高中生物学 人教版 必修2《基因的本质》第3课时 DNA的结构

2022年安徽省普通高中新课程新教材优质课评选团体比赛生物学学科教学设计第2节DNA的结构教材分析本节是2019年人教版高中生物学必修二《遗传与进化》第3单元“基因的本质”第2节内容，第1节通过实验证明DNA是遗传物质后，本节依据DNA的功能，提出探讨DNA的结构并阐明DNA分子的结构特点，为后面介绍DNA的复制、DNA指导蛋白质的合成等内容奠定基础。学情分析经过前面章节的学习，学生已经知道脱氧核糖核苷酸的基本结构以及磷酸、脱氧核糖、碱基的基本概念，对DNA有一定了解。但是，学生磷酸二酯键掌握的程度并不好，对“DNA双螺旋结构的精美”、“基因与DNA是什么关系”并不清楚。本节课构建DNA的物理模型，通过学生亲历证实或证伪，完成模型的制作，学生对DNA结构有更深层次的理解，为后面遗传和变异等内容的学习夯实知识基础。素养目标目标1目标2目标3目标4通过寻找科学史实验资料，学生经历证实或者证伪的过程，明确科学家在DNA双螺旋结构发现的过程中是必须基于证据的。倡导提出假说、验证假说，最终得到结论的科学方法。通过结合科学史资料与自行设计验证小实验，学生学会将难以理解的结论或语言，用简易的实验演示出来。提升学生将思维转化为可视结果的能力。通过体会沃森和克里克在构建DNA双螺旋结构中，需要应用到数学、物理、化学等学科知识，学生体会学科融合的重要性；同时体会交流互助对真理发现的作用。认同质疑、批判或支持等思维对生物学科发展的促进作用；体会基于证据的证实、或证伪对科学发展的重要作用。学生认同我国科学家首次合成牛胰岛素的重要性，提升学生的社会责任感与勇于担当的精神。4.教学思路DNA双螺旋结构探索的成功，诞生了一门新的学科分子生物学，使得人们对生命世界的研究从细胞层面走向分子层面。一般教学中通常采用图片、模型，或者视频来展现DNA结构，在一定程度上使DNA结构直观化。但缺点在于学生参与度低，不能真正理解DNA的结构到底怎样构建出来的?又是基于什么证据必须这样构建?本设计将科学史资料和模型搭建结合起来，沿着沃森和克里克发现DNA双螺旋结构的历程，基于科学家的思路，证实或证伪，探索DNA结构之迷。一些小实验可以充分激发学生学习主动性，引导学生自主探究DNA结构相关知识。师生边探索边总结DNA双螺旋主要特点，实现DNA结构的构建与功能探究的统一。最后将整节课上升到对学生思维训练的高度，要基于证据进行推理，最后进行验证，设计思路如下图：导入新课DNA具备什么样的结构，导入新课DNA具备什么样的结构，才能使它承担传递遗传物质的功能？承接第一课时，激发学生兴趣回顾科学史阅读科学史，提取与DNA结构相关的信息训练获取与处理信息，基于证据进行推理的能力建构DNA分子结构模型结合问题串，利用教师提供的材料建构模型，并在小组内讨论修正亲身体验合作探究，提高团队协作能力展示评价归纳总结对比分析不同组的DNA分子模型，总结DNA分子的特点并思考本节课有哪些所得。高效使用模型，提升高阶思维，学以致用复习脱氧核苷酸相关知识，由单个脱氧核苷酸构建DNA分子一条链生命观念DNA在细胞内始终稳定处于一个水环境中，DNA分子中有两条核苷酸链，并且磷酸和脱氧核糖在外侧，碱基在内侧科学思维AT配对，之间两条氢键，GC配对，之间三条氢键。科学探究在生物体内DNA分子自发形成有一定键角的双螺旋结构，是立体的，只有这样的结构才能使DNA分子稳定存在知识线素养线社会责任复习脱氧核苷酸相关知识，由单个脱氧核苷酸构建DNA分子一条链生命观念DNA在细胞内始终稳定处于一个水环境中，DNA分子中有两条核苷酸链，并且磷酸和脱氧核糖在外侧，碱基在内侧科学思维AT配对，之间两条氢键，GC配对，之间三条氢键。科学探究在生物体内DNA分子自发形成有一定键角的双螺旋结构，是立体的，只有这样的结构才能使DNA分子稳定存在知识线素养线社会责任基于课程的设计，设计如下教学流程图：旧知回顾提出问题旧知回顾提出问题DNA具备什么样的结构，才能使它承担传递遗传物质的功能？交流研讨DNA的结构追溯历史获取新知1.如何通过资料肯定或者否定DNA的三链假说？2.如何确定DNA分子中确实存在两条核苷酸链？阅读科学史提取与DNA结构相关的信息；教师演示衍射实验1.碱基是如何配对的？2.两条链之间如何建立联系？找出依据完善模型1.构建DNA分子的平面模型2.构建DNA分子的立体模型科学探究模型建构展示评价总结提升1.DNA分子有什么样的结构特点？2.通过DNA分子结构的探究，对你有什么启示？小组之间交流评价DNA分子模型情境线问题线活动线环节格里菲斯、艾弗里、赫尔希和蔡斯证明DNA是遗传物质沃森、克里克的DNA三链模型，富兰克林根据DNA分子的电子密度图的计算结果据查哥夫、多纳休等人实验的实验数据进行探讨我国科学家人工合成牛胰岛素素养线生命观念科学思维科学探究社会责任教学过程导入新课【教师活动】展示格里菲斯、艾弗里、赫尔希和蔡斯照片，学生回忆上节课所学，说出结论：DNA就是遗传物质。教师提出问题，DNA具有什么样的结构，才能使它行使这么重要的功能？沃森、克里克进行了哪些实验？又具备怎样的品质，才能使他们获得成功？【学生活动】回忆本单元第一节课知识，了解本节课学习的目的，初步意识到结构应该与功能相适应。科学家的研究经历激发学生学习兴趣。【设计意图】直接导入，回忆旧知识，引入新课题。同时，介绍两位科学家的卓越成就，激发学生对DNA结构的探索欲。温故知新【教师活动】组织学生回顾核苷酸的相关知识，同时提出问题？磷酸二酯键在哪里？与学生一起构建DNA分子的一条核苷酸链。让学生基于已知提出新的探究问题。学生有可能会想探究各种问题，但是最后教师加以引导，回归到与本节内容最相关的问题中：如DNA分子中有几条核苷酸链？DNA的基本单位之一：腺嘌呤脱氧核糖核苷酸【学生活动】独立思考，根据已知，思考能够探究的问题。DNA分子由一条链？两条链？还是3条核苷酸链组成？DNA分子中核苷酸链间是如何建立联系？【设计意图】鼓励学生独立思考并提出可探究的问题，发展学生的科学探究能力。探究新知【教师活动】教师对学生提出的问题进行归纳：DNA分子到底是由3条核苷酸链还是2条核苷酸链组成？DNA分子核苷酸链之间怎样建立联系？然后展示沃森、克里克的三链模型，同时展示鲍林的三链假说及其三链模型俯视图，提供资料，学生独立思考后回答问题；增加激光笔照射弹簧实验，在黑暗的环境中，学生可以清晰地看到照射后会呈现出“X”。资料1：富兰克林和威尔金斯参观了沃森、克里克三链模型，指出模型的含水量与实际测得的含水量不符合，使得DNA分子不能稳定存在。资料2：碱基疏水，脱氧核糖和磷酸基团亲水，DNA在细胞内始终处于一个水环境中。资料3：富兰克林拍摄的著名的“51号”一张高质量的DNA晶体衍射图谱；沃森、克里克分析该图谱消失的衍设条带。“51号”照片横线为消失的衍射带激光照射弹簧出现“X”【生成问题】如何通过资料肯定或者否定DNA的三链假说？如何确定DNA分子中确实存在两条核苷酸链？【学生活动】在思考分析以上资料之后，进行结论：DNA假说违背化学规律，不能稳定存在，所以三链假说被否定。观看图片及教师在黑暗环境中的激光笔照射弹簧实验，明确DNA分子中确实存在螺旋结构，且结合沃森、克里克对“51”号衍射图谱的分析，DNA确实由两条链组成。【设计意图】富兰克林DNA晶体衍射图谱的分析需要高等数学和物理知识，所以教师带领同学们一起分析，并实验演示，让学生体会学科融合的重要性。同时，领悟敏锐的洞察力在科学探究中的重要性。任务驱动任务驱动任务驱动任务一：构建DNA分子的平面模型活动1：初步构建DNA分子的平面模型【教师活动】提供资料，让学生基于材料初步构建DNA分子平面模型，并如实填写教-学-评自测量表。资料4：富兰克林根据DNA分子的电子密度图指出，DNA分子固定直径为2nm,直径1.8nm处有强烈的散射，说明此处可能含有较多的水分子。资料5：富兰克林和高斯林发现，DNA晶体上下颠倒后，衍射图谱看起来一样的。学生可结合铅笔演示资料5的实验【生成问题】含氮碱基、脱氧核糖、磷酸基团等在DNA分子中的位置是怎样的？DNA分子中两条核苷酸链的方向如何？【学生活动】根据资料，寻找证据，用磁力卡片制成的单个的脱氧核苷酸构建DNA分子的平面模型。【设计意图】学生动脑的同时动手，在构建模型的过程中发展学生基于证据，建构物理模型的科学思维。活动2：完善或修正DNA分子的平面模型 【教师活动】提供资料，启迪学生资料6：如下所示四种含氮碱基的分子结构图。研究发现，DNA分子中碱基对的长度固定为0.68nm。嘌呤、嘧啶分子结构资料7：再次回顾资料6，结合水的分子结构，推断碱基之间可能的联系？水分子结构示意图含氮碱基结构示意图【生成问题】碱基之间如何配对？两条链之间如何建立联系？【学生活动】根据资料，自主构建DNA分子平面模型，并且能够说出构建的依据。能够依据资料作出如下结论：1. DNA分子是磷酸和脱氧核糖在外侧，含氮碱基在内侧的双螺旋结构。2. 两条脱氧核苷酸链的方向相反，呈反向平行。3. 碱基之间互补配对的方式是A和T配对，G和C配对。4.碱基之间存在氢键，这也是两条核苷酸链建立连接的方式。A和T之间2个氢键，G和C之间3个氢键。【设计意图】学生继续加强基于证据构建模型的科学思维，并且明确在科学家构建模型的过程中，也需要基于证据，并且需要对证据证实或者证伪。在不断修正的过程中，发现真理。任务二：构建DNA分子的立体模型，并思考所得活动1思考DNA分子的在细胞中存在的形态【教师活动】展示模型，启迪学生思考在生物体内DNA分子的存在形态？平面模型立体模型【生成问题】DNA分子在生物体内是以何种状态存在？是什么样的力使它呈现这种状态？【学生活动】思考是不是外力作用下，DNA分子在细胞中呈现独特的双螺旋结构。在明确DNA分子中氢键有方向，会形成键角后，能够否定外力作用，明确碱基之间的堆积力和氢键等分子间作用力使其呈稳定状态。【设计意图】基于事实，学生能够理解DNA分子以独特的双螺旋结构稳定地存在于生物体内，进一步明确物质的结构与功能相统一的观念。活动2思考本节课的学习给予同学们的启示?【教师活动】带着学生总结DNA分子的结构特点；给学生时间完成教-学-评自测量表，体会本节课自己对知识的掌握情况，做到自己心中有数；启迪学生思考学习本节课的启示。【学生活动】思考后能够得出下列启示：学科融合、技术进步都会促进科学中新的发现；基于证据的证实或者证伪，是科学进步不可或缺的步骤。质疑、批判、认同的科学精神在真理发现的过程中的重要性。【设计意图】由知识的讲授提升至思维的发展，进一步加强学生在本节课的获得感；有意识地发展学生的科学思维和科学探究的意识。6.板书设计DNA的结构特点1.两条核苷酸，链碱基在内侧，五碳糖和磷酸在外测2.呈双螺旋结构3.两条链反向平行4.A和T配对之间有2个氢键G和C配对之间有3个氢键教学评一体化测量表课题课时达成学习目标：1能够概述DNA双螺旋结构的特点2能够获取信息，基于证据、事实进行推理达成评价：优秀（）良好（）及格（）任务驱动的学习活动嵌入评价任务一：初步构建DNA分子结构模型1、理解DNA分子的单体是四种脱氧核苷酸，核苷酸之间以磷酸二酯键相连，形成一条单链。2、能够从众多复杂的科学史资料中，寻找到最有利的证据，模拟DNA分子结构模型的建立历程，初步构建出DNA分子的双螺旋结构模型。任务二：完善DNA分子结构模型3、根据科学史资料，寻找证据支持DNA分子结构中，碱基的位置？碱基间的对应关系？碱基之间的化学键？1个DNA分子中两条DNA单链是同向平行？还是反向平行？4、能够阐述DNA分子的结构特点，并同小组内学生互检。本节课素养发展目标1、知道DNA是主要的遗传物质后，愿意尝试探究DNA分子与其功能相适应的结构特征，具备一定的科学探究精神。2、了解DNA分子双螺旋结构的发现，是通过分析DNA晶体的衍射图谱，最终确立的。能够获取信息，基于证据、事实进行推理；认同质疑精神、批判性思维在科学求真过程中的重要作用。3、能够体会生物学中的任何一项进展，都历经曲折，感激科学家的奉献精神。赞同多学科交流、融合，促进科学进步的观点。能够理解4分（）基本理解2分（）完全不理解0分（）能找到并认同对应的证据4分（）找不全面对应的证据2分（）完全找不到对应证据0分（）能够基于证据构建模型，清晰表达4分（）找不全证据，不能较好表达2分（）不愿意找寻证据及表达0分（）能够详细概述DNA结构特点4分（）概述不全DNA结构特点2分（）完全不能够理解DNA结构特点0分（）发展评价非常愿意探究4分（）做探究的意愿不够强烈2分（）不愿意去探究0分（）找到资料，完成模型构建4分（）找不全资料，未完