DNA分子的结构含PPT的教学设计及点评

也谈5E教学模式下“DNA分子的结构”一节的教学过程设计

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引言

在《中学生物学》2017年第一期的一篇论文中了解到5E教学模式。5E 教学模式是美国生物学课程研究所（BSCS）开发的一种基于建构主义教学理论的教学模式。这种教学模式将教学过程分为引入、探究、解释（Explanation迁移及评价5个阶段。下面尝试用5E教学模式对“DNA分子的结构”一节进行教学过程设计，探讨5E教学模式能否突破传统教学设计的局限性，从而帮助学生自主建构科学的知识，提高课堂教学效益。

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设计案例

“DNA分子的结构”是苏教版生物《必修2.遗传与进化》第四章第2节《DNA分子的结构和复制》的内容。教师尝试用5E教学模式对这节课进行教学设计，可以有效提高课堂教学效益。设计过程如下：

2.1引入环节 教师组织学生观察自然界中的物体形状，蜗牛壳、植物的卷须、植物的缠绕、羚羊的螺旋形弯角，感受螺旋之美。提出：这些物体的形状有什么共同的特点？教师指出螺旋体与生命的关系，直到上世纪50年代DNA分子的双螺旋结构发现之后才触发起来。

教学意图：通过观察自然界中的螺旋形状，对“螺旋”有更直观的认识。

2.2探究环节

DNA分子双螺旋结构是这节课学习的重点和难点，需要学生通过空间想象才能理解。笔者决定沿着科学家探索的足迹，利用生活中的材料自制学具，采用“基本单位——单链结构——平面结构——空间结构”的顺序，从基本组成单位到生物大分子，从平面到立体，使学生逐步认识DNA分子的化学组成、平面结构以及空间结构。

2.2.1探究一：构建DNA的基本单位

资料1：20世纪30年代，科学家认识到DNA分子的基本单位是脱氧核苷

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酸，一分子脱氧核苷酸由一分子磷酸、一分子脱氧核糖、一分子含氮碱基组成。碱基有四种，分别是A、T、C、G。碱基都是通过C-1连接到脱氧核糖上形成核苷，核苷中的脱氧核糖的C-5再与磷酸连接。

师：请同学们回顾必修一所学的“DNA分子”相关知识并结合资料1的内容，思考下列问题。

思考并讨论：

（1）磷酸、脱氧核糖、含氮碱基如何连接形成一分子的脱氧核苷酸？

（2）若用圆代表磷酸、五边形代表脱氧核糖、长方形代表碱基，请画出三者的连接方式。

（3）脱氧核苷酸有几种类型？

学生认真看教师给出的材料，回顾必修一所学的“DNA”相关知识，思考

老师设计的问题串。根据同学们的连接情况，教师采取不同的教学方法。若同学们不能正确将三者连接起来，则此时出示脱氧核糖的结构式，根据国际规则对脱氧核糖的碳原子进行编号，让学生仔细观察识别5个碳原子的正确位置。五边形的顶点上是氧原子，其右侧的第一个顶点是1号碳原子，按顺时针方向依次为2、3、4、5号碳原子，5号位碳原子上的羧基和磷酸发生反应通过一化学键相连，同时又通过另一化学键与4号位碳原子相连。因此，建议在4号碳原子的位置向外延伸出一断臂，这样就能准确的连接成一分子脱氧核苷酸了。

分组活动一：

4人一组，利用课前准备的“毛根”为材料，构建10个脱氧核苷酸。

2.2.2探究二：构建DNA的单链结构

师：脱氧核苷酸是怎样连接形成DNA分子的呢？让我们沿着科学家的足迹来一起探索吧。

资料2：1951年春，科学界对DNA的认识是：DNA分子是以4中脱氧核苷

酸为基本单位连接而成的长链，这4中脱氧核苷酸分别含有A、T、C、G四种碱基。

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资料3：1951年11月，富兰克林通过数据计算知道，是一个脱氧核苷酸

的脱氧核糖和另一脱氧核苷酸的磷酸之间发生连接。

提出问题：

（1）根据资料2和3，你认为在形成一条脱氧核苷酸长链时相邻的两个

脱氧核苷酸之间的连接方式有哪些可能性？

（2）请画出它们可能的连接方式。

师继续提供资料4，学生进一步思考。

资料4：经化学分析表明，相邻的两个脱氧核苷酸之间的连接方式是一个脱氧核苷酸的5号碳原子位的磷酸基团和另一个脱氧核苷酸3号碳原子位的—OH形成磷酸二酯键。

讨论：根据资料4，你认为脱氧核苷酸之间正确的连接方式是什么？

师生共同分析，确定一条链中脱氧核苷酸正确的连接方式，PPT展示。

分组活动二：

4人一组，将用“毛根”制作的10个脱氧核苷酸连接成一条链。

2.2.3探究三：构建DNA的平面结构

资料5：

时间：1951年春

人物：沃森、威尔金斯、富兰克林

事件：沃森通过英国著名生物物理学家威尔金斯看到了一张他的同事富兰

克林拍摄DNA（A型）的X光衍射照片，并根据此图他断定DNA的结构是一个螺旋体。

师补充介绍富兰克林和X光衍射技术。

资料6：威尔金斯研究发现DNA分子的直径比一条脱氧核苷酸链的直径要大。

资料7：经过显微镜测定DNA直径，2条链、3条链的直径都是2 nm，与实际测定相符。用3条链的DNA模型推测DNA含水量只是实际测得含水量的1/10。

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资料8：1952年，美国化学家鲍林发表关于DNA三链模型的研究报告。沃森将其与富兰克林的X光衍射照片比对后发现不符。

思考并讨论：

（1）

根据资料6、7、8分析，你认为DNA由几条链组成？

师PPT展示DNA为双股螺旋的证据：富兰克林的“照片51号”，并解读照

片中的相关信息。

分组活动三：

你认为，2条脱氧核苷酸链之间是怎样排列的？

根据你的推测，将2条脱氧核苷酸链组合出不同的排列方式并展示。

各小组同学相互配合完成DNA平面结构的初步构建。

通过对以上资料的阅读，让学生经历沃森和克里克对DNA双螺旋结构的探索历程，体会其中包含的科学方法，蕴含的科学思想和科学精神，从中获益。按照排列组合的方式思维，会出现以下六种构想：

方式一 方式二 方式三 方式四 方式五 方式六

资料9：碱基疏水，脱氧核糖和磷酸亲水，而DNA在细胞内始终处于一个水

环境中。

思考并讨论：

结合资料9分析，你认为有哪些排列方式是不合理的，理由是什么？

资料10：沃森和克里克曾构建了一个将磷酸——脱氧核糖固件安排在螺旋

外部，碱基安排在螺旋内部的双螺旋。模型中相同的碱基进行配对。DNA的2条长链之间的距离恒等于2 nm，即DNA的直径为2 nm。图8是4种碱基的分子式。

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资料11：1952年春天，沃森和克里克从奥地利生物化学家查哥夫那里获得一个重要的信息：腺嘌呤（A）的量总是等于胸腺嘧啶（T）的量；鸟嘌呤（G）的量总是等于胞嘧啶（C）的量。

提出问题：

（1）阅读资料10-11，你认为沃森和克里克当年构想的模型存在什么问题？

（2）经推测，你认为碱基之间是怎样配对的？

资料12：数学家格里菲斯计算出DNA分子中，A吸引T，G吸引C。

进一步阅读资料12，你认为碱基之间正确的配对方式是什么？

资料13：

时间：1952年11月

事件：富兰克林在一份报告中说明DNA的结构即使翻转180度之后看起来

还是一样。

资料14：

时间：1952年2月28日

事件：沃森和克里克在构建过程中发现，只有两条单链的走向相反时制作

出的DNA模型才与X光衍射照片相符。

阅读并思考：

再结合资料13—14，分析DNA双链之间正确的连接方式是什么？

介绍沃森、克里克、威尔金斯和诺贝尔奖。

借助DNA分子平面结构图，通过问题串分析DNA分子的结构具有什么特点？

（1）DNA双螺旋结构有几条链构成？它们的方向是什么关系？

（2）排在DNA分子外侧的什么物质？

（3）排在内侧的什么物质？它们的连接遵循什么规律？

分组活动三：

用毛根代替氢键，将DNA分子的两条链连接起来。

教学意图：通过资料的提供给学生建构自主探究的情境，探究DNA双螺旋

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的可能结构；让学生通过资料所提供的信息自己判断DNA双链之间排版方式的合理结构，自己得出结论；在探究中，通过对资料的深入分析，大胆摒弃错误的观念，坚持科学的猜想。

2.2.4构建DNA的立体结构

资料15：1953年沃森和克里克提出著名的DNA双螺旋结构模型，他们构造出一个右手性的双螺旋结构。当碱基排列呈现这种结构时分子能量处于最低状态。虽然多数DNA分子是右手性的，但1979年Rich提出一种局部上具有左手性的Z-DNA结构。

指导学生抓住DNA平面模型的两端，自然垂放，接着按逆时针方向缓缓旋转，一个规则的DNA双链结构模型就呈现在眼前了。

2.3 解释环节

以4人小组为单位展示本组制作的DNA双螺旋结构模型，并用自己的语言解释DNA双螺旋结构的特点，这一过程加深了对DNA双螺旋结构的理解。教师出示沃森和克里克提出的DNA分子双螺旋结构的主要内容，学生参照双螺旋结构的内容，理解DNA双螺旋结构模型的内涵。

2.4 迁移环节

各小组共同展示制作的模型，同学一起观察、比较各模型的异同点。

提出问题：DNA双螺旋结构具有哪些特点？

2.5 评价环节

学生根据小组制作DNA双螺旋结构模型的过程及结果，完成自评表。让学生观察不同小组制作的DNA双螺旋结构模型，找出其中的共同点和差异，从而归纳得出DNA双螺旋结构的稳定性、多样性、特异性的特点。

3.案例解读

传统的教学设计中将知识目标作为主要的教学目标，忽视了学生科学素养的培养。5E教学模式从激发学生的学习主动性开始，利用背景知识创设问题情境，通过问题串引导学生思考，帮助学生实现自主构建知识体系，符合新课程第

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标准提出的教学理念，也遵循了学生的认知规律。因此，应用5E教学模式对“DNA分子的结构”一节进行教学设计，更有利于提高教学效益。

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