資源簡介

課題：DNA 的結構
一、教材分析及設計思路
本節是人教版高中必修二《遺傳與進化》的第 3 章“基因的本質”第 2 節內容，在前一節通過實驗證明 DNA 是生物體主要的遺傳物質之后，本節闡明 DNA 分子的結構特點，為后面介紹 DNA 的復制、DNA 控制蛋白質的合成等內容打下基礎。
對 DNA 結構的認識是生命科學研究從細胞層面走向分子層面的分水嶺，由于其結構微小，無法直接觀察，學生需要通過空間想象才能理解，因此加深了此知識點的學習難度。常規教學中通常采用圖片來展現 DNA 結構，這在一定程度上使 DNA 結構可視化，但此種方式學生參與度低，仍無法厘清知識的來龍去脈，不便于學生真正意義上的理解及學以致用。基于以上考慮，本節內容將科學史料和實物模型搭建相結合，沿著 DNA 雙螺旋結構發現歷程，循著科學家的思路，探索搭建模型，重溫科學發現的神奇，體驗科學探究的樂趣，以構建 DNA 的物理模型為主線，采用學生體驗式學習的方式，充分激發學生學習主動性，
引導學生自主探究 DNA 結構相關知識、總結 DNA 雙螺旋主要特點，逐步實現 DNA 結
構構建與功能探究的完美統一，提升學生結構與功能觀，訓練和提升科學思維與科學探究能力。
二、學情分析
經過前面章節的學習，學生已經知道核酸是由核苷酸連接的長鏈，也知道核苷酸的基本
結構以及磷酸、脫氧核糖、堿基的基本概念，對 DNA 有了基本的了解。同時，在必修二
前幾章，學生已經學了分離定律和自由組合定律，了解了在有性生殖形成配子時，同源染色體分離，非同源染色體自由組合，染色體上的基因行為跟染色體行為一致。但是，學生對
“染色體上的基因是什么”“DNA 雙螺旋結構的巧妙之處在哪里”“基因的本質是什么”“基因與
DNA 是什么關系”并不了解。本節課正是詳細講解 DNA 的結構，通過模型的制作，引導
學生對 DNA 有更深的理解，為后面“DNA 的復制”“基因的本質”“基因的表達”等生物的遺傳和變異理論的學習打好基礎。
三、教學目標
基于課程標準的內容要求、學業要求和學業質量標準，并圍繞培養學生核心素養的要求，制訂了如下教學目標:
( 1) 通過 DNA 結構模型的搭建和思考，概述 DNA 雙螺旋結構特點，并從中領悟 DNA
結構與功能相統一的生命觀念。
( 2) 通過對科學史的學習和分析以及結構模型的搭建，初步掌握模型構建的方法在生物科學
研究中的應用，提升科學探索的能力，并能說出交叉學科的知識儲備、批判性科學思維、辯證科學哲學觀等科學研究的價值，提升科學思維的意識。
( 3) 通過 DNA 雙螺旋結構模型發現的科學歷程，分析科學家成功的原因，學習科學家勇于
創新的科學精神、實事求是的科學態度、學科融合的科學思維、默契配合的團隊精神，激發投身科學事業的志向。
四、教學重難點
( 1)教學重點： DNA 結構模型的構建、概述 DNA 結構的特點
( 2)教學難點：分析科學家成功或失敗的原因，體會并學習科學家們的科學態度和科學精神
五、教學過程
課堂環節 教師引導 學生活動 設計意圖
感同身受， 導入課題 介紹沃森和克里克組合，以及鮑林的原子模型，引出本節課的課題和研究方法：利用模型建構的 方法發現 DNA 的結構 聆聽，向往 通過描述兩位科學家對 DNA 結構的著迷， 激發學生對 DNA 結 構的向往，重走科學家發現之旅。
溫故知新， 建 構 復習提問組成 DNA 的基本單 思考，問答 設計意圖: DNA 單
DNA 基 本單位— —— 脫 氧核苷酸 位、脫氧核苷酸酸的組成、堿基和磷酸鏈接的位置，堿基的種類。 活動一：每個小組利用材料，構 建 8 個脫氧核苷酸模型。 體的搭建是成功搭建 出 DNA 空間結構的 基礎，學生已學習過核苷酸結構，通過前期知識的回憶，結合實物模型，動手搭建
組內合作，制作模型 并區分 4 種脫氧核苷
酸單體，加深對相關知識的理解，為下一步搭建多核苷酸鏈模
型做準備。
構建多核 苷酸鏈 教師設問: 學生建構脫氧核苷酸鏈，并利用學生端拍照上傳。 有的小組的模型中少了在尾端游離的磷酸基團。 學生發現其他小組的錯誤并指出。 通過學生自主探究， 將脫氧核苷酸單 體連接成多核苷酸鏈，從而清楚 DNA 單鏈的結構。利用智 慧課堂學生端，學生可以查看其他小組上傳的模型照片，從而實現自評和互評。在評價中發現問題，在評價中促進學習。教師也可以利用學生互 評順利引出 DNA 單鏈的方向性介紹。
一個個脫氧核苷酸如何連接形
成鏈呢 展示資料 1:
1951 年，科學家認為核苷酸與
核苷酸之間是通過一個脫氧核苷酸的脫氧核糖與另一個脫氧核苷酸的磷酸連接在一起。
要求學生開展活動二：將 8 個脫
氧核苷酸連接成一條脫氧核苷酸鏈（拍照上傳） 教師組織學生對本組和其他小組的模型進行自評和互評。 教師糾正學生的錯誤，并依此指出脫氧核苷酸鏈存在方向性， 即：連接有磷酸基團的一端為
5’端，另一端為 3’端。
探 究 DNA 三 維立體結構 教師介紹富蘭克林和威爾金斯團隊， 展示富蘭克林拍到的 DNA 的 X 射線衍射圖譜，并呈現沃森和克里克的觀點：認為 學生聆聽，感受沃森和克里克合作的默契。 通過介紹沃森和克里 克對 DNA 的 X 射線 衍射圖譜分析和研究，讓學生感受不同學科間合作的重要性，啟發學生立志成為一專多能的綜合性人才。 通過對 3 種位置關系 的分析，讓學生體會科學家在科學探究過程中的艱辛，明白科
DNA 是由兩條鏈構成的雙螺旋
結構。 思考，提出 3 種可能
從而引出疑問 1：脫氧核苷酸的
哪部分在雙螺旋結構的外側呢？ 肯定學生的猜測，并呈現沃森和克里克首先提出的觀點就是磷酸集團排列在內側，堿基在外側。 情況：1、兩條鏈的磷酸集團在內側，堿基在外側。2、兩條鏈的堿基在內側，磷酸和 脫氧核糖在外側。3、
磷酸和堿基交替分布在內外側。
給出資料 2：堿基疏水，脫氧核 學生根據磷酸和脫氧
糖和磷酸親水，而 DNA 在細胞內始終處于一個水環境中。 核糖是親水的，而堿基是疏水的，另外在 DNA 的外側含有較 多的水分子。能夠分析出磷酸和脫氧核糖排列在雙螺旋結構的外側。 學生根據 4 種堿基的 分子結構式和磁力貼模型，能夠判斷該觀點不合理，且能說出若同類堿基配對，則雙螺旋不同部位寬窄不一，雙螺旋結構不穩定。 學生可以得出不同材料中 A=T，G=C。進 而得出 A 與 T 配對， G 與 C 配對。 學生繼續拼接模型， 拍照上傳。 有的小組的模型中兩條鏈的磷酸是在同一端的，即兩條鏈的方向相同。 有的小組兩條鏈是平面的，有的小組利用 外力將 DNA 的兩條 鏈擰成雙螺旋的結構。 學探究不是一蹴而就的，是需要堅持不懈的科學精神。
資料 3：富蘭克林指出從電子密
度圖上看， 在直徑為 1.8nm
（DNA 直徑為 2nm）處有強烈
散射，說明此處可能含有較多的水分子。 讓學生結合資料再次思考問題。
教師回憶堿基的種類，引出疑問
2： 哪兩種堿基配對形成堿基
對？
展示資料 4：在 DNA 雙螺旋結
構中，磷酸—脫氧核糖位于外部構成基本支架，堿基對位于內部，由相同的堿基配對。以及四種堿基的分子結構式和磁力貼的模型。讓學生分析該觀點是否合理？
展示資料 5：查戈夫的不同生物
材料中 DNA 四種堿基的摩爾比
例關系。讓學生分析得出結論。
教師進而介紹堿基互補配對的內容，并組織學生開展活動三： 依據堿基互補配對原則完成
DNA 雙鏈的拼接（拍照上傳） 通過資料分析，得到堿基互補配對原則， 體會沃森和克里克的快樂。
組織學生利用學生端找出各組模型的不同之處。 在模型建構中產生不
匯總學生的分析，凝練成疑問 3： DNA 的兩條鏈是同向還是反向 同與矛盾，進而引發對雙螺旋結構產生原因的深度思考。
的？雙螺旋的空間結構是如何形成的？ 教師向學生提供脫氧核苷酸的立體模型，讓學生描述脫氧核糖、磷酸、堿基之間的空間位置關系。 教師讓學生上講臺拼接 DNA 的 立體模型，讓其觀察兩條鏈磷酸的位置，兩條鏈的空間位置關系。 學生利用數學知識發現脫氧核糖與堿基之間是垂直關系，并且磷酸和堿基在脫氧核糖所在平面的同一側。 學生在拼接過程中發現，兩條鏈的磷酸位置不是同側的， 即 DNA 的兩條鏈是反 向，并且是平行形成雙螺旋的結構。 通過一系列資料展示 當時 DNA 結構研究 過程中的重重困難， 在培養學生科學思維的同時，希望可以從中學習科學家探索創新的科學精神、嚴謹求實的科學態度、學科融合的科學思維、團結協作的合作精神，激發投身科學研究的熱情。
利用脫氧核苷酸的立體模型拼接，幫助學
生從 DNA 的平面結
構成功的過渡到三維立體結構。在學生參與中，由學生引發， 進而有學生自己突破了本節課的教學重難點。
整理匯報， 呼應開頭 教師一方面讓學生上黑板畫出互補鏈，一方面讓學生用簡要的 語言概述本節課所發現的 DNA 的結構特點。 學生回憶整節課內容，能用語言和圖示 兩種方法概括 DNA 的結構特點。 讓學生體驗完整的科學發現過程，體會將自己發現的內容整理成成果發表的成就 感。
延伸思考， 課下探究 教師提出三個思考問題： 1.DNA 只含有 4 種脫氧核苷酸， 它為什么能夠儲存足夠量的遺傳信息？ 學生依據模型，課下討論 將思考從課堂延申到課下，持續激發學生的探究熱情。也為后面章節內容的學習打下基礎。
2.DNA 是如何維系它的遺傳穩
定性的？ 3.你能夠根據 DNA 的結構特 點，設想 DNA 的復制方式嗎？
六、板書設計
七、教學反思
本節課利用學生在搭建模型中可能發生的錯誤，引出沖突，并結合資料和立體結構模型， 解決學生錯誤的同時，生成了新的知識。將課堂環環相扣，緊密聯系，讓學生像闖關一樣體會科學發現的過程，沉浸在科學探究的過程中。本節課同時給予學生平面和立體兩種脫氧核苷酸模型，順利解釋了 DNA 兩條鏈反向以及雙螺旋形成的原因。

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