制作DNA双螺旋结构模型教学案例

运用“体验—合作学习模式”
构建 DNA的结构模型
——人教版必修二“制作DNA双螺旋结构模型”的教学案例

模型建构是自然科学研究中一种常用的方法。当研究对象难以直接操作或研究时，可考虑用模型来模拟研究对象。理解模型和领悟模型方法已经成为高中生物学新课程重要内容之一，其价值是让学生通过尝试建立模型，体验建立模型中的思维过程，领悟模型方法，并获得或巩固有关生物学概念。理解模型和领悟模型方法的重要方式就是进行模型建构活动。本文以“制作DNA双螺旋结构模型”为例谈谈模型建构活动的组织和实施。
一、教学策略
1.体验模型建构的研究方法，学习建立并源自体验。“在体验中发展”是本节教学的基础、切入点和精髓。本节课先运用“先行组织者”策略，复习沃森和克里克DNA双螺旋结构模型的要点，引导学生建立DNA分子结构的概念模型；然后以小组合作为核心制作DNA的双螺旋结构物理模型，主要是对已知“DNA分子为双螺旋结构”的概念进行具体化，再现难以直接观察到的DNA分子结构，加深对DNA分子结构特点的认识和理解，并体验具体化的模型的作用；最后通过分析物理模型，寻求变量间的关系,进行归纳推理，进一步构建数学模型。
2. 小组合作实现共同的目标 小组合作学习是课程改革积极倡导的有效学习方式之一，它有利于学生优势互补、形成良好人际关系，促进学生个性健全发展，正日益受到广大师生的青睐。合作学习不仅是一种学习策略，更是一种生活方式。为了确保合作学习的有效性，本节课主要从以下几方面着手：引导小组确立一致的目标；敦促小组成员遵守共同认可的合作规范；创设彼此信赖、互相支持的合作氛围；营造和谐、民主、安全的课堂环境；以小组总体成绩作为奖励或认可的依据，形成“组内合作，组间竞争”的新格局。
二、课前准备
1．分组 按照“组间同质、组内异质”的原则，教师将全班56人分成8个学习小组，每组7人。组间同质为小组间的公平竞争打下了基础，组内异质为小组内的互相帮助提供了可能。
2. 课堂的安排和布置 在合作学习中，教师注意力的核心是学生的同伴关系和任务小组。因此，本节课安排在实验室进行，8张解剖桌，每桌可围坐7人，小组成员能围成一圈并互相靠近，便于相互有效地交流并避免打扰他组；座位空间也足以教师靠近每个小组，方便对合作学习进行及时指导和监控。
3． 材料准备 8套DNA概念模型的剪贴图（自制）、泡沫塑料、不同颜色的纸板、牙签、橡皮泥、曲别针、大头针、订书钉、棉绳、铁丝等。
三、教学过程与活动组织
（一） 构建概念模型作为“先行组织者” 以概念模型作为组织者，其主旨是让学生进行有意义的建构物理模型之前，在他们“已经知道的”和“需要知道的”知识之间架设起桥梁。
（二）图解DNA的结构层次 按照“空间结构→平面结构→单链结构→基本单位”的顺序，即由立体到平面，由大分子到组成单位，向学生再现DNA分子的空间结构、平面结构及化学组成。
 

（三）小组讨论组拼概念模型剪贴图

（四）制作DNA结构的物理模型
1．布置任务——个人自学
缺少独立思考的讨论和协作不是真正的合作学习，因此，个人自学是合作学习的基础。教师向学生提出目标任务：每组制作一个含20个碱基对的DNA片段，每个小组成员至少组装2个脱氧核苷酸。比一比：哪个小组制作得又快又好？赛一赛：哪个小组制作的模型最有创意？然后学生进行自学，独立去发现问题、研究问题和探寻方法。
2．小组分工——明确责任
每组推举组长1人，然后由组长确定记录员、汇报员、噪音监督员各1人，操作员3人。小组长的主要职责是对成员进行分工，组织全组有序地开展讨论交流、动手操作等活动。记录员的主要职责是记录讨论交流的重要内容、绘制设计图纸。噪音监督员的职责是在小组讨论声音较大时及时提醒和制止。汇报员主要职责是代表小组进行交流汇报、展示成果。操作员主要职责是动手操作。小组成员既要积极承担个人责任，又要相互支持、密切配合，发挥团队精神，有效地完成小组学习任务。
3．小组讨论——模型设计
小组讨论是合作学习的灵魂。在课堂上，七个脑袋凑在一起讨论什么？怎样讨论？讨论的效率如何？这些问题教师要精心谋划。本节课建议每个小组围绕如下问题进行讨论设计并绘出设计图：
（1）设计一个脱氧核苷酸模型：分别选用什么材料代表脱氧核糖、磷酸和碱基？这三种物质是在什么部位相互连接？我们怎样正确连接这些材料？
（2）设计一条脱氧核苷酸长链模型：DNA一条链中相邻两个脱氧核苷酸在什么部位相连？我们如何正确连接？
（3）设计脱氧核苷酸双链模型：如何体现两条链是反向平行的？又怎样体现两条链之间的碱基互补配对？
（4）如何维系DNA的立体构型？
对于讨论的结果，记录员要认真记录。
五、组内协作——模型制作
小组长带领所有成员协作进行模型制作，是本次合作学习的主体。教师可建议按设计图和以下操作程序实施：
1．选择合适的材料分别制成相关配件（如代表脱氧核糖的配件、代表不同碱基的配件等）；
2．选择适宜的磷酸二酯键、氢键连接物将各种配件整合在一起；
3．选择恰当的DNA分子骨架连接物来维系双螺旋结构。
此间，教师一方面要关注学生合作状况，关注学生与他人合作的态度，适时介入作出合理的评价；另一方面，对合作学习的过程进行适当的监督，如噪音过大，应及时制止或调动小组中噪音控制员的作用。
六、表达交流——模型评价
1．交流汇报 交流是合作的延续，是人际交往的基础。模型制作完毕后，教师应引导汇报员从以下几方面进行交流和展示：
我们小组制作的方法是什么？
我们小组是如何分工的？
我们小组有哪些创新之处？
我们小组还有什么问题没有解决？
每个小组汇报交流的时间建议不超过2分钟，小组汇报过程中，要教育其他小组的成员学会倾听。鼓励其他小组的同学在听完汇报后提出问题，并可由该组的任意一位同学来回答，让学生在交流和探讨中，使思维得到充分发展。
2．展示成果 各小组将制作的模型相互交换，检查纠错，完善提高。教师可建议从以下方面互查和反思：
（1）DNA有没有扭成双螺旋？
（2）DNA两条链是否反向？
（3）碱基对的连接是否遵循互补配对原则？
（4）我们小组制作的模型与该模型有哪些不同之处？
（5）该模型还可以如何进一步改进？
3．总结评价 以小组的总成绩作为激励依据，全面促进学生知识、能力、情感、态度、个性和谐发展。评价观念上由侧重甄别转向侧重发展，评价方式从传统的量化评价一统天下转变为以质性评价为主。
（1）特别注重过程评价 在小组合作学习中，学生的参与、围绕问题的议论和争辩的积极性、提出自己的见解、疑问、表述自己的观点等应是教师评价的关注点，据此教师可设置“最佳沟通奖”、“配合默契奖”、“共同进步奖”。
（2）结果评价不可或缺 合作学习强调过程评价，并不是完全忽视学生学习活动的成果。相反，教师要尽力让学生感受、体验成功和收获的乐趣。据此教师可设置“最佳模型奖”。
（3）关注动态生成性 小组合作学习的动态过程中，学生思维活跃，不可预约的精彩——“生成”经常会光临。在评价小组合作学习时，不仅要关注预设目标的完成，更要关注是否有生成。据此教师可设置“集体智慧奖”或“最佳创意奖”。
课堂精彩剪影：
（1）有4个小组注意到嘌呤是双环化合物、嘧啶是单环化合物，制作的嘌呤配件比嘧啶大，以体现这种结构上的差异；
（2）有3个小组在连接碱基对时，用2个订书钉连接A和T，用3个订书钉连接C和G，以表示氢键数目的差异；
（3）有1个小组的设计独具慧眼：他们计算20个碱基对的DNA片段实际高度为6.8nm,直径为2.0nm,高度与直径之比为3.4：1，故他们依据同比放大的原则，所设计的模型高度为68cm，直径为20cm。
教师要充分关注同学们在讨论中碰出的智慧火花，毫不吝啬地进行表扬激励，让星星之火成燎原之势。
七、因势利导构建数学模型
1． 体验DNA分子结构模型的多样性和特异性
看一看：每组制作的模型与其他组相同吗？
2．探寻DNA分子结构多样性和特异性的原因
想一想：各组所制作模型的差异在哪里？
试一试：写出本组所制作模型的碱基对排列顺序。
3．数学语言表示DNA分子的多样性和特异性
（1）创设情境，数学推算
情境1：我们制作的 DNA片段模型最多有多少种？
情境2：我们与邻组制作的模型，碱基序列完全相同的概率有多大？
（2）归纳推理，拓展规律 某DNA片段有n个碱基对，则该DNA片段可能的碱基排列顺序有多少种？