科学史和模型在“遗传信息的携带者——核酸”教学设计中的应用

王云飞

(山东省东营市第二中学 东营 257000)

1 教材分析与设计思路

“遗传信息的携带者——核酸”是人教版高中生物学教材必修1第2章第3节的内容。核酸是构成细胞的六大类化合物之一，认识核酸的结构及其在生命活动中的地位和作用是学生学习必修2“基因本质”的基础，所以本节内容是必修1第2章的重点，而核酸及其基本单位的结构、核酸的功能又是本节课的重难点。

笔者在“核酸”这一节的教学中，补充科学史资料，引导学生分析并发现生物学事实，厘清知识的来龙去脉，并利用模型构建活动引导学生深入了解核苷酸、核酸的结构并理解核酸是储存遗传信息的生物大分子。在此过程中，培养学生尊重事实的科学精神以及归纳与概括、模型与建模等科学思维能力。

2 教学目标

基于课程标准的内容要求、学业要求和学业质量标准，并围绕培养学生核心素养的要求,制订了如下教学目标：

(1) 通过对核酸模型中碱基序列的分析，概述核酸具有特异性、多样性的原因，从而认识生物的独特性、复杂性，培养结构与功能相适应的观念。

(2) 通过对科学史资料的解读以及小组合作模拟核苷酸聚合形成长链的过程，学会基于一定的生物学事实构建模型，提升科学思维能力。

(3) 通过了解科技发展前沿信息，能利用所学生物学知识分析有关先进科技研究成果的意义，增强社会责任感。

3 教学过程

3.1 创设生活化情境，导入新课 核酸这一概念学生几乎不了解，但是在日常生活中却经常听说DNA，学生通过媒体等渠道对亲子鉴定、利用DNA鉴定技术破案等相关技术也有些了解，但并不深入。本节课教师通过播放“公安机关利用DNA指纹技术侦破案件”的一段视频引出DNA鉴定技术的相关应用，并提出问题： 为什么DNA能确定犯罪嫌疑人的身份？以此引入本节课。

设计意图： 找到学生已有经验与新知识的连接点，将问题融于情境，让学生感受到生物学知识学习的乐趣，激发学生的好奇心和求知欲。

3.2 分析资料，构建核苷酸结构模型 提供资料： 1868年瑞士科学家米舍尔在研究脓血细胞成分时，用酒精处理掉细胞中的脂肪性物质，用猪胃蛋白酶处理蛋白质，从而得到细胞核，他分析细胞核中的各种化学物质后，发现核中存在着磷酸；1894年科学家汉默发现酵母核酸中含有五碳糖；19世纪末20世纪初，德国的科塞尔和俄国的莱文经过不断努力，发现核酸中还有含氮碱基，并且确认共有五种(A、 G、 C、 T、 U)。在核酸中五碳糖有两种： 分别是核糖和脱氧核糖，由此证明了核酸实际上有两种： 即脱氧核糖核酸和核糖核酸，也就是DNA和RNA[1]。

学生通过阅读科学研究资料，了解核酸的种类，小组讨论总结出磷酸、五碳糖、含氮碱基是组成核酸的基本成分。教师出示两种五碳糖的结构示意图，引导学生观察示意图了解两者的结构并明确5个碳原子的位置，对比它们的不同。同样，教师出示含氮碱基的结构示意图，介绍五种含氮碱基，提示学生可以利用联想记忆法，如C代表胞嘧啶(是英文Cytosine的首字母)，而细胞英文Cell的首字母也是C，来巧妙地记忆含氮碱基的简称。

教师介绍： 经过科学家的测定，DNA分子量在几十万到几百万之间。氨基酸通过脱水缩合形成了生物大分子蛋白质，那么同样是生物大分子的核酸，是否也有其小分子的基本单位呢？并提供资料： 20世纪30年代初，俄国的莱文又发现核酸可被初步水解成小的片段，一个片段中含有一分子磷酸、一分子五碳糖、一分子含氮碱基，这样的组合叫核苷酸[2]。核苷酸就是核苷与磷酸的反应产物，核苷由五碳糖的第一位碳原子与碱基连接形成，生物体内核苷酸的磷酸分子通常连接在五碳糖第五位碳原子上。

用不同形状的泡沫板代表不同结构，牙签代表化学键，请学生通过小组合作构建尽量多种类的脱氧核苷酸或核糖核苷酸(图1)。完成后各小组展示构建的核苷酸模型，小组间相互点评并纠正模型存在的问题。

图1 学生小组合作构建的核苷酸模型

设计意图： 通过分析资料以及构建核苷酸结构模型，学生对核苷酸结构能有深入了解。培养学生阅读资料获取信息以及小组合作能力。

3.3 分工合作，模拟核苷酸聚合形成核酸的过程 核酸的基本单位是核苷酸，核苷酸又是如何连接构成核酸的呢？提供资料： 实验证明，DNA和RNA都是核苷酸相连构成的长链结构且分子量巨大，核苷酸相连时，第三位碳原子上的羟基和相邻核苷酸的磷酸相连，把存在于核苷酸间的连接键称为磷酸二酯键[1]。RNA一般以单链形式存在，而DNA通常由两条脱氧核苷酸链构成，而且DNA会形成独特的空间结构——双螺旋结构。

学生分析资料后通过小组合作，利用构建的四种核苷酸连接成一条核苷酸链，并记录碱基的排列顺序。各小组展示核酸结构模型，其他小组对模型准确性、美观性进行点评。教师引导学生利用表格对DNA和RNA的基本单位、空间结构等进行比较。

设计意图： 利用核苷酸构建核酸结构模型，学生能真正理解“核酸是由核苷酸聚合而成的长链[3]”这一概念，为接下来学习核酸的功能做铺垫。

3.4 核酸的功能 每个个体的遗传信息各不相同，但是构成DNA的碱基却只有四种，DNA是如何储存大量遗传信息的呢？各小组分享记录的脱氧核苷酸链中四种碱基的排列顺序，归纳碱基数目与排列顺序种类的关系，总结出核酸的功能。引导学生理解DNA是绝大多数生物的遗传物质，DNA分子的多样性、特异性决定了生物的多样性、特异性。学生分享相关文学作品，感受生命的独特与美丽。

设计意图： 学生对构建的核酸结构模型进行深入挖掘，理解核酸的功能。通过欣赏相关文学作品深切感受生命的珍贵，学会尊重生命、珍视生命。

3.5 拓展延伸 提供新闻资料： 2018年《自然·生物技术》报导，有一个国际团队研制出了一种基因测序装置，只有手机大小而且方便携带，可以对完整人类DNA进行测序。其团队成员之一贾斯丁·奥格雷迪表示，这项技术具有非常重要的意义，它为基因组进行个性化测序提供了极大的便利，用于诊断各种癌症等疾病也是指日可待。

教师提供具体的案例： 近几年甲状腺癌发病率逐年上升，已成为当今医学研究的热点之一。经研究发现，甲状腺癌的发生和发展由BRAF、 RET、 RAS等相关基因控制。BRAF基因可调控基因表达，使细胞骨架重构及调节细胞代谢，最终导致细胞转化和癌变；RET基因与癌细胞的分裂、凋亡过程有很重要的关系；RAS基因能够造成细胞生长信号失去控制而持续释放，最终形成癌变[4]。在甲状腺癌的诊断、治疗过程中，如果通过甲状腺癌的相关基因BRAF、 RET、 RAS的检测，在早期就能够判断甲状腺结节是否为恶性，对于患者有十分重要的意义。

让学生阅读资料，分析DNA测序及研究的价值。此后，考虑该项技术还有哪些应用。

设计意图： 让学生通过阅读资料，了解最新相关科学研究进展，能解释或解决实际生活中相关的问题，而且能培养学生的社会责任感。

4 教学反思

在本节课的教学中，笔者以核酸研究历程为主线创设情境，挖掘科学史料中丰富的教育教学资源，帮助学生厘清知识的来龙去脉，对教材内容进行适当的拓展延伸，并且以层层递进的问题为导向来激发学生的思维。

其间，通过构建核苷酸、核酸结构模型，将抽象的概念具体化，学生兴趣盎然，很好地掌握了本节课的核心概念，顺利突破重点难点。此外，本节课注重科学、技术、社会相联系，学生学会在真实情境中分析并解决问题，提升核心素养。