发布时间 : 星期一 文章必修2 遗传与进化学案 《DNA分子的结构》更新完毕开始阅读61ee6160e3bd960590c69ec3d5bbfd0a7956d51e
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新课程探讨：全国生物教育教学年会观摩课
2006年10月18日至21日，全国生物教育教学第十届年会塈常务理事大会在辽宁省大连市育明高中召开，现将年会安排的1节观摩课的实况及相关点评选编如下。
1 《DNA分子的结构》教学实录 [说明：此实录由慕晓茹、吴敬洪两位老师供稿，在编辑过程中做了删改。执教人是辽
宁省大连市育明高中的王震春老师，授课年级为高一]
1.1 创设情境，提出问题
师：（展示911事件中飞机撞世贸大厦的图片2张）请同学们看大屏幕，有印象吗？……很多尸体被砸得支离破碎，面目全非。怎样在短时间内把死者的身份鉴定出来？有什么好方
法？哪位同学知道？
生：（看大屏幕）主要是看DNA……根据DNA测出的结果，就可以判定。 师：很好!DNA测试。为什么检测DNA就可以确定他们的身份？到底是检测DNA的什么？
化学元素组成？结构？还是其他？ 师：（幻灯片显示图片）带着这样的一个问题，我们不妨把自己的思路追溯到五十多年以前。五十年前，科学家对DNA的认识已经达到了这样的水平，同学们看一看，是不是有似曾相识的感觉？这是什么？看样子结构很复杂，能不能根据你所学的（知识）推测一下？
生：（看大屏幕，小声）脱氧核苷酸链
师：大点声音! 脱氧核苷酸链，很好!这个结构很复杂，用简单的几何图形把它表示出来的话，可能大家就能回忆起你们以前学过的知识了。看这个(停顿，示图局部,并向右侧拉
出T)，化学名称？
生：胸腺嘧啶。
师：(拖动平面图中的碱基A)它的化学名称呢？
生：腺嘌呤
师：（拖动平面图中的碱基C）这个呢？
生：胞嘧啶
师：（拖动平面图中的碱基G）这个呢？
生：鸟嘌呤。
师：这是什么呀？构成DNA的，四种，含氮的。
生：碱基。
师：四种含氮的碱基我们知道了。看一下这个(PPT闪动示中间的脱氧核糖)，中间的五
边形所表示的是什么？
生：脱氧核糖。 师：那么这个圆圈呢？
生：磷酸。
师：磷酸、脱氧核糖以及四种含氮的碱基互相结合可形成什么？构成ＤＮＡ的基本单位，
脱氧核苷酸。共有几种？
师生：四种。分别是腺嘌呤脱氧核苷酸，鸟嘌呤脱氧核苷酸，胞嘧啶脱氧核苷酸和胸腺
嘧啶脱氧核苷酸。
师：同学们再仔细看一看，这几种碱基，用这样几种几何图形表示出来，它们之间有什么区别呀？能看出来吗？T和C是什么样的碱基，有印象吗？(指定一个学生)
生：(迟疑)单环
师：是，嘧啶，单环结构。
师：A和G？
生：(迟疑)双环
师：是，嘌呤，双环结构，很好!那么，这些基本单位又是如何进一步化合，来看演示，
有没有印象？叫什么？
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生：（迟疑、不肯定）聚合反应。
师：发生聚合反应。依次连接形成脱氧核苷酸链。你们再来看这张图，是不是和教材上的那张图很接近了？我刚才说了，在50多年前，科学界对DNA的结构组成的认识就已经达到了这样的水平了，在这同一时期，有实验已得出了一个可靠结论，就是生物的遗传物质到
底是什么，知道吗？(看名单指定学生) 生：（有同学在迟疑，声音很小）基因
师：基因，好。
生：DNA
师：DNA，其实，在50年以前，已经知道绝大多数的生物遗传物质是DNA，所以，当时很多的科学家把他们的注意力转移到了DNA身上。那么，作为咱们同学来讲，你们现在对
DNA分子的“什么”最感兴趣？对DNA的哪些方面最感兴趣？
生：组成。
师：大声点!组成已经清楚了呀!假如说，遗传是DNA的一种功能体现的话，那么，决定
这种功能的应该是什么？
生：结构。
师：没错!结构! 为什么是结构？……
1.2 借助图片，制做模型
师：在1951年，很多科学家对DNA的结构研究展开了一场竞赛。有两位年轻的学者最终获得了胜利，开辟了生命科学的新纪元。本节课，我也希望能和同学们一起追朔两位科学家的思想历程，我们也来尝试探究一下，20世纪最伟大的生命科学领域的发现究竟是怎样被揭示的呢？1950年前后，在沃森与克里克之前，英国的两位科学家（维尔金斯和弗兰克林）已经对DNA的结构展开了深入的研究，他们利用当时很先进的一种研究分子结构的技术，叫做X－射线衍射技术，得到了DNA分子结晶衍射图，我们不妨也来欣赏一下这张图片（显
示图片）。
师：同学们看到这张图片有什么感觉呀？
生：没有。
师：没有感觉？不可能没有感觉。是否发现这张图片的一种“美”？
生：对称美。
师：很好！对称美，是上下左右对称……
师：当然，由于我们现在学识所限，对这张图片的信息解读是很有限的。但这在弗兰克林、克里克等科学家的眼里，这张图片所包含的信息，可以说应该相当丰富了。对他们揭示
DNA的结构，产生了巨大的帮助。
师：好了，通过这张图，他们看到了对称性，简单地说，这些科学家从这样一张图片他
们得到了一个很关键的结论：DNA最可能是成规则的双链螺旋结构。
师：有同学说，我怎么看不出来这是双链结构？我刚才说了，我们同学还需要继续的学习，提高自身（素质），你要是感兴趣的话，将来一定能弄明白。在同时期，他们得到了这张图像的信息，除受到这张图片的影响外，他们对DNA结构的研究的方法还受到一个重要人物的影响，那就是美国著名化学家林纳斯鲍林，这个化学家他开始主要是研究蛋白质结构的（呈现鲍林与其搭建的蛋白质α－螺旋模型合照图片），后来也开始从事DNA研究了。他是用什么方法呢？除了用X射线衍射技术，还用了构建模型的方法。很简单，就是像小孩摆积木一样，在实验室里，用这些圆球来构建分子结构模型。沃森与克里克也受到了他的方法影
响。
生：（小声议论，有的会意一笑）
师：我们来总结一下这些信息：他们已经知道DNA的化学组成（基本单位）是脱氧核糖核苷酸。通过X衍射图片又知道ＤＮＡ是两条链构成的螺旋结构。知道一种分子研究方法。所以，沃森和克里克就着手在实验里进行DNA模型的构建。下面，我也请同学们在有限的时间里面，也来尝试制做DNA模型。请同学们拿出手里的盒子，打开盒子看一下，两个同学一组，首先看一下我们构建DNA模型的材料，动手！盒子里面的小塑料构件都代表什么？（呈现幻灯片，定格在：DNA基本结构单位、二条链螺旋结构、模型的分子结构研究方法――搭
建模型的基础）
……
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师：（教师也拿起小构件）你在构建模型时首先要构建基本单位，脱氧核苷酸。脱氧核苷酸之间怎么联系呢？好，我就提示到这里。下面，给大家一点时间，在这些已知信息的基础上，看能不能来构建一个螺旋形结构。每一个小组同学可以讨论和商量，相互协作。 生：（两人一组，小声协商着，动手制做）
师：（走近学生，观察、提示、点拨）动作要快，尝试着做。沃森和克里克也是这样尝试着做的。操作的时候，要小心，塑料件比较小，不要丢失。注意我给同学们的信息，基本
单位，链状结构，螺旋型的。 生：（动手制作，约10分钟后）
师：我刚才在下面看了一下同学们的操作……我可以把它分为三个阶段或三个等级：初级阶段、中级和高级阶段。初级阶段，同学们看到这些配件的时候，好象感觉比较茫然，这些配件是怎么组合到一起的呢。中级阶段：单链做成（教师展示学生制作的单链），但还没有双链出现。高级阶段是：感觉已经初具规模（教师展示学生制作的双螺旋），双链螺旋结
构出现了。下面，我想请同学来谈谈制作时的基本思路。
生：制作时，我先观察了一下，它应该是对称的，整体上是两部分，所以我和小组的同学商量了一下，决定先做一条链。又发现在四种碱基中，有两种是凸出来的，有两种是凹进去的。有一种是三角形的，有一种是半球形的，应该能配成一对。按顺序把不同的碱基排好，
连接成一条链，然后再按照对应的顺序排好另一条链。最后一转。
师：我刚才发现他的两条链连接不上。于是，他拆了，又重新做，于是发现了规律，发现了接口，再重新做，结果，做出了这个模型。这种组建是不是完全正确，我先不评价，我想再请另一小组的同学谈谈想法。遇到什么问题？没关系，大胆的说出来，沃森和克里克遇
到的是和你们相同的问题。接反了，所以你的双螺旋结构模型还没有建立起来。 生：我根据学习的内容知道，一条DNA链的单位结构是脱氧核苷酸。我就想，肯定要先配成一个脱氧核苷酸。根据不同的圆柱体，配成了一个个的脱氧核苷酸。再试着把它们连起来。中间的脱氧核糖有好几个接口，一开始，我把它们接反了。后来就找不到正确的接法。
1.3介绍实验，研究规律
师：刚才同学们说出了面临的问题……只要给你们充足的时间，我相信，你们完全能建立起这个模型。但是，我们同样要认识到，在制作的时候，我们面临的问题（幻灯片展示问题），沃森和克里克同样也会面临。在已知的这些信息基础上，说的是两条链，比如说如何判断是两条链，可是这两条链螺旋到底是一种什么样的螺旋，应该有很多造型。这是一个。还有一个，这两条链又是怎么样连接在一起的呢？咱们同学很聪明，发现了凹进去和突出来的地方，可实际不是这么回事。第三个，碱基之间又是怎么配对呢？保证螺旋结构的直径不发生变化？刚才通过图片分析，已经知道了是等直径的结构。这些问题，怎么样解决？其实沃森和克里克在构建时，花了一年多的时间，建了拆、拆了建，正是由于他们的执著，1952年的春天，奥地利的生物化学家查哥夫到剑桥去访问，沃森与克里克得到一个非常重要的信息。什么信息呢？我们也不妨来看一看。查哥夫等科学家对不同生物来源的DNA碱基成分进行了分析，这是他们的分析数据(幻灯片演示)，我把这些数据整理了一下，现在提供给大家。就算是帮着查哥夫吧，请同学们分析，看看能得到什么有价值的结论？提示大家看二维表格
的时候，应该注意方向，先看横向对比，再纵向对比。
生：（举手）找到了碱基相接近的量等等现象
师：（等待，有同学举手了）我想提醒一下，其实我们学化学的时候都知道一个基础知识，叫做分析纯。那么大家说有没有百分之百纯的东西？不可能有。同样道理，在这种含量分析的时候，也不可能是完全相等的。在允许的误差范围内说：A与T相等，而且不仅是人
的，大鼠的、牛的、鸡的A与T或C与G怎样？
生：不一样的动物，含腺嘌呤与含胸腺嘧啶的量接近，G和C——
师：都接近！很好！还有其他结论吗？应该说，同学总结的，查哥夫也总结出来了。咱们和他不差上下。查哥夫在1950年对这些数据进行分析（幻灯片演示）总结出DNA碱基组成有这样的规律，我们称为查哥夫规则。概括起来主要有几点：①DNA分子中都含有A、T、C、G四种碱基。②所有DNA分子中碱基的含量A=T、C=G。由前两个我们可以推出后两个等式：A+C=G+T 和 A+G=C+T。③同种生物体细胞中ＤＮＡ的含量是相同的，不同种生物的碱基
含量是不同的。这有什么意义？
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生：亲缘关系远的，他们比值相差的要大一些。例如大肠杆菌和人的差别大，牛和人的
差别小。
师：同学学到生物进化的时候，会加深理解。查科夫规则的出现，对于沃森和克里克来说，是非常重要的信息，使他们茅塞顿开，使他们在很短的时间内将模型就建构起来了。
1.4再做模型，总结特点
师：……现在再让你来构建这个模型，是不是也会很迅速建构出来？好，再给大家两分钟时间，看能不能做出来？你们现在掌握的信息已经很丰富了，成功就在眼前！
生：（学生再次制作）
师：再请同学们看一个动画（幻灯片演示不同碱基不同位置相结合时之间距离）现在是不是清楚了A为什么是与T配对，G为什么是与C配对。怎么样，同学们发现问题了吧，只
有Ａ与Ｔ配对，Ｃ与Ｇ，才能解决一个问题：等直径。两条链怎么才能连在一起？ 生：（看大屏幕动画）靠氢键。
师：现在拿起你手中制做好的模型，好好看看。两条链的配对有什么特点？我们称为反向平行排列，可不可以？可以！那么在此基础上，请你再检查一下，看看你制作的模型，是不是具有反向平行的特点呢？（展示学生成功的模型）怎么才能体现出来这种反向平行呢？
生：方向相反。一条链一端有一个磷酸，另一条链的另一头也有一个磷酸。 师：很好，看似简单的小问题，其实蕴含着科学道理。（用一个模型演示，同学跟着做）请同学左手不动，右手向右侧旋转360度，一定是向右侧螺旋。同学们成功了，沃森和克里克也成功了！有没有他们这么开心啊！ 同学们应该感到高兴，这是自己努力做出来的。 师：拿着制作好的螺旋结构，能不能把ＤＮＡ分子结构模型具有什么特点总结出来？我想提醒大家一个观察的方法：先看整体是怎样的，然后再去看局部，从两侧往中间看；还有
“方向性”，从上往下，或从下往上看，又是怎么样的呢？哪位同学能说一说？
生：（叙述双螺旋结构的特点）
师：（倾听，适时给予评价。幻灯片展示结构的主要特点，逐一讲解，给予细化。强调
碱基互补配对原则。）
师：这个模型构建后，１９５３年４月２５日，沃森和克里克在英国的《自然》杂志上发表了不到九百字的文章，公之于世，引起了世界的轰动。在１９６２年，他们的这些实验经过后来的大量实验得到了证实，例如：这是ＤＮＡ扫描电镜照片（呈现DNA分子扫描电镜
照片），能看出来什么？有没有螺旋的感觉？
生：有。
师：由于沃森和克里克、和维尔金斯对ＤＮＡ结构模型的重大贡献，他们三人在１９６２年获得了诺贝尔医学和生理学奖。说到这，我想起了我国著名科学家邹承鲁院士说的一句话：阐明生物现象规律必须建立在阐明大分子结构的基础上。那么DNA的结构我们已经清楚
了，这种结构到底能不能解释许许多多的生命现象呢？
师：摆在同学们面前，亟需解决的第一个问题就是：仅仅由四种基本单位构成的ＤＮＡ分子能不能够储存大量的信息呢？如果能，通过怎样的方式来储存？考虑一下，不妨把你们
做好的模型，前后桌对比一下，有没有区别？区别在哪里？
生：（互相比较）碱基的排列顺序是不同的
师：在解决这个大问题之前，我先提个小问题：我们建立的模型是由多少对脱氧核苷酸构成的？数了没有？12对，如果它代表的是DNA片段的话，碱基有多少种排列方式？计算
一下！
师：如果是两个脱氧核苷酸，有多少种排列方式？（用模型示意提示）比如这个位置可
以有4种碱基在，这个位置呢？有多少种排列？
生：4乘4
师：4乘4，那么，12个呢？多少？
生：4的12次方
师：４的１２次方。好， DNA分子多样性是怎么体现？
生：碱基排列顺序，
师：那么，ＤＮＡ能不能储存大量的遗传信息？
生：能
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