科學史和模型在“遺傳信息的攜帶者
——核酸”教學設計中的應用

王云飛

(山東省東營市第二中學 東營 257000)

1 教材分析與設計思路

“遺傳信息的攜帶者——核酸”是人教版高中生物學教材必修1第2章第3節的內容。核酸是構成細胞的六大類化合物之一，認識核酸的結構及其在生命活動中的地位和作用是學生學習必修2“基因本質”的基礎，所以本節內容是必修1第2章的重點，而核酸及其基本單位的結構、核酸的功能又是本節課的重難點。

筆者在“核酸”這一節的教學中，補充科學史資料，引導學生分析并發現生物學事實，厘清知識的來龍去脈，并利用模型構建活動引導學生深入了解核苷酸、核酸的結構并理解核酸是儲存遺傳信息的生物大分子。在此過程中，培養學生尊重事實的科學精神以及歸納與概括、模型與建模等科學思維能力。

2 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) 通過對核酸模型中堿基序列的分析，概述核酸具有特異性、多樣性的原因，從而認識生物的獨特性、復雜性，培養結構與功能相適應的觀念。

(2) 通過對科學史資料的解讀以及小組合作模擬核苷酸聚合形成長鏈的過程，學會基于一定的生物學事實構建模型，提升科學思維能力。

(3) 通過了解科技發展前沿信息，能利用所學生物學知識分析有關先進科技研究成果的意義，增強社會責任感。

3 教學過程

3.1 創設生活化情境，導入新課 核酸這一概念學生幾乎不了解，但是在日常生活中卻經常聽說DNA，學生通過媒體等渠道對親子鑒定、利用DNA鑒定技術破案等相關技術也有些了解，但并不深入。本節課教師通過播放“公安機關利用DNA指紋技術偵破案件”的一段視頻引出DNA鑒定技術的相關應用，并提出問題： 為什么DNA能確定犯罪嫌疑人的身份？以此引入本節課。

設計意圖： 找到學生已有經驗與新知識的連接點，將問題融于情境，讓學生感受到生物學知識學習的樂趣，激發學生的好奇心和求知欲。

3.2 分析資料，構建核苷酸結構模型 提供資料： 1868年瑞士科學家米舍爾在研究膿血細胞成分時，用酒精處理掉細胞中的脂肪性物質，用豬胃蛋白酶處理蛋白質，從而得到細胞核，他分析細胞核中的各種化學物質后，發現核中存在著磷酸；1894年科學家漢默發現酵母核酸中含有五碳糖；19世紀末20世紀初，德國的科塞爾和俄國的萊文經過不斷努力，發現核酸中還有含氮堿基，并且確認共有五種(A、 G、 C、 T、 U)。在核酸中五碳糖有兩種： 分別是核糖和脫氧核糖，由此證明了核酸實際上有兩種： 即脫氧核糖核酸和核糖核酸，也就是DNA和RNA[1]。

學生通過閱讀科學研究資料，了解核酸的種類，小組討論總結出磷酸、五碳糖、含氮堿基是組成核酸的基本成分。教師出示兩種五碳糖的結構示意圖，引導學生觀察示意圖了解兩者的結構并明確5個碳原子的位置，對比它們的不同。同樣，教師出示含氮堿基的結構示意圖，介紹五種含氮堿基，提示學生可以利用聯想記憶法，如C代表胞嘧啶(是英文Cytosine的首字母)，而細胞英文Cell的首字母也是C，來巧妙地記憶含氮堿基的簡稱。

教師介紹： 經過科學家的測定，DNA分子量在幾十萬到幾百萬之間。氨基酸通過脫水縮合形成了生物大分子蛋白質，那么同樣是生物大分子的核酸，是否也有其小分子的基本單位呢？并提供資料： 20世紀30年代初，俄國的萊文又發現核酸可被初步水解成小的片段，一個片段中含有一分子磷酸、一分子五碳糖、一分子含氮堿基，這樣的組合叫核苷酸[2]。核苷酸就是核苷與磷酸的反應產物，核苷由五碳糖的第一位碳原子與堿基連接形成，生物體內核苷酸的磷酸分子通常連接在五碳糖第五位碳原子上。

用不同形狀的泡沫板代表不同結構，牙簽代表化學鍵，請學生通過小組合作構建盡量多種類的脫氧核苷酸或核糖核苷酸(圖1)。完成后各小組展示構建的核苷酸模型，小組間相互點評并糾正模型存在的問題。

圖1 學生小組合作構建的核苷酸模型

設計意圖： 通過分析資料以及構建核苷酸結構模型，學生對核苷酸結構能有深入了解。培養學生閱讀資料獲取信息以及小組合作能力。

3.3 分工合作，模擬核苷酸聚合形成核酸的過程 核酸的基本單位是核苷酸，核苷酸又是如何連接構成核酸的呢？提供資料： 實驗證明，DNA和RNA都是核苷酸相連構成的長鏈結構且分子量巨大，核苷酸相連時，第三位碳原子上的羥基和相鄰核苷酸的磷酸相連，把存在于核苷酸間的連接鍵稱為磷酸二酯鍵[1]。RNA一般以單鏈形式存在，而DNA通常由兩條脫氧核苷酸鏈構成，而且DNA會形成獨特的空間結構——雙螺旋結構。

學生分析資料后通過小組合作，利用構建的四種核苷酸連接成一條核苷酸鏈，并記錄堿基的排列順序。各小組展示核酸結構模型，其他小組對模型準確性、美觀性進行點評。教師引導學生利用表格對DNA和RNA的基本單位、空間結構等進行比較。

設計意圖： 利用核苷酸構建核酸結構模型，學生能真正理解“核酸是由核苷酸聚合而成的長鏈[3]”這一概念，為接下來學習核酸的功能做鋪墊。

3.4 核酸的功能 每個個體的遺傳信息各不相同，但是構成DNA的堿基卻只有四種，DNA是如何儲存大量遺傳信息的呢？各小組分享記錄的脫氧核苷酸鏈中四種堿基的排列順序，歸納堿基數目與排列順序種類的關系，總結出核酸的功能。引導學生理解DNA是絕大多數生物的遺傳物質，DNA分子的多樣性、特異性決定了生物的多樣性、特異性。學生分享相關文學作品，感受生命的獨特與美麗。

設計意圖： 學生對構建的核酸結構模型進行深入挖掘，理解核酸的功能。通過欣賞相關文學作品深切感受生命的珍貴，學會尊重生命、珍視生命。

3.5 拓展延伸 提供新聞資料： 2018年《自然·生物技術》報導，有一個國際團隊研制出了一種基因測序裝置，只有手機大小而且方便攜帶，可以對完整人類DNA進行測序。其團隊成員之一賈斯丁·奧格雷迪表示，這項技術具有非常重要的意義，它為基因組進行個性化測序提供了極大的便利，用于診斷各種癌癥等疾病也是指日可待。

教師提供具體的案例： 近幾年甲狀腺癌發病率逐年上升，已成為當今醫學研究的熱點之一。經研究發現，甲狀腺癌的發生和發展由BRAF、 RET、 RAS等相關基因控制。BRAF基因可調控基因表達，使細胞骨架重構及調節細胞代謝，最終導致細胞轉化和癌變；RET基因與癌細胞的分裂、凋亡過程有很重要的關系；RAS基因能夠造成細胞生長信號失去控制而持續釋放，最終形成癌變[4]。在甲狀腺癌的診斷、治療過程中，如果通過甲狀腺癌的相關基因BRAF、 RET、 RAS的檢測，在早期就能夠判斷甲狀腺結節是否為惡性，對于患者有十分重要的意義。

讓學生閱讀資料，分析DNA測序及研究的價值。此后，考慮該項技術還有哪些應用。

設計意圖： 讓學生通過閱讀資料，了解最新相關科學研究進展，能解釋或解決實際生活中相關的問題，而且能培養學生的社會責任感。

4 教學反思

在本節課的教學中，筆者以核酸研究歷程為主線創設情境，挖掘科學史料中豐富的教育教學資源，幫助學生厘清知識的來龍去脈，對教材內容進行適當的拓展延伸，并且以層層遞進的問題為導向來激發學生的思維。

其間，通過構建核苷酸、核酸結構模型，將抽象的概念具體化，學生興趣盎然，很好地掌握了本節課的核心概念，順利突破重點難點。此外，本節課注重科學、技術、社會相聯系，學生學會在真實情境中分析并解決問題，提升核心素養。