陳書平

（福清第三中學(xué)，福建福清 350300）

深度學(xué)習(xí)要求學(xué)生主動地、全方位地參與學(xué)習(xí)，在教師的指導(dǎo)下逐步地解決問題，體驗學(xué)習(xí)過程與成果，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。［1］根據(jù)深度學(xué)習(xí)理念，筆者嘗試在高中生物學(xué)教學(xué)中運用windows10操作系統(tǒng)中自帶的“畫圖3D”軟件，指導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)生物結(jié)構(gòu)模型，發(fā)展模型與建模、批判性思維等生物科學(xué)核心素養(yǎng)。本文以DNA結(jié)構(gòu)模型為例，探討建模教學(xué)的設(shè)計與實施。

一、DNA結(jié)構(gòu)模型建模教學(xué)設(shè)計

根據(jù)《普通高中生物學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》有關(guān)要求，圍繞“構(gòu)建精確的DNA結(jié)構(gòu)模型”這個主題開展DNA二維結(jié)構(gòu)模型、三維結(jié)構(gòu)模型、物理結(jié)構(gòu)模型建模教學(xué)。以“明確建模目標-構(gòu)建模型-評價模型-修正模型”等基本程序設(shè)計與實施DNA結(jié)構(gòu)模型建模教學(xué)，指導(dǎo)學(xué)生主動參與小組合作建構(gòu)DNA結(jié)構(gòu)模型，認識DNA二維結(jié)構(gòu)、三維結(jié)構(gòu)及其聯(lián)系，體驗兩條反向平行脫氧核糖核酸鏈的構(gòu)建，明確DNA螺旋結(jié)構(gòu)形成的實質(zhì)是堿基對的旋轉(zhuǎn)，認識DNA三維結(jié)構(gòu)具有豐富的遺傳信息，學(xué)會運用數(shù)學(xué)思想建構(gòu)DNA結(jié)構(gòu)模型的方法，深度發(fā)展科學(xué)思維，為學(xué)習(xí)遺傳信息的傳遞及表達奠定基礎(chǔ)。［2］

二、DNA結(jié)構(gòu)模型建模教學(xué)過程

（一）DNA二維結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建

教師先講解“畫圖3D”軟件的繪圖原理及其運用方式。也可以將該內(nèi)容錄制成微課讓學(xué)生課前預(yù)習(xí)。要求學(xué)生小組合作、運用軟件練習(xí)建構(gòu)球形、立方體及長方體等簡易幾何模型，進而以“搭積木”的思路構(gòu)建“立體的小房子”。以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，熟練使用“畫圖3D”軟件，為運用該軟件繪制DNA結(jié)構(gòu)模型打下基礎(chǔ)。

1.構(gòu)建脫氧核苷酸模型

指導(dǎo)學(xué)生觀察教科書中DNA結(jié)構(gòu)模型圖片，明確磷酸、堿基分別與脫氧核糖的哪個碳原子相連，以及嘧啶與嘌呤大小的差異，運用“畫圖3D”軟件中不同顏色的球形分別表示C與O原子，以細圓柱表示原子間的化學(xué)鍵，小組合作構(gòu)建球-棍狀的脫氧核苷酸模型，并且用畫筆標出1-5號C原子的位置。各小組展示、評價所建構(gòu)的脫氧核苷酸模型，修正存在的未準確體現(xiàn)脫氧核糖5個C原子的排列方式、未體現(xiàn)磷酸、堿基與脫氧核糖之間的化學(xué)鍵等問題。建構(gòu)脫氧核苷酸模型活動幫助學(xué)生明確脫氧核苷酸的三種組成成分，以及磷酸和堿基與脫氧核糖的連接方式，以便構(gòu)建DNA二維結(jié)構(gòu)模型。

2.構(gòu)建DNA二維結(jié)構(gòu)模型

組織學(xué)生利用修正的脫氧核苷酸模型構(gòu)建具有多個堿基對的DNA二維結(jié)構(gòu)模型。同時，思考與解決以下問題：同一條脫氧核苷酸鏈中的兩個相鄰脫氧核苷酸如何連接的？如何體現(xiàn)兩條脫氧核苷酸鏈鏈之間的反向平行關(guān)系以及堿基對之間的氫鍵？學(xué)生依次排列四種脫氧核苷酸模型，相互連接形成一條脫氧核苷酸鏈。即運用細圓柱將3號C與相鄰核苷酸的磷酸基團相連，除第一個磷酸基團外，其余磷酸基團分別與上、下兩個脫氧核糖的3號、5號C原子相連，形成3-5磷酸二酯鍵。再將脫氧核苷酸旋轉(zhuǎn)180°，根據(jù)堿基互補配對原則構(gòu)建DNA互補鏈。以相同的方法連接相互補鏈的核苷酸，并運用“畫圖3D”軟件中畫筆工具畫出氫鍵。通過C原子的排列，可以清晰地觀察到兩條鏈的方向分別為5’-3’及3’-5’（如圖1）。DNA二維結(jié)構(gòu)模型建模活動促進學(xué)生明確脫氧核苷酸構(gòu)成單鏈的方式，以及兩條脫氧核苷酸鏈是通過特定的堿基對所形成的氫鍵相互連接的，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造性思維，巧妙、便捷地構(gòu)建DNA互補鏈，通過事先標注的C原子序號，直觀地體現(xiàn)兩條脫氧核苷酸鏈是反向平行的。不同小組構(gòu)建的堿基排列順序隨機且多樣，有利于學(xué)生建立DNA多樣性的認識，理解遺傳信息的含義。在此DNA二維結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生嘗試建構(gòu)DNA的半保留復(fù)制模型。

圖1 DNA二維結(jié)構(gòu)模型

（二）DNA三維結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建

指導(dǎo)學(xué)生旋轉(zhuǎn)DNA二維結(jié)構(gòu)模型，嘗試構(gòu)建螺旋結(jié)構(gòu)模型。學(xué)生通過嘗試，發(fā)現(xiàn)無法直接在“畫圖3D”軟件中繪制螺旋結(jié)構(gòu)。進一步引導(dǎo)學(xué)生繪制一系列等長、平行的長方體，再從上到下依次以固定的角度旋轉(zhuǎn)長方體，便可構(gòu)建左手或右手螺旋結(jié)構(gòu)模型。引導(dǎo)學(xué)生思考：能否按照這種方式構(gòu)建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型？以此，激發(fā)學(xué)生探索建構(gòu)DNA三維結(jié)構(gòu)模型的興趣，將數(shù)學(xué)思維與生物學(xué)建模教學(xué)有機結(jié)合。

1.構(gòu)建DNA三維結(jié)構(gòu)模型

研究表明，在不同的物理條件下或受到堿基對序列的影響，雙鏈DNA可能呈現(xiàn)出A型、B型、Z型等三種結(jié)構(gòu)。［3］沃森與克里克所描述的B型DNA是細胞中大多數(shù)DNA具有的構(gòu)象。2019版人教社《生物學(xué)·必修2·遺傳與進化》中富蘭克林拍攝的DNA X射線衍射圖也是B型DNA。［4］故下文以B型DNA的相關(guān)參數(shù)為依據(jù)，指導(dǎo)學(xué)生小組合作構(gòu)建DNA三維結(jié)構(gòu)模型。

要求學(xué)生構(gòu)建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型時應(yīng)注意：如何使得堿基平面與螺旋軸垂直？脫氧核糖-磷酸骨架在空間中如何連接？相鄰脫氧核苷酸的堿基平面之間如何旋轉(zhuǎn)才能構(gòu)建右手螺旋？旋轉(zhuǎn)的角度是多少？螺旋直徑與螺距如何調(diào)整才能符合B型DNA的比例等系列問題。某學(xué)生小組在軟件中插入一系列平行等距的線段，線段間距:線段長度=0.17：1，作為模型比例調(diào)整的參照。其中線段間距模擬相鄰堿基平面間的0.34nm距離；線段長度模擬雙螺旋2nm直徑。調(diào)整后，堿基對平面與Y軸垂直，以互補的兩個脫氧核苷酸及3’磷酸酯鍵組合為模型的基本單位（下文簡稱組件）。將組件寬度調(diào)整到與參照物中的線段等長，相鄰組件沿線段排列，使得模型的比例符合DNA螺旋直徑與螺距的關(guān)系。將排列整齊的組件從上到下順時針繞Y軸旋轉(zhuǎn)，使得下方的組件相對于上方的組件單位順時針繞Y軸旋轉(zhuǎn)36°，從而構(gòu)建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型（如圖2a）。小組展示交流建模成果時，教師肯定該模型的可取之處的同時，指出該模型存在的磷酸-脫氧核糖骨架未能在空間中沿螺旋線排列的不足。

圖2 DNA三維結(jié)構(gòu)模型（X、Y、Z示空間坐標軸）

2.DNA三維結(jié)構(gòu)模型的修正

指導(dǎo)學(xué)生利用“螺旋升角”方法解決DNA三維結(jié)構(gòu)模型中磷酸-脫氧核糖骨架空間排列問題。要求學(xué)生在紙上畫一個長方形，在左下角與右上角頂點之間畫對角線，并將紙張卷成圓柱體，即可發(fā)現(xiàn)對角線卷曲成右手螺旋線。教師進一步講解：如果將DNA分子中的一條脫氧核苷酸鏈旋轉(zhuǎn)一周的螺旋線展開，將得到類似的一條長方形對角線，該長方形的底邊長度等于DNA雙螺旋橫截面的周長，長方形的高等于DNA雙螺旋的螺距。對角線與底邊的夾角稱為螺旋升角，磷酸-脫氧核糖骨架在空間旋轉(zhuǎn)的角度等于這個螺旋升角。螺旋升角與長方形的高與底邊的比例有關(guān)，利用B型DNA的有關(guān)參數(shù)，可以計算出DNA的螺旋升角接近28°。接著，讓學(xué)生利用軟件驗證該計算結(jié)果。將組件中的原本垂直排列的磷酸-脫氧核糖骨架順時針旋轉(zhuǎn)62°，使得磷酸-脫氧核糖骨架與水平方向的夾角為28°，使得磷酸-脫氧核糖骨架完美地沿螺旋線排列（如圖2b）。DNA三維模型的構(gòu)建與修正活動充分運用數(shù)學(xué)思想，幫助學(xué)生認識真實的DNA雙螺旋三維結(jié)構(gòu)，發(fā)展建模能力與批判性思維能力。

（三）DNA物理結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建

指導(dǎo)學(xué)生比較分析自己構(gòu)建的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型與教科書上的DNA空間結(jié)構(gòu)示意圖，發(fā)現(xiàn)利用“畫圖3D”軟件構(gòu)建的DNA三維結(jié)構(gòu)模型具有大小相同的兩條溝，而教科書上的DNA空間結(jié)構(gòu)則具有一條大溝及一條小溝。指導(dǎo)學(xué)生利用教師提供的建模材料制作具有大溝與小溝的DNA結(jié)構(gòu)物理模型。

要求學(xué)生在卡紙上繪制圖3a所示圖形。分別沿直線A1A2及距直線A1′A2′右側(cè)少許處裁剪，以便黏合。將裁剪后的圖形卷曲，使得A1A2所在直線與A1′A2′所在直線重合，B2與B1′重合、A2與A1′重合。在重合部位用膠水黏合，得到1個圓柱體。將一根長竹簽粘在圓柱體上以固定此螺旋形態(tài)，并用牙簽穿透同一虛線上的兩個灰色原點，再用美工刀切去大溝與小溝中的部分卡紙（如圖3a中的灰色區(qū)域），即制作成一個簡易的DNA雙螺旋物理模型（如圖3b）。該模型相鄰堿基對相互平行并以一定的角度旋轉(zhuǎn)，而且旋轉(zhuǎn)中心不在堿基對上。DNA結(jié)構(gòu)物理模型建?；顒哟龠M學(xué)生了解DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中大溝與小溝形成的原因及其生物學(xué)意義。即在B型DNA中，堿基對與脫氧核糖相連的兩個化學(xué)鍵不在一條直線上，而是具有一定的夾角，內(nèi)側(cè)窄角接近120°，外側(cè)廣角則為240°。［5］上下多個堿基對堆積時，窄角一側(cè)形成小溝，廣角一側(cè)形成大溝。與小溝相比，大溝更多地暴露出堿基以及磷酸-五碳糖骨架信息，為蛋白質(zhì)等多種分子與DNA的選擇性結(jié)合提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，在基因的表達、DNA的復(fù)制中具有十分重要的作用，可見DNA的遺傳信息不只表現(xiàn)在堿基序列上，也與DNA三維結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖3 DNA物理模型構(gòu)建示意圖

DNA結(jié)構(gòu)模型建模教學(xué)充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與主動性，學(xué)生以2-4人組建學(xué)習(xí)小組，利用教師提供的計算機軟件以及卡紙、尺子、剪刀、膠水等工具，制作DNA結(jié)構(gòu)模型。建模教學(xué)過程中，教師及時指導(dǎo)與評價，幫助學(xué)生熟練掌握“畫圖3D”軟件的基本操作方法，學(xué)會運用數(shù)學(xué)方法解析、構(gòu)建精確的、優(yōu)美的DNA結(jié)構(gòu)模型。同時，深入理解DNA結(jié)構(gòu)與功能，體驗艱辛的DNA結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)歷程，學(xué)習(xí)沃森、克里克、富蘭克林、威爾金斯等科學(xué)家嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度與實事求是的科學(xué)精神，發(fā)展生物學(xué)建模能力及跨學(xué)科能力。