核酸检测中的“明星”-生物大分子（第2课时教学设计）

《不同尺度视域下的新冠检测与治疗》单元教学第2课时《核酸检测中的“明星”——生物大分子》教学设计宣城市第二中学沈兆兵一、课标呈现1.了解人类探索物质结构的过程，认同“物质结构的探索是无止境的”观点，了解从原子、分子、超分子等不同尺度认识物质结构的意义。知道晶体X射线衍射是测定物质结构的基本方法和实验手段。2.了解脱氧核糖核酸、核糖核酸的结构特点和生物功能。认识人工合成核酸的意义，体会化学学科在生命科学发展中所起的重要作用。二、教学内容分析1.内容分析本节课的核心内容为核酸，从生物学科中已经学习过的核酸的组成及主要功能入手，结合化学学科知识，从结构的角度重新认识核苷酸、DNA双螺旋结构，从而帮助学生建立结构决定性质，性质决定功能的化学学习思想。本节课主要从构成核苷酸的单体出发，带领学生认识磷酸、戊糖、碱基的结构及它们合成核苷酸的过程，核苷酸在酶作用下又是如何合成聚核苷酸；帮助学生明白在聚核苷酸链中碱基与磷酸是分别排布在戊糖的两侧，在DNA中聚核苷酸又是通过分子识别和组装，最终形成了DNA双螺旋结构，这样的结构具有稳定性及多样性，为其储存生物体的遗传信息的功能有了很好的解释。最后从对于核酸的学习过程，使学生学会从分子、大分子、超分子等不同尺度认识物质结构的学习方法。2.素养呈现微观结构决定宏观性质，宏观性质决定主要功能，这就需要学生能基于核酸的主要功能，从宏观和微观相结合的视角分析与解决实际问题，通过模型识别，模型组装与搭建，对于化学反应的描述，建立观点、结论与证据之间的逻辑关系，发展学生“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“科学精神与社会责任”等化学学科核心素养。三、学情分析学生在生物课中已经学习了核酸的组成与主要功能，也初步了解了DNA的结构；在化学学科必修课程中已经学习了有机化合物中碳原子的成键特点，在选择性必修课程中学习了有机化合物分子结构决定于原子间的连接顺序、成键方式，能识别官能团的种类(醛基、羟基、酯基、氨基等），也认识到有机化合物中的共价键的类型、极性对有机反应有着重要的影响，已经掌握取代反应、加成反应、聚合反应特点，能识别组成大分子的单体和单体单元。从学前对学生调查来看，核酸作为生物学和化学交叉知识，同学们对于磷酸、戊糖和碱基究竟以什么样的方式结合而成为多聚核苷酸大分子并不是很清楚，戊糖在核酸中为什么呈现的是环状，DNA中两条聚核苷酸链为什么会以碱基配对方式结合也存在着疑问，通过本节课的学习，从化学视角分析DNA的结构与性质，进而对核酸的主要功能做出解释。四、教学目标1.能根据结构模型表征磷酸、戊糖、碱基的结构式，并分析戊糖形成五元环结构的微观本质；能辨识核糖核酸中的磷酯键。2.能描述聚核糖核酸和脱氧核糖核酸的结构特点和生物功能，并基于氢键分析碱基的配对原理，强化结构决定性质、性质决定功能的基本观念。3.结合化学史实和对核酸的认识，认识其对生命遗传的意义。五、教学方法讨论法、搭建模型法六、教学重点、难点重点：1.从单体角度分析核酸的形成过程，核酸的结构特点。2.核酸的主要功能与其结构、性质有着密切的联系。难点：从单体角度分析核酸的形成过程。

七、教学流程素养结论活动问题/任务情境环节素养结论活动问题/任务情境环节核酸主要功能：储存遗传信息组成核酸的小分子：磷酸、戊糖、核酸主要功能：储存遗传信息组成核酸的小分子：磷酸、戊糖、碱基师生交流模型观察资料阅读搭建模型新冠病毒的核酸检测环节一：初识核酸1.核酸的主要功能是什么？1.核酸的主要功能是什么？2.认识组成核酸的小分子微观探析微观探析变化观念交流讨论图示观察分析归纳核苷酸、聚核苷酸是如何形成的？交流讨论图示观察分析归纳核苷酸、聚核苷酸是如何形成的？多聚核苷酸分子结构的特点？核苷酸是核酸的基本组成单位环节二：再识核酸核酸是由大量核苷酸通过磷酯键连接成的高分子化合物。核酸是由大量核苷酸通过磷酯键连接成的高分子化合物。1.微观探析1.微观探析2.证据推理1科学态度与社会责任2学科价值观DNA结构决定性质；性质决定了其主要生物功能资料阅读、分析讨论、归纳总结、1科学态度与社会责任2学科价值观DNA结构决定性质；性质决定了其主要生物功能资料阅读、分析讨论、归纳总结、理论运用。环节三：探秘核酸DNA分子呈现双螺旋结构探究DNA内部结合方式，核酸分子为什么能携带生物遗传信息？八、教学过程环节一：初识核酸【创设情境】在上一节课中，同学们学习了新冠病毒抗原检测的原理。在疫情形势依然比较严峻的今天，核酸检测还是比较精确的检测方法。什么是核酸检测？【播放视频】核酸检测的动画短视频【思考与交流】为什么通过核酸检测就可以区别感冒、流感、还是新冠？由此说明在生命体中核酸主要具有功能是什么？【活动1-1】思考、交流【归纳1-1】它的主要功能是携带生物体遗传信息。【过渡】在生命体内众多化学物质中，核酸分子为什么能成为生物体遗传信息的携带者？【任务1-1】根据结构模型，找到组成核苷酸对应的分子并画出它们的结构简式。并观察这些分子结构的特点。【活动1-2】观察、思考与交流、书写磷酸脱氧核糖核糖碱基【归纳1-2】核苷酸分子由一分子磷酸、一分子核糖或脱氧核糖、一分子含氮碱基通过一定的方式反应而成的。磷酸分子是含有三个羟基的含氧酸；核糖与脱氧核糖均为多羟基醛结构，它们主要区别在于2号位碳原子是否连接有羟基；碱基均为含氮原子的杂环结构的有机化合物。评价任务1：从学生由模型书写结构简式的情况，诊断并发展学生从原子、分子水平识别物质的能力，对于常见原子H、C、N、O在形成共价化合物时的成键特征掌握能力，用化学符号表征物质结构的能力。设计意图：通过观察磷酸、戊糖、及碱基的模型，考察学生对于微粒结构认识水平，及对于常见官能团的辨识水平，并通过结构简式的书写考察学生运用化学符号描述物质的能力，通过从简单分子到复杂的分子的结构进阶考察，使不同能力水平学生均得到发展。【任务1-2】阅读葡萄糖成环过程，分析核糖或脱氧核糖形成五元环结构的过程，并动手将核糖或脱氧核糖拼成五元环模型【活动1-3】学生阅读资料，分析讨论，师生交流、小组合作δ-δ-δ-δ+δ+δ-δ+δδ+δ-δ+δ-δ+【归纳1-3】在有机化合物中，由于共价键的极性相互影响，往往会导致有机物分子在水溶液中碳骨架会发生重排，官能团发生变化，结构也会发生变化。评价任务2：从葡萄糖、戊糖在水溶液中形成环状结构的过程评价学生是否具有物质运动和变化是永恒的思维，并运用动态平衡的观点看待和分析化学变化，发展学生从键的极性角度分析有机化学反应类型的能力，建立有机物中存在立体异构的观念。通过模型搭建发展学生从宏观到微观思维结构。设计意图：从核苷酸中戊糖呈现环状结构，培养学生形成物质的运动和变化是永恒的的思维，引导学生从电负性角度分析有机物中官能团之间是相互影响的，通过重排反应考察学生对于加成反应的理解，通过生成的产物感受到有机化学中存在同分异构的现象。环节一学生表现性评价标准评价水平水平1水平2水平3水平4评价标准能够根据分子模型识别磷酸、核糖、脱氧核糖及碱基；能画出简单分子磷酸的结构能画出以上4种分子的结构简式，并能说明他们的结构特点。认同变化观念、能够从键的极性角度分析核糖或脱氧核糖形成五元环结构的过程，能搭建模型能够从键的极性及碳原子杂化的角度多角度分析核糖或脱氧核糖形成五元环结构的过程，指出反应类型环节二：再识核酸【情境】在生物课中，同学们已经学习了核酸的基本组成单位——核苷酸【任务2-1】结合资料，分别写出戊糖与碱基形成核苷、核苷与磷酸形成核苷酸的反应方程式。【活动2-1】书写化学方程式，分析反应断键、成键情况、判断反应类型【归纳2-1】核苷是由核糖1号碳上的羟基与碱基五元环中氨基上的氢脱水缩合，发生取代反应得到的物质。核苷酸是由核苷5号碳上的羟基与磷酸脱水发生酯化反应，通过形成磷酯键得到的物质。核苷核苷酸评价任务3：诊断并发展学生对于有机化学反应类型判断及有机化学反应方程式书写的能力。认识到有机化学反应关键是官能团之间的发生的变化。设计意图：通过核苷和核苷酸方程式的书写，进一步考察学生对于有机反应类型和有机化合物组成与结构特点的认识，能辨识磷酯键，帮助学生认识到有机合成的关键是官能团之间的转化。【思考与交流】核苷酸通过怎样的方式形成多聚核苷酸链？【活动2-2】观看动画、看图、师生交流、归纳总结【归纳2-2】核酸是核苷酸之间通过酯化反应，脱水缩合形成的大分子。其单体是核苷酸，核酸中最小的重复单元也是核苷酸——链节。形成的聚核苷酸链在空间上以戊糖为骨架，磷酸排在一侧，碱基排在另外一侧为特点的结构。评价任务4：诊断并发展学生对聚合反应认识思路的结构化水平设计意图：通过由核苷酸形成聚核苷酸过程，帮助学生了解聚合物的特点，认识单体、单体单元与聚合物结构的关系，了解缩聚反应的特点，认识到聚核苷酸的结构特点。【小结】在生物体内，由戊糖、磷酸、碱基在酶的作用下通过缩合反应最终合成核酸，核酸也可以在酶的作用下水解生成戊糖等小分子，用于细胞的更新。【拓展】在生物体外，可以利用“点击化学”的方法实现DNA的化学合成。一些决定表型性状的长链DNA不便于提取和扩增，那么我们就可以先提取不同的短链，再通过“Click反应”在生物体外将短链DNA连接为长链的DNA，这种方法对于DNA性状和基因的研究很有帮助。环节二学生表现性评价标准评价水平水平1水平2水平3水平4评价标准能够写出戊糖与碱基形成核苷、核苷与磷酸形成核苷酸的反应方程式。能够从化学键断裂与形成角度分析核苷、核苷酸、多聚核苷酸的形成过程能够根据形成核苷、核苷酸、多聚核苷酸的反应特征，归纳不同反应类型的特点能够根据多聚核苷酸形成的反应特点，建立单体、单体单元与聚合物结构的关系环节三：探秘核酸【情境】DNA的双螺旋结构（3D动画展示）【交流与讨论】问题串：1.DNA双螺旋结构中，为什么碱基排在内侧，磷酸和脱氧核糖排在外侧？2.DNA内部碱基之间为什么是A与T、C与G之间配对？【活动3-1】思考、师生交流、归纳【归纳3-1】由于聚核苷酸分子间的疏水作用力，可知磷酸-脱氧核糖骨架排在螺旋外部，碱基排在内的双螺旋结构。依据碱基配对互补原则结合的DNA两条链之间距离保持不变，稳定性最好，DNA就是两条聚核苷酸分子通过分子识别和自组装形成的超分子。【追问】DNA除了稳定性外，还有什么性质？【归纳3-2】核苷酸的排列顺序多样性导致其具有储存生物体的遗传信息的功能。有一定碱基排列顺序的DNA片段含有特定的遗传信息。因而核酸的主要功能就是储存遗传信息，其在案件侦破，亲子鉴定、核酸检测等领域均有广泛的应用。评价任务5：诊断并发展学生形成物质结构决定性质，性质决定功能的化学学习的认知思维。设计意图：通过一系列问题引发学生思考，考察对于上一课时学习超分子的识别和自组装掌握的情况，并帮助学生建立起从物质结构入手分析物质的性质，再由物质的性质决定功能的化学学习思想。学生表现性评价标准评价水平水平1水平2水平3水平4评价标准学生能够从形成氢键数量角度分析A与T、C与G配对的原因，学生能够从氢键和空间两个角度分析A与T、C与G配对的原因，学生能够从疏水作用、氢键和空间等多角度分析DNA双螺旋结构与性质关系学生能够将DNA的稳定性与多样性与核酸的主要功能建立起联系【情境】展示核酸研究的发展史1869-1889年1909-1938年1928-1952年1953年瑞士生物学家米歇尔从绷带上分离出一种成酸性、含磷量高、不会被胃蛋白酶分解的有机物，命名为“核素瑞士生物学家米歇尔从绷带上分离出一种成酸性、含磷量高、不会被胃蛋白酶分解的有机物，命名为“核素”，1889年更名为“核酸”。逐步确立核酸由包含一个含氮碱基、一个核糖或脱氧核糖和一个磷酸的片段组成及这些分子之间的连接方式，并将这样的片段称为“核苷酸”。1952年Hershey（赫尔希）等人用放射性同位素标记技术，完成双标记实验，即32P和35S分别标记噬菌体，侵染未被标记的大肠杆菌，从而证明DNA是遗传的物质基础。DNA双螺旋结构的发现-生命科学的新里程碑，进入了分子生物学水平。1981年，我国合成酵母丙氨酸转移核糖核酸；1999年，我国参与了人类基因组计划；2002年，我国完成了水稻基因组图谱的绘制。③ 材料一：①1869年，瑞士科学家米舍尔（Miescher）从外科临床用过的绷带上洗下脓细胞，并从细胞核中分离出一种酸性很强、含磷量很高的有机物，该物质不会被胃蛋白酶分解，这个物质与当时研究比较多的蛋白质的性质差异较大，他将这个新物质命名为“核素”。材料二：①1880年，德国生物化学学家Kossel（科塞尔）证实了核酸是由四种不同的碱基组成，在对组成糖类研究中，由于当时条件限制，他错误的认为构成核酸的糖是六碳糖。并且他提出决定遗传功能的物质是蛋白质，这在当时导致人类对核酸的认识在相当长一段时间内停滞不前。由于他在研究核酸和蛋白质领域的所做的贡献，获得了1910年诺贝尔医学生理学奖②1909年，美国科学家列文（Levene）把核酸与蛋白质区别开来，他阐明了组成两种核酸的糖类的结构。1934年列文搞清了核苷、核苷酸的结构，提出核酸是由大量核苷酸通过酯键连接成的高分子化合物。材料三：1952年Hershey（赫尔希）等人用放射性同位素标记技术，完成双标记实验，即32P和35S分别标记噬菌体，侵染未被标记的大肠杆菌，从而证明DNA是遗传的物质基础。材料四：①1952年Wilkins（威尔金斯）小组用X光衍射法研究了DNA的晶体结构。发现DNA分子中的核苷酸是排列成螺旋状，其螺距为3.4nm,每个螺距内含有10个碱基对，每个碱基形成一个平面，而两个平面之间的距离为0.34nm。②1953年Watson（詹姆斯·沃森）和Crick（克里克）提出了DNA的双螺旋结构。他们和Wilkins（威尔金斯）一起获得1962年的诺贝尔生理及医学奖。【思考与交流】结合发展史，谈谈你对人类认识核酸发展过程的感受及认识核酸的价值。【活动3-3】思考、交流，发表观点。评价任务6：诊断并发展学生崇尚科学真理，感受化学对人类文明和社会发展所带来的贡献，同时发展学生对化学价值的认识水平（学科价值视角、社会价值视角、化学与生物知识交叉）设计意图：通过人类认识核酸发展史，引导学生了解人类探索核酸的组成、功能、结构是一个不断深入的过程，其中理论创新和实验积累是不可或缺的两个方面，通过开放性问题2，探查学生在以下几个方面的认识水平：1.能否感受科学家探索物质结构及功能的过程是曲折的，需要大量科学家共同做出努力。2.能否通过材料一、二认同“物质结构的探索是无止境的”3.能否通过材料三、四体会核酸的应用价值，感受生物学科与化学学科之间的密切联系，为后面教学中结构决定性质，性质决定功能之间有着密切联系埋下伏笔。学生表现性评价标准评价水平水平1水平2水平3水平4评价标准能够感受到科学家探索真理的过程是曲折的，需要大量科学家共同努力具有崇尚科学，不迷信权威，敢于质疑的学习精神能够认识到科学的发展往往需要很多学科共同努力，化学对生物学科的进步有着重要的作用认识到中国青年要发奋图强，努力学习，为中国科学技术的发展贡献自己的力量【课堂小结】本节课我们站在微观的视角，通过分子、大分子、超分子尺度分析了核酸的组成与结构，了解了核酸的稳定性与多样性与其结构有着密切的关系，揭示了核酸具有储存生物体遗传信息功能的根本原因。同时也使我们明白生物体内的各种大分子其所具有的独特功能一定与其结构有着密切的联系。板书设计核酸检测中的“明星”——生物大分子聚合反应聚合反应稳定性分子稳定性分子功能功能多样性分子多样性分子生物大分子九、教学反思本节课从组成核酸的小分子结构入手，引发学生对于尺度大的分子结构的学习，可以先从结构中尺度小的分子入手，通过分析小分子间的相互作用进而对尺度更大的分子结构的掌握。通过模型方式呈现出磷酸、核糖、脱氧核糖、碱基的结构，直观而清晰；在分析戊糖呈环的教学环节中，既有理论分析，又设置了动手搭建的环节，进一步加深学生对糖的分子内加成反应的理解。在由酸、核糖、脱氧核糖、碱基形成核酸的教学环节中，结合学生已经掌握的有机化学反应的基本类型，将过程通过具体的反应一步步呈现出来。最后通过对于多聚核苷酸、DNA结构的分析，帮助学生建立结构决定性质，性质决定功能的化学学习的思维模式。整个教学设计围绕具体的任务和实际的问题开展，提出任务、模型识别、搭建模型、提出问题、解决问题、宏微对照，将理论的学习融入任务和问题中，提高了学生的兴趣，激发了学生的求知欲望，很好的将生物课中对于核酸的结构知识做了补充，帮助学生从结构的角度理解核酸具有携带生物遗传信息功能的原因。鉴于时间有限，本节课对于核酸的发展史没有深入的介绍，主要通过提供素材学生自己阅读，培养学生科学态度和社会责任的素养。十、教学评价核酸是一种重要的生物大分子，本节课通过对于核酸的学习，帮助学生建立结构决定性质、性质决定功能的认知模型，对于聚合物形成过程的建构是这一节课的核心知识，微观探析及模型认知是本节课主要的学习方法，科学态度与社会责任是