啟發(fā)呢？請(qǐng)兩人一組，利用脫氧核苷酸的紙片模型去試一試，脫氧核苷酸小分子怎樣連接，可以形成長(zhǎng)鏈。

教師任憑學(xué)生用脫氧核苷酸模型進(jìn)行拼接，此活動(dòng)目的并非是學(xué)生能夠立即拼對(duì)，而在于學(xué)生通過自己的思考，能利用單調(diào)的脫氧核苷酸分子進(jìn)行反復(fù)嘗試。

教師給出科學(xué)事實(shí)：每一個(gè)核苷酸的糖基團(tuán)（3號(hào)碳）以化學(xué)方式與另一個(gè)核苷酸的磷酸連接在一起，形成糖——磷酸骨架，這個(gè)骨架決定了DNA分子的長(zhǎng)度。

學(xué)生嘗試將多個(gè)脫氧核苷酸連接成長(zhǎng)鏈。

教師請(qǐng)學(xué)生用磁貼在黑板上展示拼接的模型，檢驗(yàn)是否滿足“每一個(gè)核苷酸的糖基團(tuán)（3號(hào)碳）以化學(xué)方式與另一個(gè)核苷酸的磷酸連接在一起”。并要求每個(gè)小組修正有三個(gè)脫氧核苷酸長(zhǎng)度的單條鏈模型。

5.3 學(xué)生開展活動(dòng)3：構(gòu)建脫氧核苷酸雙鏈的連接方式

教師設(shè)疑：我們得到的模型是一條脫氧核苷酸鏈的片段。DNA分子是一條鏈嗎？當(dāng)時(shí)的科學(xué)家通過DNA分子的衍射照片，發(fā)現(xiàn)DNA分子不是一條鏈，沃森和克里克曾經(jīng)嘗試了三條鏈的搭建，發(fā)現(xiàn)和實(shí)際DNA的衍射照片有出入。此時(shí)，兩位年輕好學(xué)的科學(xué)家去拜訪了威爾基斯，從威爾金斯那里獲知科學(xué)史實(shí)：從DNA晶體結(jié)構(gòu)的資料來看，X射線無法排除雙股模型的可能性，DNA結(jié)構(gòu)的螺旋具有周期性，DNA是長(zhǎng)鏈的多聚體，直徑恒定不變。從資料中可以看出，DNA更有可能是2條鏈的結(jié)構(gòu)。

學(xué)生嘗試連接2條脫氧核苷酸鏈。

教師布置任務(wù)：請(qǐng)嘗試在桌上用模型擺一擺兩條脫氧核苷酸鏈的空間鏈接方式。

學(xué)生首先構(gòu)建了一條脫氧核苷酸鏈，然后嘗試擺出自己覺得合適的DNA雙鏈平面圖。

教師觀察學(xué)生的拼接方式，可能有堿基對(duì)堿基的，有磷酸對(duì)磷酸的，也有堿基對(duì)磷酸的。教師分別選出代表小組將拼接作品展示在黑板上。

教師提供科學(xué)事實(shí)：堿基是疏水性的，而磷酸是親水性的。

學(xué)生思考：哪種拼接方式更能滿足堿基疏水、磷酸親水的特點(diǎn)？嘗試修正脫氧核苷酸鏈連接的模型，留下堿基對(duì)堿基的平面圖。

教師提供科學(xué)資料：英國(guó)化學(xué)家富蘭克林在1952年就認(rèn)為，糖-磷酸骨架位于外側(cè)。并要求每個(gè)學(xué)習(xí)小組修正模型。

教師提出問題：從模型可以直觀看出，兩條鏈之間的堿基距離不一致。有的正好連接在一起，有的堿基之間有點(diǎn)空隙。怎樣解決“直徑恒定不變”這個(gè)問題呢？

教師展示堿基和嘌呤一一對(duì)應(yīng)的DNA平面圖，包括嘌呤、嘌呤配對(duì)的以及嘧啶、嘧啶配對(duì)的圖，讓學(xué)生進(jìn)行觀察比較。學(xué)生討論后，教師引導(dǎo)學(xué)生得出只有嘌呤和嘧啶配對(duì)才能保證DNA的直徑恒定不變。

教師給出閱讀材料（表1）——DNA樣本中每種堿基的百分?jǐn)?shù)。

教師提供科學(xué)事實(shí)：1951年，查哥夫研究DNA的堿基組成時(shí)，曾得出結(jié)論DNA中，A=T，C=G。所以在DNA分子中，更有可能是A和T、C和G配對(duì)。修正模型中DNA的堿基配對(duì)的結(jié)構(gòu)，得到DNA的平面模型，2條鏈反向，非常規(guī)則的平面結(jié)構(gòu)，雙鏈直徑保持不變。要求學(xué)生利用磁貼在黑板上修正DNA的平面模型。

5.4 學(xué)生開展活動(dòng)4：嘗試建構(gòu)DNA的塑料模型，總結(jié)DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，了解DNA分子儲(chǔ)存遺傳信息的方式

學(xué)生每四人組成1個(gè)小組，合作拼接DNA模型，從拼接的模型中嘗試?yán)斫釪NA的結(jié)構(gòu)。教師巡視、發(fā)現(xiàn)學(xué)生拼接過程中的普遍問題，待模型拼接成功后討論。

模型拼接成功后，借助模型，每小組通過比較得出DNA分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：① 兩條鏈反向平行；② 外側(cè)是磷酸——脫氧核糖交替連接，構(gòu)成基本骨架，以保證DNA分子結(jié)構(gòu)具有一定的穩(wěn)定性；③ 內(nèi)側(cè)通過堿基互補(bǔ)配對(duì)形成氫鍵進(jìn)行連接。

教師借助學(xué)生手中的模型，用10個(gè)堿基對(duì)長(zhǎng)度的DNA分子右旋一個(gè)周期形成螺旋結(jié)構(gòu)。每組學(xué)生手中的DNA分子具有統(tǒng)一的雙螺旋結(jié)構(gòu)，不一樣的部分是內(nèi)側(cè)的堿基對(duì)，教師請(qǐng)4個(gè)小組把自己拼接的DNA堿基對(duì)寫在黑板上。

教師提問：寫出來的堿基對(duì)是隨機(jī)的，幾乎沒有相同的。這樣的拼接方式有多少種呢？學(xué)生討論得出得出有4n種拼接方式的重要結(jié)論（n表示堿基的對(duì)數(shù)）。

師：DNA堿基對(duì)的排列順序蘊(yùn)藏了生物的遺傳信息，而DNA分子堿基的對(duì)數(shù)成千上萬，所以排列順序也很多，從而得出DNA分子具有特異性和多樣性的結(jié)論。

6 課后反思

本節(jié)課建構(gòu)了DNA分子物理模型，和以往的模型拼接相比，本節(jié)課更注重學(xué)生自主地逐步探索和發(fā)現(xiàn)過程。在生態(tài)學(xué)習(xí)中，學(xué)生了解DNA模型的發(fā)現(xiàn)史，結(jié)合科學(xué)事實(shí)用發(fā)展性思維進(jìn)行了模型修正，在自我實(shí)踐中順其自然地拼接出DNA的結(jié)構(gòu)模型，并結(jié)合模型掌握了DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。學(xué)生在研究中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)問題，繼續(xù)研究。

（1） 本節(jié)課設(shè)計(jì)了適合學(xué)生思維的模型。傳統(tǒng)教學(xué)中，教師一般會(huì)使用DNA塑料模型。DNA塑料模型可以方便學(xué)生快速地拼出DNA模型，但是模型本身的缺陷讓學(xué)生的探索過程變成了簡(jiǎn)單的搭建，不利于思維的延展。本節(jié)課所使用的紙片能進(jìn)行拼接設(shè)計(jì)，可提升學(xué)生的思維能力。由簡(jiǎn)到難，逐步認(rèn)知，讓學(xué)生從認(rèn)識(shí)脫氧核苷酸入手，到連接形成脫氧核苷酸鏈，進(jìn)而研究雙鏈的連接方式，最后得出堿基的科學(xué)配對(duì)。操作實(shí)踐中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，在科學(xué)史料的啟發(fā)下解決問題，并逐步加深思維，向著DNA雙螺旋的結(jié)構(gòu)邁進(jìn)。簡(jiǎn)單的紙片模型成了學(xué)生思維延展的載體，DNA的結(jié)構(gòu)一點(diǎn)點(diǎn)鮮活地呈現(xiàn)出來。

（2） 讓學(xué)生的活動(dòng)成為發(fā)現(xiàn)的源泉。結(jié)合科學(xué)事實(shí)，學(xué)生動(dòng)手鉆研了DNA的結(jié)構(gòu)以后，紙質(zhì)模型已經(jīng)不能滿足學(xué)生對(duì)DNA立體模型的把握，此時(shí)，教師換用塑料立體模型，一方面，利于學(xué)生鞏固所學(xué)的關(guān)于DNA模型建構(gòu)的新知識(shí)；另一方面，學(xué)生對(duì)照自己拼接出來的立體模型，能夠得出DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。首先，每個(gè)小組拼接出的DNA都是反向平行的雙鏈結(jié)構(gòu)。外側(cè)都是脫氧核糖和磷酸交替連接形成的基本骨架，內(nèi)側(cè)都是通過氫鍵相連形成的堿基對(duì)，所以DNA具有穩(wěn)定性。其次，每組學(xué)生對(duì)照手中的模型，看一看、寫一寫堿基的排列序列，通過比較發(fā)現(xiàn)堿基的配對(duì)方式相同，而堿基對(duì)的排列順序不同，從而得出DNA分子的特異性和多樣性。最后，教師引導(dǎo)學(xué)生將每小組的DNA片段進(jìn)行拼接，形成長(zhǎng)鏈，通過10個(gè)堿基對(duì)為1個(gè)周期的螺旋，讓學(xué)生對(duì)DNA的空間結(jié)構(gòu)有更多的直觀認(rèn)識(shí)。學(xué)生在活動(dòng)中“水到渠成”地發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)的探索過程也成為學(xué)生得出DNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的建構(gòu)過程。

（3） 學(xué)生在觀察中學(xué)會(huì)優(yōu)化自我學(xué)習(xí)。本節(jié)課需要學(xué)生自己用腦動(dòng)手，但是由于學(xué)生實(shí)踐能力的不同，搭建的模型美觀程度甚至科學(xué)性具有差異。在第一次交流之后，學(xué)生能借助好的模型修正自己模型，這也體現(xiàn)了學(xué)生在課堂中的生態(tài)生長(zhǎng)過程。例如，活動(dòng)2結(jié)束后，如果學(xué)生不修正自己的脫氧核苷酸單鏈的模型，就無法發(fā)現(xiàn)活動(dòng)3中堿基配對(duì)的奧秘。

生態(tài)課堂是師生共同生長(zhǎng)的平臺(tái)，師生的思維在循環(huán)的碰撞中螺旋上升。學(xué)生帶得走的是思維方法，而不是沉重的書包。在對(duì)DNA結(jié)構(gòu)探索的過程中，不斷的“破”和“立”，也讓學(xué)生思維到達(dá)了可延展的空間，學(xué)生在生物課堂中才有蓬勃的生命力和無限的創(chuàng)造力。