資源簡介

“DNA 的結構”教學設計
1.教材分析及設計思路
“DNA的結構”是高中生物學教材必修 2《遺傳與進化》(2019 版)第3章第2節內容。對應課程標準中的重要概念“親代傳遞給子代
的遺傳信息主要編碼在 DNA 分子上”，次位概念“概述DNA 分子是由四種脫氧核苷酸構成，通常由兩條堿基互補配對的反向平行長鏈形成的雙螺旋結構，堿基的排列順序編碼了遺傳信息”。教學重難點是理解 DNA的結構特點，可以通過展示科學史，學生主動構建DNA 模型來完成。本節課內容是“DNA是主要的遺傳物質”的延伸，也是后面 DNA 復制和基因表達的基礎，在本章中具有承前啟后的作用。基于學科核心素養的要求，本節課的設計以生活中的真實情境為依托，提出核心問題，開展學生活動，構建 DNA 模型，歸納特點，總結升華，授課過程中可以培養學生歸納與概括、模型與建模的能力，同時也能引導學生對一些社會現象，運用生物學的知識做出理性的解釋與判斷，落實學科核心素養。
2. 學情分析
高中階段學生的思維水平、學習能力已經發展到了較高階段，大多數學生喜歡親自動手 操作。同時學生對DNA的有關知識有了一定的感悟認識，并具備一定的數學、物理和化學知 識。但又面臨學生實驗方法不了解，動手能力不強，缺乏認真求實的科學態度和堅持不懈的 科學精神等現狀。
3. 教學目標
(1) 能夠基于 DNA 科學史分析 DNA 的結構，構建 DNA 分子模型，體會多學科交叉對科學發展的重要意義，在分析與構建過程中提高科學思維能力，學習科學家勇于創新、實事求是的科學精神。
(2) 通過對 DNA 分子模型的構建，能夠概述 DNA的特點，理解結構與功能相統一的生命觀念。
(3) 基于對 DNA 結構的學習，嘗試解釋生活中的生物學問題，培養社會責任。
3.教學重難點
3.1教學重點:DNA 結構特點及模型制作
3.2教學難點: DNA 結構特點的理解
4.教學過程
4．1 創設情境，導入新課
觀看新聞報道: 電影《失孤》的原型郭剛堂找到了離別 24 年之久的兒子郭新振。其中起到關鍵作用的是“DNA 數據庫”，公安人員
通過比對郭剛堂和郭新振 DNA 上的信息，從而確定了他們之間具有親緣關系。設疑: DNA 具有怎樣的結構 DNA 上的遺傳信息是什么 DNA 是如何維系親代與子代間的遺傳穩定性的
設計意圖: 利用新聞報道引入新課，從情境中提煉出本節課的三個核心問題，激發學生的學習興趣與探索欲望。
4．2展示 DNA 組件，構建脫氧核苷酸模型
學生已經學過蛋白質與氨基酸的關系，在此可做類比，闡明核酸與核苷酸之間的關系。提供資料: 早在 20 世紀 30年代，人們就已經知道 DNA 是由 4 種堿基結合在戊糖和磷酸基之上，形成核苷酸。展示 4 種堿基、磷酸分子、脫氧核糖模型，要求學生組裝成脫氧核苷酸模型。
設計意圖: 利用已有知識類比推理新知識，理解大分子物質是通過結構單體結合起來的，并能親自動手組裝成模型，為后續活動做鋪墊。
4．3展示 DNA 探究史，構建 DNA 模型
利用教師提供的資料，小組開展探究活動，先構建脫氧核苷酸鏈，在討論堿基配對方式及鏈的方向問題，引導學生逐步構建出 DNA 雙螺旋結構。在一系列探究活動中，發展科學思維與建模能力，落實學科核心素養。
資料 1:1951 年，英國化學家托德提出核苷酸分子間的化學連接方式。他認為核苷酸與核苷酸之間通過磷酸二酯鍵(脫氧核糖的 3 位碳原子與相鄰核苷酸的磷酸發生化學反應形成的化學鍵)連接。
資料 2: 1950 年初，三個研究組展開了對 DNA 結構的研究。美國化學家鮑林提出了一個以糖和磷酸骨架為中心的三鏈螺旋結構，結果以失敗告終。威爾金斯和富蘭克林小組，根據DNA 衍射圖像，指出了 DNA 是一個雙鏈同軸排列，確定了螺距和直徑，但他們并沒有得出正確的結論。沃森和克里克聽取富蘭克林關于 DNA 結構的報告后，先后建立了單鏈模型和三股模型，結果都以失敗告終。后來他們在看到威爾金斯提供的一些最新的 X 射線照片，其中包括由富蘭克林拍攝的但一直沒有公布的DNA X 射線衍射照片時，幾乎可以確定 DNA 是規則的雙螺旋結構。
資料 3: 1952 年威爾金斯用改進的技術獲得了較好的 DNA 衍射圖，在看到那張照片之后，即刻得出磷酸基團－脫氧核糖在外側、堿基位于內側的結論，隨后證明是正確的。
資料 4: 20 世紀 50 年代初，查哥夫應用紫外分光光度法和紙層析等技術，對多種生物的 DNA 做堿基定量分析，發現了 DNA 中堿基的規律(表 1)。
4．3．1
活動 1: 構建脫氧核苷酸鏈模型
學生閱讀資料 1，利用堿基、脫氧核糖、磷酸模型構建脫氧核苷酸鏈模型。
設疑: DNA 是幾條鏈 DNA 雙螺旋中磷酸基團－脫氧核糖與堿基分布在什么部位
學生通過閱讀資料 2，能夠很容易得出 DNA 是規則的雙螺旋結構。在討論磷酸基團－脫氧核糖和堿基排列問題時可以類比磷脂分子的結構，鼓勵學生大膽猜想，最后展示資料 3，驗證學生的猜想。
設計意圖: 學生已經學過磷脂分子的結構，有親水的頭部和疏水的尾部，知道細胞膜中的兩層磷脂如何排列，可以類比磷脂分子介紹脫氧核苷酸中親水的磷酸基團和脫氧核糖，疏水的堿基，讓學生推理它們在DNA 中的排列位置，發展學生科學探究與科學思維的能力。
4．3．2活動 2: DNA 內部堿基之間是如何配對的
學生閱讀資料 4，從資料中獲取關鍵信息: A 和 T 的數量相等，C 和 G 的數量相等。然后教師介紹堿基互補配對原則及卡加夫法則，學生繼續修正自己構建的 DNA模型。
設計意圖: 學生通過閱讀材料獲取信息，引導學生推理出卡加夫法則，發展學生科學思維能力，同時體會科學的發展不是一蹴而就，而是由許多科學家共同努力的結果。
4．3．3活動 3: DNA 的兩條鏈是正向平行還是反向平行
學生繼續活動，依據堿基互補配對原則進行組建，學生組建了兩種模型(圖 1、2)。
設疑: 到底哪一種是 DNA 的正確結構呢 教師展示腺嘌呤與胸腺嘧啶，鳥嘌呤與胞嘧啶的結構，并分析氫鍵形成的條件必須是帶正電荷原子或基團與帶負電荷原子或基團相互靠近才能形成。
設計意圖: 通過學生活動搭建出兩種 DNA 結構，引發討論，激發學生思維，教師通過展示堿基結構，分析形成氫鍵的條件，引導學生進一步修正 DNA 模型，發展學生科學思維能力。
4．3．4活動 4: 構建立體的 DNA 雙螺旋結構
引導學生利用 DNA 平面結構構建立體結構。左手拿著 DNA的底部，右手拿著 DNA 的上部，向右螺旋得到立體的DNA 模型。
設計意圖: 引導學生構建 DNA 的立體結構，體驗成功的喜悅，加深對 DNA 結構的理解，為后續評價活動做鋪墊。
4．3．5活動 5: 利用各小組構建的模型，討論 DNA 上的遺傳信息及 DNA 結構保持穩定的原因
各小組展示構建的 DNA 模型，讀出 DNA 上的遺傳信息，分析DNA 結構穩定性的原因。教師以問題串的形式引導學生分析:DNA 上的遺傳信息是什么 為什么說 DNA具有多樣性又具有特異性 DNA 模型上排列在外側(基本骨架)的是什么 排列在內部的是什么 你構建的 DNA 螺距是多少 一個螺旋包含幾個堿基 通過討論與分析，師生得出 DNA 上堿基的排列順序就代表遺傳信息，不同 DNA 分子上的遺傳信息不同，具有特異性;DNA 內部的氫鍵以及骨架上的磷酸二酯鍵等確保其結構的穩定性，從而確保了親代與子代間的遺傳穩定性。
設計意圖: 利用學生構建好的 DNA 模型回答教師的提問，在回答問題的過程中落實本節課的重難點內容，同時也能夠回答情境中創設的問題，DNA 上堿基的排列順序可以代表遺傳信息，不同人的 DNA 上的信息不同，可以做身份鑒別，DNA 通過相關化學鍵維系結構的穩定性。
4．4學以致用，以評價促發展
如果你身邊有被拐賣的兒童，你有什么建議嗎 2021 年 7 月，新冠病毒變異株 Delta 在中國南京、揚州、鄭州等地區暴發，中國政府采取積極的措施進行防御，包括當地全員做核酸檢測，為什么核酸檢測能夠快速發現感染者
設計意圖: 設置開放性問題，多元化評價學生學習成果。通過本節課的學習，學生能夠利用 DNA 分子的多樣性和特異性的特點解決一些實際問題，能夠理解一些生物學原理，并能向大眾普及生物學知識，落實社會責任。
5.教學反思
本節課充分體現了學生的主體地位，教師提供資料，學生動手組建模型，在探索構建模型的過程中落實學科核心素養。從課堂實踐效果來看，設置的活動基本都能完成，學生對 DNA 的結構及特點理解透徹，但在構建 DNA 鏈時，有小組對磷酸二酯鍵理解不到位，表現在多一個或者少一個磷酸基團的現象，教師授課時可以重點關注;在構建 DNA 立體模型時，個別小組可能會構建出環狀、左螺旋等情況，教師可以提供資料引導學生進一步探究。

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