高一生物人教版必修二第三章第2节DNA分子的结构学案

《DNA 分子的结构》 （一） 教材分析 一、教材地位和作用 《DNA 分子的结构》这一部分内容是第三章的重点内容之一。它在前两章学习的基础 上，开始让学生从分子水平上认识基因的本质。与原教材相比最大的变化是：没有直接讲述 DNA 分子的结构特点，而是给出了丰富的生物学史，以科学家沃森和克里克的研究历程为 主线，带领学生去体会 DNA 双螺旋结构的建立过程，体现了人们对科学理论的认识过程和 方法，这样的设计把知识的传授过程优化成一个科学的探究过程，是进行探究式教学的极佳 素材。 DNA 分子的结构这一节总体安排为两课时，本节课打乱了教材原有的顺序，将 DNA 双螺旋结构的模型制作提到了第一节课，使原本的验证性实验变成了探究实验，便于学生更 好地开展探究活动。所以本节课的重点将放在 DNA 双螺旋结构模型的构建和对 DNA 分子 结构特点的描述上。而 DNA 分子结构具有特异性和多样性和 DNA 分子双螺旋结构中四种 碱基的数量关系放在第二个课时的教学上。 二、学情分析： （1）学生已经掌握核酸的元素组成等相关知识，认识了有丝分裂、减数分裂和受精作用等 细胞学基础，掌握了生物的生殖过程、染色体的化学组成等相关知识，懂得 DNA 是主要的 遗传物质，这为新知识的学习奠定了认知基础。 （2）高中学生具备了一定的认知能力，能通过分析从相关材料中提取有用信息，并且也具 有一定的空间思维能力和化学知识基础。他们对事物的探究有激情，但往往对探究的目的性 及过程、结论的形成缺乏理性的思考，所以教师在学生探究的过程中要进行适当的引导。 三、教学目标 课标要求为：总结人类对遗传物质的探索过程。概述 DNA 分子结构的主要特点。活动 要求为搜集 DNA 分子结构模型建立过程的资料，并进行讨论和交流。制作 DNA 分子双螺 旋结构模型。根据课标的要求可以看出，总结属于应用水平，而概述属于理解水平。说明在 人类对遗传物质的探索过程中应该更重视学生应用水平的培养。根据课标的指导思想，拟定 教学目标如下： 1、知识目标： （1）探究 DNA 双螺旋结构模型的建立 （2）概述 DNA 分子结构的主要特点 2、能力目标： 在“制作 DNA 双螺旋结构模型”的实验中，提高动手能力和空间思维能力。 3、情感态度价值观：重温 DNA 分子结构的探索历程，认同与人合作、多学科融合在科学 研究中的重要性。 四、教学重点 本节课的重点在于： 1、探究 DNA 分子双螺旋结构构建的过程。 2、DNA 分子结构的主要特点。 五、教学难点 DNA 的碱基互补配对的探究过程和 DNA 双链的反向平行 因为 DNA 的碱基互补配对原则与 DNA 分子的多样性、特异性有着重要的关联，并且 探究需要利用的背景资料比较多（比如四种碱基的形状大小 、四种碱基之间的连接方式及其数量关系），所以这个探究活动是个难点。 教材中，关于 DNA 双链的反向平行并没有给出探究材料，只是在总结 DNA 结构的特 点时才简单地提出了这一点，并且也没有提到 DNA 的双螺旋是右手螺旋还是左手螺旋，所 以处理起来比较有难度。 六、突破重难点的教学方法 1、DNA 的碱基互补配对的探究过程的突破方法：在研究碱基互补配对之前，告诉学生嘌呤 和嘧啶的大小是不同的，降低探究的难度。探究时间充分，让学生积极思考各种配对的可能， 并且描述自己的想法，让学生深刻体会沃森和克里克面对的困难，最后通过打出哥查夫的研 究数据让学生通过数据获取有用信息，最终得出碱基配对是 A 与 T 配对，C 与 G 配对。 2、DNA 分子结构模型的构建是要引导学生从基本单位核苷酸到脱氧核苷酸单链的组成，再 到碱基配对形成双链，这个过程足以让学生在分析材料和动手操作进行探究学习。DNA 双 链的反向平行主要是由于碱基之间氢键的作用力形成的，因此处理的方法为老师结合图片进 行讲解，而左手螺旋还是右手螺旋在本节就不讨论了，让学生了解是双链螺旋就可以了。 （二） 教学策略与手段 一、设计思路 本节课遵循了新课程的“提高生物科学素养”、“倡导探究性学习”的基本理念，结合 PPT 课件展示、DNA 分子双螺旋结构模型的制作等教学手段，带领学生重温科学家对 DNA 分子结构的探索历程。 本节内容的特点是构建 DNA 分子结构模型，这个过程的生物科学史材料非常多，所以 需要适当处理，做到详略得当，突出重点，让学生针对一个问题进行深入讨论，这样才能很 好的锻炼学生的科学素养，而不是仅仅停留在表面的热闹。比如 DNA 基本单位核苷酸的结 构、DNA 分子单链的构建就可以简单处理，而碱基配对和后面 DNA 分子的多样性、特异性 有重要关联，并且其探究过程非常完整，背景研究资料当中既有文字分析，也有数据分析， 所以做详细探究。 用到的教学方法有：观察法、讨论法、实验法、探究法、问答法和多媒体辅助教学等 教学方法。 二、教学程序（框架、细节）及设想： 问题导入 DNA 指纹辨别真假萨达姆的例子，引起学生的兴趣 研究背景 在研究 DNA 分子结构之前的一些背景资料，引导学生回忆核苷酸的结构 探 究 一 探究 DNA 分子单链的形成 探 究 二 探究 DNA 分子的双链结构，探究碱基的配对 探 究 三 让学生探究把 DNA 分子的平面结构变成立体双螺旋结构的过程。 学生活动 观察已完成的 DNA 分子结构模型，概述 DNA 分子结构的特点。 总 结 教师就本节课做小结 2 教学过程 2.1 案例引趣，导入新课（2 分钟） 打出萨达姆被抓获时候的照片，与之前的萨达姆照片对比。 教师提问：1、如何用最准确的方法来鉴定他？2、为什么检测 DNA 就可以确定他们的身份呢？3、是 检测 DNA 的化学组成？还是它的结构？为什么？ 学生根据上学期学过的核苷酸的知识进行回答。基础比较好的班级能回答上 DNA 的化学组成，以 及为什么不能检测 DNA 的化学组成，而应该检测 DNA 的分子结构。 教师：那 DNA 分子究竟有什么样的结构呢？今天我们一起来学习 DNA 的结构。 2.2 研究背景：用简单的图片和文字资料带领学生构建 DNA 分子结构研究的背景情况，包 括组建核苷酸的模型。（5 分钟） 埃尔温·夏哥夫分析了不同物种的 DNA，发现不同物种的 DNA 也不相同。他还分离出四种构成 DNA 的 基本物质腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶。DNA 分子是以 4 种脱氧核苷酸为单位连接而成的长链。 接下来科学家们的任务就是找出 DNA 分子的构成。 这个环节可以采用教师和学生一起通过图片复习的方式，快速回忆。 教师：现在大家桌面上已经有构建 DNA 分子的碱基、磷酸和脱氧核糖了，请大家利用这些材料组建构 成 DNA 的基本单位——核苷酸。并请及时完成的小组来描述核苷酸的种类和组成以及连接方式。 教师在学生回答的基础上打出幻灯片，让学生对比核苷酸的结构，并且把剩余的所有材料组建成核苷 酸。要强调四种碱基的大小，嘌呤和嘧啶是不同的，一种是单环结构，一种是双环结构。 2.3 探究活动一 DNA 分子的单链结构（5 分钟） 现在我们已经知道了给出 DAN 分子 DNA 分子是以 4 种脱氧核苷酸为单位连接而成的长链。那么这样的 长链是由核苷酸分子组成的呢？ X 衍射图谱，以及由图谱告诉我们的相关信息。（资料的目的在于让学生了解物理和数学学科对于生 物科学进步的重要意义。还有让学生了解人与人之间相互合作的好处） 让学生根据材料回答： （1）沃森和克里克开始研究 DNA 结构时，科学界对 DNA 已有的认识是什么？ （DNA 分子是以 4 种脱氧核苷酸为基本单位连接而成的长链，呈螺旋结构。） （2）沃森和克里克对 DNA 分子结构的研究采用了什么方法？这样的方法有什么样的好处？ （他们采用的是按照Ｘ射线衍射分析的实验数据建立模型的方法，因为模型能使生物大分子非常复杂的空 间结构，以完整的、简明扼要的形象表示出来。 教师引导，让学生以两人为一小组，根据资料信息利用组建好的核苷酸尝试构建脱氧核苷酸长链。教 师巡视和引导指正。 2.4 探究活动二 脱氧核苷酸双链模型构建，探究碱基互补配对（15 分钟） 让学生用刚才拼接好的单链模型试着进行螺旋构建。可能有同学构建如下单链、双链甚至三链、四链 模型，让学生进行自由构建，并且说明自己构建的理由。 教师提示学生进行自检、组内和组间互评。 教师提问：应该如何检测 DNA 分子模型是否构建准确？ （可以将做成的模型进行 X 光衍射，与原来的衍射图谱进行对比。）学生回答可能有问题，如果不能 回答，就直接给出材料，展示沃森和克里克对螺旋结构所作出的推测。 教师提问：（1）沃森和克里克先后分别提出了怎样的模型？ （a、螺旋结构（三螺旋、双螺旋）：碱基位于外部；b、双螺旋结构：磷酸-脱氧核糖位于外部，碱 基位于内部，相同碱基配对；c、双螺旋结构：磷酸-脱氧核糖（骨架）位于外部，碱基在内侧。） （2）引导学生继续根据材料进行模型构建。分析碱基的配对情况。进行组内讨论和发言，分析每种 可能。 提出修改方案： A 与 G 都是嘌呤，具有双环结构，C 与 T 都是嘧啶，具有单环结构，只有双环和单环 进行连接时才能让每对碱基对具有相同的形状。那到底是 A 与 C 相连还是 A 与 T 相连呢？打出下一则材料： 哥查夫的研究表格，让学生分析表格数据，并得出结果。 （3）让学生分析哥查夫的研究成果：腺嘌呤的量总是等于胸腺嘧啶的量，鸟嘌呤的量总是等于胞嘧 啶的量，让学生对材料进行分析，最后得出 A-T 碱基对与 G-C 碱基对具有相同的形状和直径，让让 A 与 T 配对，G 与 C 配对，组成的 DNA 分子才具有稳定的直径。再次改进模型如下： （4）让学生两组之间进行合作，并且分析，如果其中一条 DNA 单链的碱基排列顺序确定，那么另外 一条单链的碱基序列是否确定？再问，如果碱基对有 4 对，能排出几种可能的组合？如果可以重复的选择 呢？又有几种组合？ （对于第一个问题，学生的回答情况应该较好，对第二三个问题，教师可以灵活掌握时间，如果层次 较好的班级可以借助模型进行简单分析，为后面 DNA 分子的多样性埋下伏笔） 2.5 探究活动三 探究把 DNA 分子的平面结构变成立体双螺旋结构的过程（3 分钟） 让学生尝试将已有的平面结构变为立体结构，在此过程中，应该会有反向平行和正向平行的两种分歧， 给出相应材料，表明反向平行的能量最低，最利于 DNA 分子的稳定。再给出北大打官司的材料，让学生加 深印象。 2.6 观察已完成的 DNA 分子结构模型，概述 DNA 分子结构的特点。并简单分析这个过程中 自己的感受。（5 分钟） （1）学生对制作的模型进行自评、组内和组间评价后，观察不同 DNA 双螺旋模型的共同点，总结 DNA 分子双螺旋结构的主要特点： 1 两条链反向平行盘旋成双螺旋结构； 2 外侧为脱氧核糖和磷酸交替连接构成基本骨架； 3 内侧为氢键连接形成的碱基对，以碱基互补配对原则配对。 （2）在资料分析、模型制作基础上，教师引导学生思考、讨论：与同时代的科学家相比，沃森和克 里克最终取得成功的原因是什么？ （善于利用他人的研究成果和经验；善于与他人交流和沟通；研究小组成员在知识背景上互补；对所 从事的研究有兴趣和激情等。） 2.7 教师进行小结（ 5 分钟） 我们不妨想象一下，许多现代化的建筑为了节省空间都有一个螺旋形的楼梯。楼梯的扶手就是脱氧核 糖和磷酸形成的链，而中间配上碱基，好像给楼梯装上梯级一样。在一个 DNA 很长的分子里，大概有 1 万 个“梯级”。在一个人体细胞里的 46 个染色体内或许有 46 万个排列不同的“梯级”，这些“梯级”排列 顺序的不同，决定了生物之间惊人的差异，就好像千歌万曲也仅仅是只用了 8 个或 12 个音符谱成，而英语 里千千万万个单词也只不过由 26 个字母组成是一样的道理。 所以我们完全有根据说，在 DNA 螺旋体内，四种“梯级”不同的排列方式使一株花、一只蝴蝶或一个 婴儿产生了他们各自所有的一切复杂部分。也正由于这四种“梯级”不同的排列方式，决定了全世界 50 多 亿人口中找不到两个完全一模一样的人。