DNA的结构-探究实践制作+DNA+双螺旋结构模型+教学设计-高一下学期生物人教版必修2

第3章第2节探究实践制作DNA双螺旋结构模型教学设计【教学目标】1.概述DNA结构主要特点，说明DNA分子结构层次。2.构建DNA双螺旋结构模型，培养学生动手能力与合作交流精神。【教学重点】1.DNA结构主要特点。2.构建DNA双螺旋结构模型【教学难点】构建DNA双螺旋结构模型【新知探究】诚聘英才为纪念DNA双螺旋结构模型发表70周年，中国科技馆现面向全国，招募核心科研团队，完成今年纪念性标志物的工程设计。【岗位要求】1.分工明确、合作默契、有创新精神的团队2.有过硬理论基础的团队3.有熟练现场操作能力的团队第一轮：回顾DNA结构面试流程第一轮：基础理论通过抢答获得积分，积分高的团队，优先选择第二轮的实验材料。第二轮：动手实操通过现场制作和展示模型，各团队自评和互评，选出最优的两个团队，与我馆签订聘书。第一轮：回顾DNA结构抢答以下问题！！！1.DNA的空间结构是什么形状？双螺旋2.DNA双螺旋结构的提出者是谁？沃森、克里克3.生物学家沃森，物理学家克里克，二人合作揭示了DNA双螺旋结构，在科学界传为佳话，据此你有哪些启示？借鉴他人研究成果及经验、团队成员在知识背景上最好互补、兴趣和激情、与他人沟通【人人争先】1.DNA的空间结构是什么形状？2.DNA双螺旋结构的提出者是谁？3.生物学家沃森，物理学家克里克，二人合作揭示了DNA双螺旋结构，在科学界传为佳话，据此你有哪些启示？（二）尝试制作制作DNA双螺旋结构模型【动手实操】1.讨论完成分工，队长填写任务单，2分钟模型的结构元件：脱氧核糖、磷酸基团、氢键、磷酸二酯键、腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶、鸟嘌呤、其他分工情况：成员①成员②成员③成员④成员⑤成员⑥2.现场模型制作（10个碱基对长度），18分钟3.团队展示，自评与互评沃森和克里克在发表DNA双螺旋结构的那篇著名短文写道：“值得注意的是，我们提出的这种碱基特异性配对方式，暗示着遗传物质进行复制的一种可能的机制”。科学探究永无止境碱基配对时，为什么嘌呤碱不与嘌呤碱或嘧啶碱不与嘧啶碱配对呢嘌呤碱是双环化合物，占有空间大；嘧啶碱是单环化合物，占有空间小。而DNA分子的两条链的距离是固定的。【科学史话】你可能不知的故事-----DNA双螺旋结构的发现发现的前夜20世纪上半叶的几十年，几代科学家不懈的努力终于将遗传物质的化学本质确定为DNA。在此基础上，玻尔（N.Bohr）、德尔布吕克（M.Delbrück）、薛定谔（E.Schrödinger）等一批物理学家的适时加入，将物理学的新观点、思维方式和研究手段引入遗传学研究，深深影响着战后整整一代的青年科学家，包括沃森和克里克。克里克是一个深受薛定谔思想影响的物理学家，战后从物理学转入生物学研究。他认为，运用物理学和化学的科学概念和精确的术语重新思考生物学的基本问题，是会有成果的。他思考问题敏锐深刻，不停顿地思考与评论是他最大的嗜好。沃森说：“他掌握别人的资料，并使之条理化的速度之快，令人倒吸一口冷气。”也正因为这一点，在克里克的周围聚集了一批沃森这样的优秀青年科学家。1951年，23岁的沃森来到英国剑桥著名的卡文迪什实验室，在那里遇到了大他12岁的克里克，开始了现代生物学史上最动人心弦的合作。沃森和克里克决定一起揭示DNA分子结构后，立刻确定目标：提出一个结构模型，它既要能解释X射线衍射分析的图像，又要能阐明基因自体催化（复制）和异体催化（编码蛋白质）等生物学性质。从物理学性质讲：根据阿斯特伯里（W.Astbury）等人的X射线衍射分析资料，DNA是由许多亚单位叠合在一起组成的，叠层间距是0.34纳米；DNA是一个长链分子，在整个分子线性结构中，分子的直径是衡定的。而从化学性质讲：DNA含有4种碱基，即两种嘌呤（A和G）和两种嘧啶（C和T），以及脱氧核糖和磷酸根。一个碱基、一个糖分子和一个磷酸根组成一个结构单位，叫核苷酸。核苷酸之间经磷酸酯键相连，组成分子的骨架结构。影响重大的三件事他们面临的第一个问题是如何设想DNA分子中核苷酸的排列和连接，使之保证DNA大分子内部的几何协调和力的平衡，在化学上趋于最稳态，还要保证DNA作为遗传物质所需的复制精确性。值得一提的是，鲍林当时也在构建DNA分子结构模型。威尔金斯（M.Wilkins）和富兰克林（R.Franklin）也在利用衍射图像分析DNA的结构，与沃森和克里克保持着经常的联系和深入交流。威尔金斯和富兰克林的思路与鲍林不同，他们作为晶体结构学家，总是先从衍射图像中的点及点的密集程度出发，并考虑衍射点的分布特点，经数学变换，将衍射图像诠释为分子中的各种化学键的键长、键角等结构要素。1953年2月，沃森和克里克从富兰克林的X射线衍射图像分析，虽然还不能肯定DNA是双链还是三链，却已明白在DNA的螺旋结构中糖磷酯骨架在外侧，碱基在分子内部。这是非常重要的发现，鲍林的错误之一就是认为糖磷酯键在分子中央。所以，现在横在沃森和克里克面前的问题是DNA分子究竟由几条链组成，这些链又是怎样相互连接的。第三件事，有机分子在不同的条件下往往具有不同的构型，它们互为异构体。当时，沃森和克里克画在草图上的碱基只是若干种异构体中的一种，这种结构很难同时符合分子的几何结构要求和化学稳定性要求。他们去请教实验室的访问学者多诺休（J.Donohue）。多诺休是曾和鲍林共事的量子化学家，他看了沃森的草图后，指出他们画的碱基构型属于烯醇式，应该改为酮式异构体。这真是神来之笔！克里克在回忆中写道：“多诺休和沃森站在黑板旁边，我坐在办公桌一侧。突然，我看到了一幅碱基对互补的图像，它能解释1:1。太妙了，真是再美不过了！就在1953年2月20日星期五的这一刻，我们都明白了，碱基在分子内部，它们是靠氢键来专一性配对的。”沃森很快发现，在酮式结构情况下，A-T碱基对与G-C碱基对长度相等，又恰恰与DNA分子的直径相当，这使沃森和克里克确信DNA是双链而不是三链。沃森和克里克花了整整一个星期来设计DNA结构模型，测量了两种碱基对和DNA长链上每一种键的旋转角度，并和X射线衍射图像一一对比，不断修正。沃森以惊人的记忆力把从威尔金斯和富兰克林实验室得到的新的信息全部融入了这个模型，克里克以他特有的思想和表达能力把一切都记录下来。成功的模型3月29日是三月份最后一个周末，两人终于完成了文稿。但因秘书休假，沃森请正在英国度假的姐姐帮忙打字，姐弟俩整整忙了一个下午。沃森对姐姐说：“我们的工作，称得上是达尔文进化论发表以来，生物学中最为轰动的事件。”4月1日，他们把文章送给实验室主任布拉格（W.L.Bragg）。布拉格非常高兴，原因至少有两条：第一，这件了不起的事是在卡文迪什实验室完成的，而不是在鲍林的实验室；第二，他和他父亲所建立的晶体X射线衍射分析方法，在探索生命本质的研究中发挥了十分重要的作用。布拉格对文章作了少许文字修饰，附了一封推荐信，在4月2日就发往《自然》周刊。鲍林闻讯时正在赴布鲁塞尔开会途中，特地于4日赶到剑桥。他仔细看了模型，又看了富兰克林的DNA衍射照片，当即向两位年轻人祝贺。布拉格主任设宴欢庆。1953年4月25日，《自然》周刊发表了这篇仅有900多字的文章：DNA的分子结构。这个结构模型的要义是：DNA是一个长长的双链分子，由两条同轴反向相互缠绕的多核苷酸链组成，外侧是由脱氧核糖和磷酸根组成的分子骨架，中间是由互补的碱基对组成的阶梯，碱基配对方式是A配T，C配G；碱基对间距为0.34纳米，每10个碱基对形成一个螺旋周期，螺旋直径为1纳米。这个模型既能从螺旋性、分子直径、碱基对的几何学尺度等方面阐明X射线衍射图像，又能以碱基专一性互补配对来解释查伽夫当量定律。这个模型不但外形美，更有内在的科学美。它的科学美体现在两个方面。第一，碱基配对的专一性保证了复制的高度精确性，只要一条链上的碱基序列确定了，其互补链上的碱基序列也随之确定了；第二，就一条链而言，模型并不限制碱基排列顺序，这保证了DNA可以负载无穷多样的遗传信息。这充分体现了基因的属性：变异的无穷多样性和复制的高度精确性。1962年，沃森、克里克因发现DNA分子结构，与改进了X射线衍射技术的威尔金斯一起获得了诺贝尔医学或生理学奖。制作DNA双螺旋结构模型课后反思本节课以新课程理念为指导，结合教材具体内容，设计成问题串的形式一一呈现，有效指导学生分组模型构建，充分体现了学生主体、教师主导的作用，学生参与的积极性高，师生间的交流互动良好，应该说来是一节较为成功的活动课，教学过程中通过分团队构建物理模型构建，培养了学生的动手能力、观察能力、合作探究能力，同时还运用现代多媒体教学等直观手段，动静结合，宏观与微观结合，化抽象为具体。本节课的较为成功的几个方面：1.这堂课我是在学生已有的知识上，让学生观看多媒体播放的视频，体会科学家的探索历程，这样可以使学生清晰地看到DNA分子结构，同时情感态度也得以升华。2.教学以“基本单位—DNA平面结构—DNA空间结构”逐步深入。知识间以问题串衔接，环环相扣，主动参与，在课堂中既动手又动脑，全方位调动感观，使抽象知识形象化，提高课堂知识理解效率。3.本节课有两个活跃的学生活动，一是让学生动手制作DNA结构过程；二是让学生展示作品并自评和互评。这充分给予学生表现的空间、活动的空间、思维的空间