“碱基互补配对原则”概念构建
必修二《DNA分子的结构》教学设计
一、教学目标的确立
（一）、教材及学生分析
本节内容是人教版高中生物必修二第三章第二节，整本书以“遗传”为主线，分别讲述遗传的规律，遗传的细胞学基础和分子基础，遗传变异与进化的关系。DNA作为遗传物质，是贯穿整本教材的核心，其分子结构就显得尤为重要。DNA分子结构的发现，是人类科学发展史上璀璨的一环，众多科学家通过国际间跨学科的合作，不断的摸索，修正，通过构建物理模型，X射线衍射图谱的验证，最终由沃森，克里克和威尔金斯摘取了诺贝尔奖，催生了分子遗传学和分子生物学。
可以说，这是一节“高精尖”的课程，有众多的科学史料，艰深的图谱分析，复杂的空间结构，怎样把枯燥，繁琐，抽象的内容，变得有趣，有序，直观，同时又渗透严谨的逻辑思维和科学方法呢？我们需要整合教材，明确教学线索，找到合适的“端口”，找准学生知识链条的“断口”，才能搭建恰当的“梯子”，到达教学目标。
在上一节学生已经通过科学史的若干实验，明确了DNA是主要的遗传物质；在必修一就掌握了DNA的基本单位和双链结构；在初中就接触了DNA的双螺旋结构。但DNA的单体究竟是怎样形成大分子的多聚体，还是一无所知。但学生具备基本的有机化学知识（脱水缩合，酯类化合物）和逻辑推理能力，具备一定的探究和动手能力，学习兴趣浓厚，主要是背景知识不足，对旧知识的联想能力欠缺。
（二）、教学目标
1、知识与技能：① 概述DNA分子结构及特点。② 掌握碱基互补配对原则的概念。
③ 解释DNA分子稳定性，多样性和特异性的原因。
2、过程与方法：通过构建DNA分子结构的概念模型和物理模型，重走科学家探究之路，掌握模型构建的科学方法和思维方法。
3、情感态度价值观：①通过科学史的学习，认同科学发现需要国际合作，信息共享，需要多学科，多种技术的交汇。
②通过模型构建，养成在自主学习的基础上，进行合作探究的习惯。
③感悟DNA双螺旋结构对称，简洁，和谐的科学美。
4、重难点：① 磷酸二酯键，碱基互补配对原则，双链反向的原因。（概念模型）
② 制作DNA结构的物理模型。
二、教学设计思路及策略
（一）、设计思路：
科学事实重要，事实背后的原因更重要。找寻原因是人类的本能，因此本节课以科学史料为载体，通过“图谱分析”“信息检索”“学生画图”“角色扮演”等直观化的教学手段，通过基于事实和数据的推理式探究，找寻DNA结构背后的原因，强化对DNA结构的认识，培养学生掌握模型构建的科学思维和方法，以概念模型为先导，物理模型再次强化。
庞杂的知识背景，需要清晰的教学线索。通过整合教材，本节课三条线索如下。
线索1：单体----单链----双链----反向平行的双螺旋结构
线索2：DNA结构的三大特性“稳定性，多样性，特异性”
线索3：科学史所体现的思维、方法和情感。
这三条线索，相互交融，有机统一，因此笔者通过“复习导入”“必要知识铺垫”“聚焦核心概念”“角色扮演并小结”“构建物理模型”等环节，找准学生知识断口，创设探究情境，以构建概念模型来磨练学生的逻辑思维能力，学习并运用假说验证的科学方法，探究新知。再通过角色扮演，用身体来模拟DNA，进行变式强化，强化对两个核心概念“磷酸二酯键”和“碱基互补配对原则”的理解，明确DNA双链反向的原因。通过构建DNA的相关概念模型，拓展学生的思维深度和广度，相信学生对DNA的结构就会有更深刻的把握，余下的物理模型构建就水到渠成了。在模型构建的过程中，师生便可以不断感受科学史中体现的科学思维、科学方法和科学精神。
（二）、教学策略：
三、教学过程的实施
（一）创设课堂情境，找准知识端口
教师通过PPT展示中关村DNA雕塑和雅典奥运会开幕式经典场景，引出DNA的双螺旋结构。知识回顾：DNA作为遗传物质，它的元素构成？它的基本单位？
知识铺垫1 脱氧核苷酸 （单体）
通过幻灯片展示，学生画图，明确三个元件的位置，5个碳位，以及核糖和脱氧核糖的区别。（然后通过人体模拟脱氧核苷酸，感性化再次确认。）
知识铺垫2 3，5磷酸二酯键（单体到单链）
我们已经知道：DNA是以4种脱氧核苷酸为单位连接而成的长链。
问题：相邻的脱氧核苷酸是怎样连接成一条长链呢？
学生回顾必修一：一个脱氧核苷酸的五碳糖与下一个脱氧核苷酸的磷酸连接。
（引导学生观察磷酸基团和脱氧核糖的结构特点，类比酯化反应的特点，促使学生自己发现二者连接的位置，并动手画出来，以磷酸为中心，连接3号和5号碳位。）
教学提醒：磷酸二酯键是DNA纵向结构稳定性的基础，也是以后DNA聚合酶，DNA连接酶，限制酶作用的位点，因此要重点突破。这类概念比较直观化，命名有规律可循，类如“质壁分离”，可以望文生义，从字面把握概念的本质。也可以通过角色扮演，让两位同学来演示脱水缩合的过程，让其他学生找出磷酸二酯键的位置，从而获得充分的感性认知。总之，对于抽象的概念，需要我们通过不同角度，不同载体让学生经历，感受，才能把握概念的本质。
（二）聚焦课堂重点，构建核心概念
碱基互补配对原则（单链到双链）
既然磷酸和脱氧核糖交替连接，那么两条链怎样连接成双链结构呢？碱基在双链的外侧还是内侧呢？先让学生大胆猜测，然后提供科学事实和相关数据。（假说演绎）
资料1：1951年威尔金斯和富兰克林提供的DNA衍射图谱（规则的十字对称图）
X衍射技术是用X光透过物质的结晶体，使其在照片底片上衍射出晶体图案的技术。这个方法用来推测晶体的分子排列。
？？当你看到这幅图时，你推测DNA应该是什么样的结构？（规则，对称）
同学们已经学过：DNA的单体是四种脱氧核苷酸，核苷酸再通过3,5磷酸二酯键形成脱氧核苷酸长链，如果是双螺旋结构，那么双链是怎样连在一起的呢？
（学生：碱基对；教师：为什么是碱基对呢？究竟怎么连呢？）
（学生沉默，教师提醒，四种脱氧核苷酸的区别在哪里？）
资料2：四种碱基A,C,G,T的分子结构式；
引导学生发现规律：四种碱基都含N，嘌呤都是双环结构，嘧啶都是单环结构。思考：环的多少有什么影响呢？结合DNA是规则的双螺旋结构，你能做出怎样的猜测呢？怎么进行碱基配对呢？
假设1 A=A? 教师提供资料3：两条长链之问的距离恒等于2 nm；
引导学生思考，双环的距离太大，单环的距离太小，不规则。
假设2 A=G? 同上理
假设3 A=C? 教师提供资料4：查哥夫发现腺嘌呤的量等于胸腺嘧啶的量，鸟嘌呤的量等于胞嘧啶的量。 与事实不符。
假设4 A=T G=C？ 符合查哥夫发现的事实。
那么碱基搭配的结果是什么呢？会不会发生像氨基酸脱水缩合那样的化学反应呢？接着教师提供碱基配对后的详细分子结构式。
资料5：
引导学生观察互补碱基之间形成的化学键，都含有H ，周围是N或O，而且没有产物生成。AT之间有两条，GC之间有三条。
教师补充：这种以H为媒介形成的一种共价键就叫氢键。两个互补的碱基通过氢键结合成碱基对。
显示氢键位置，数量，哪种碱基对更稳定？（G=C）（其实这种稳定性是相对的，加热到90°就会断裂。很容易形成，又很容易断裂，这对于DNA有什么意义呢？可以适当渗透DNA复制。）
设疑：碱基对在DNA的位置是怎样呢？
资料6：碱基疏水，脱氧核糖和磷酸亲水，DNA在细胞中始终处于一个水环境中
关于亲水疏水问题，大家能联想到必修一的什么呢？（类比磷脂双分子层）
回顾科学史：曾经沃森，克里克把碱基排列在外侧，但很快被否定了。
（引导学生做出假设，并解释其合理性。如果碱基排列在外侧会怎样？
怎样验证自己构建的模型是正确的呢？）（将模型拿去进行X射线衍射）
教学提醒：通过不断的假设，否定，再假设，再验证，得出结论：磷酸和脱氧核糖交替连接排列在外侧，碱基通过碱基互补配对原则（A=T G=C）形成碱基对排列在内侧。同时渗透氢键，碱基对概念，以及氢键多少和耐热性的关系。
概念阐述：嘌呤和嘧啶之间通过氢键配对，形成碱基对，且A只和T配对、C只和G配对，这种碱基之间的一一对应的关系就叫做碱基互补配对原则。
反馈训练：（2014年福建）沃森和克里克构建了DNA双螺旋结构模型，该模型
用碱基对排列顺序的多样性解释DNA分子的多样性，此外，碱基互补配对的高度精确性保证了DNA遗传信息的稳定传递。
教学提醒：碱基互补配对原则是遗传学的核心概念，与DNA的复制，转录翻译，逆转录，基因工程，解旋酶等都有密切的关系，此类概念是全新的生物学概念，学生不存在前概念的混淆，在教学中，我们要注意分析概念形成的过程，从DNA双链形成的过程来讲述，中间涉及的氢键，碱基对等概念要一并破解，以后学到其它相关知识后，再适当外延，把与之相关的元素进行有机整合，绘制概念图。
（三）趣味角色扮演，巩固核心概念
用带有1--5数字编号的圆形贴纸明确身体的五个部分代表的五个碳位，找六个同学上台扮演DNA双链的平面结构。其他同学点评并发现问题。
明确任务：需要在双链中体现出磷酸二酯键和氢键的位置。
教师设疑：为什么两列同学要反向站立？一条链的首尾两端有什么特点？
每次形成的DNA双链相同吗？这说明DNA结构有什么特点？
量子物理学的奠基人薛定谔曾说遗传物质是一种信息分子，那么DNA通过什么储存遗传信息呢？
DNA依靠什么来确保结构的稳定性呢？
学生回答，师生讨论，共同点评，明确DNA双链的反向平行关系和三大特性。
举例类比：如果用旋转式楼梯来比喻DNA，台阶和扶手分别代表什么呢？它和DNA的结构又有什么不同之处呢？（DNA的两条链方向相反）
课堂小结：
PPT展示，进行本节课的小结。DNA的五种元素组成，四种基本单位，核苷酸的三个元件，两条链，一种反向平行的双螺旋结构，以及DNA的稳定性，多样性和特异性。科学史中体现的国际合作，多学科渗透，多种科学技术的交融，不断的尝试，修正，终于发现DNA结构的和谐美。科学史中体现的科学方法有：模型法，假说验证法，X射线衍射图谱分析等。
（四）课后动手实操，制作物理模型
作业：制作物理模型，并根据DNA双链碱基的互补关系，推测DNA分子的复制方式。
四、板书设计
1、DNA的单体
2、单体到单链（磷酸二酯键）
3、双链如何形成
配对关系：A=T G=C
本质：形成氢键，碱基对
碱基互补配对原则 位置：DNA的内侧
意义：碱基对排序的多样性体现了DNA的多样性
碱基对排序的特异性体现了DNA的特异性
碱基对的排序代表了DNA携带的遗传信息
4、角色扮演
五、教学反思
高中生物概念是生物学科知识的基础，概念也是思维的形式之一，是判断和推理的起点。只有清晰掌握了概念的内涵和外延，才能进行严谨的逻辑思维活动，进而自主构建模块的概念图，最终内化为系统的知识体系。
本节课以科学史为载体，通过构建脱氧核苷酸，磷酸二酯键，碱基互补配对原则等几个核心概念模型，培养了学生的动手动脑能力，以问题为线索，层层深入，在思维断口处，教师及时引导，补充相关背景知识，让学生有理，有序，有趣的完成了教学目标。这种构建“概念模型”的过程其实就是不断的做出假设，整合信息，不断纠错，不断验证的过程。让学生亲历错误的过程，他们才能对科学事实有深刻的认同。通过亲手画图，角色扮演，不断类比，制作物理模型，学生才能将概念真正内化。
在概念的形成中，依据不同概念的特点，应选择不同的教学手段，尽可能的让学生多角度，多载体的亲身感受概念的本质，不断丰富学生的感性认知。全新的生物概念，如果单从概念本身，会很枯燥，比如“正反馈”“环境最大容纳量”“抵抗力稳定性”等等，因此教师需要结合学生已有的生活经验，进行形象的类比，进行角色扮演，甚至通过自编口诀来强化学生的认知。当学生缺乏相关的生活经验时，教师就需要借助图片，视频，文字资料等，来填补背景知识。同时，在教学中，教师要尽可能的创设机会让学生口头表述概念，举例分析概念，找出与之相反的概念，尽可能的通过各种平台了解学生头脑中形成的已有概念到底是什么，这样才能创设课堂情境，引出他们固有错误概念和新知识的矛盾冲突，引起学生的思考和关注，促进概念螺旋式完善。
由于时间有限，故而本节课无法通过有效的变式练习来检验学生掌握的程度，同时没有充足的时间给学生，用恰当的专业术语来描述概念，需要增加课时加以补充。
课件18张PPT。“碱基互补配对原则”概念构建
----以《DNA分子的结构》为例一、教材及学生分析众多的科学史料，艰深的图谱分析，复杂抽象的空间结构，严谨的科学思维，这是一节“高精尖”的课程，同时又是遗传学的核心。
1、找准学生知识链条的“端口”和“断口”，明确学生已有的知识和能力。
2、整合教材，明确教学线索。 如何学的有趣，有序，直观，逻辑严谨呢？1-1 学生知识和能力的端口生物的主要遗传物质是DNA
DNA是双链结构，基本单位是脱氧核苷酸
DNA的双链呈双螺旋
知道氨基酸之间的脱水缩合反应
具备简单的逻辑推理能力和动手能力
1-2 知识断口：磷酸二酯键，
单链如何形成双链1-3 整合教材，明确教学线索线索1：单体----单链----双链----双螺旋
线索2：DNA结构的三大特性“稳定性，多样性，特异性”
线索3：科学史所体现的思维、方法和情感。三条线索，相互渗透，有机结合二、设计思路传统做法：结合科学史，一边做物理模型，
一边修正，在做模型的过程中
理解DNA分子的结构。我的设想：概念模型
聚焦学生的难点：单链怎样形成双链的？
碱基对怎样形成的？
为什么这么配对？
为什么排列在螺旋内侧？
为什么双链是反向的？物理模型复习导入必要知识铺垫聚焦核心概念角色扮演并小结教 学 流 程构建物理模型脱氧核苷酸磷酸二酯键碱基互补配对原则三、教学策略资料1：1951年，伦敦大学物理学家威尔金斯和化学家富兰克林得到了DNA的X射线晶体衍射图像。威尔金斯富兰克林DNA衍射图谱X衍射技术是用X光透过物质的结晶体，使其在照片底片上衍射出晶体图案的技术。这个方法可以用来推测晶体的分子排列。1951年威尔金斯和富兰克林展示了一张DNA的X射线衍射图沃森看到这张图时激动得话也说不出来，他的心怦怦直跳，从图上他断定DNA的结构是一个规则的螺旋体。他打定主意要制作一个DNA模型。他的这种想法得到了他的合作伙伴克里克的认可。于是他们两人便采用当时著名的化学家鲍林研究蛋白质结构的模型构建法，用纸和铁丝制作模型。你第一眼看到此图认为DNA应该是怎样的结构？资料2 ： DNA四种碱基的分子结构这四种碱基有什么特点？这些碱基可能怎样配对？A与A配对
T与T配对
C与C配对
G与G配对碱基内侧同型配对模型假 设 1?资料3：两条长链之问的
距离恒等于2 nm；碱基内侧同型配对模型ATCGACTGGA假 设 2GA?A与G配对
T与C配对
C与T配对
G与A配对假 设 3?A与C配对
T与G配对
C与A配对
G与T配对
生化学家
查哥夫脱氧核糖和磷酸
交替排列在内侧
碱基排在外侧碱基外侧排列模型资料4：碱基疏水，脱氧
核糖和磷酸亲水。?碱基互补配对原则的本质-------氢键氢键
嘌呤和嘧啶之间通过氢键配对，形成
碱基对，且A只和T配对、C只和G配对，
这种碱基之间的一一对应的关系
就叫做碱基互补配对原则。
角色扮演任务：用人体搭建DNA分子的结构模型
要求：重点体现出磷酸二酯键和碱基对
