3.2DNA 的结构教学设计-2024-2025学年高一下学期生物人教版必修2

本文围绕“DNA的结构”展开，教材内容承前启后，承接DNA是主要遗传物质的知识，为后续遗传相关内容奠基。教学中通过分析科学史资料等环节，培养学生生命观念、科学思维、科学探究及社会责任等核心素养，如让学生构建DNA结构模型形成结构与功能相适应观点。 该设计创新点在于以合作探究模式为主，结合实际案例创设情境。从学生层面看，提升了分析、假设等能力；对教师而言，提供清晰授课路径；课堂效果上，增强互动，有效突破DNA结构构建及特点这一教学难点。

第一中麻江县第一中学：姚艳香 [典型案例] 《DNA 的结构》教学案例 题目 DNA 的结构 科目 生物 教学对象 高一 课时 1 课时 一、教材内容分析 本节内容蕴含丰富的科学史资料，主要讲了 DNA 分子的结构及其发现过程。教材根据科学家们的研究过程和研究结果不断总结 DNA 分子的结构特点。该部分内容起着承前启后的作用，首先它是在学生学习 DNA 是主要的遗传物质这一内容的基础上进行的，通过学习可以加深学生对遗传物质的认识，使学生从结构和功能两个方面更加理解为什么 DNA 是主要的遗传物质；其次为学习 DNA 的复制、基因的表达、生物的变异和进化等内容进行了必要的知识铺垫。所以说该节内容是高中生物学教学的重要内容之一。 二、学情分析 学生在初中阶段已经学习过生物的遗传和变异等相关内容，同时必修一也学习了 DNA 的分布、构成元素、基本单位等相关知识，为本节课的学习奠定了知识基础。但学生对 DNA 结构的构建原理、构建历史、空间结构并不是很清楚，因此在教学过程中，注重激发学生学习兴趣，引导学生全面了解和掌握DNA 的结构特点和功能。 三、教学目标 （1）能根据 DNA 双螺旋结构，说出 DNA 能携带遗传信息的原因，建立结构与功能相适应的观点。（生命观念） （2）通过分析归纳科学史资料和相关信息，能够总结 DNA 双螺旋空间结构的特征，形成科学分析问题的思维习惯。（科学思维） （3）能概述构建 DNA 结构的探究历程，讲述科学家在探索过程中的研究方法和思路。（科学探究） （4）通过总结科学家构建 DNA 结构模型的研究历程，能领悟模型构建在科学研究中的重要作用。（社会责任） （5）通过群文阅读，培养学生的信息提取能力和科学思维能力。（科学思维） 四、教学重难点 （1）DNA 分子双螺旋结构的构建过程； （2）DNA 分子的结构特点。 五、教学方法 本节课采取合作探究的学习模式，先让学生通过阅读资料，同桌小组之间交流的方式来探讨《DNA 的结构》的基本内容。再由教师来总结引导学生对于重难点知识的掌握。在《DNA 的结构》的应用的内容学习时，引导学生联系生活实际，加强书本知识与实际生活的联系。 六、教学过程 教学环节 教师行为 学生行为 设计意图 1.创设情境，明确探 究问题 2022年3月21日，东航 MU5735 客机在执行昆明飞往广州航班任务时，于梧州市上空失联。3 月 26 日，确认机上 123 名乘客和 9 名机组人员已全部遇难，为确认遇难者身份，可采用什么生物学手段？为什么？ 【明确探究内容】 通过 DNA 检测可以确认遇难者的身份，根据生物学结构和功能相适 应的观点，是什么样的结构赋予了 DNA 的功能呢？今天就让我们走进科学家的脚步一起揭示 DNA 结构的神秘面纱！ 【分析问题】 可以通过 DNA 检测 确认遇难者身份。因为DNA 是主要的遗传物质，每个人的 DNA 不同。 培养学生应用科 学知识对老师提 出的问题进行分 析解释的能力。 2.知识回顾和补充 在前面的学习中，我们对 DNA已经有所了解，同学们还记得吗？ （1）DNA 的元素组成； （2）DNA 的基本单位；组成部分； （3）DNA 基本单位的种类； （4）四种脱氧核苷酸如何连接形成DNA 单链； （5）脱氧核糖上 5 个碳原子的排序。 学生回顾知识： 组成元素：C、H、O、 N、P 基本单位：脱氧核苷 酸；一分子的脱氧核苷酸包含一分子的磷酸，一分子的脱氧核糖和一分子的含氮碱基。 种类：四种，分别是 腺嘌呤脱氧核苷酸，鸟嘌呤脱氧核苷酸，胸腺嘧啶脱氧核苷酸，胞嘧啶脱氧核苷酸。 连接方式：磷酸二酯键 知识巩固。 3.DN结构 模型的构 建 —— 基本骨架 任务一： 请同学们在自己的本子上画一条含有四个脱氧核苷酸的脱氧核苷酸链。 提问： 对比周围同学构建的 DNA 单链，与你的有什么异同，例如哪个部分是相同的，是固定不变的？哪个部分是可以发生改变的？ 引导总结： 不管碱基如何改变，磷酸和脱氧核糖都是以磷酸、脱氧核糖、磷酸、脱氧核糖.......这样一种交替连接的形式构成，所以脱氧核糖—磷酸交替连接构成了 DNA 单链的基本骨架。 完成任务一。 【对比分析，回答问题】 在 DNA 单链中磷酸和脱氧核糖是不变的，含氮碱基的种类不同，会发生变化。 学生听讲并做好笔记。 培养学生的动手 能力，提升学习兴趣。 培养学生的观察和分析能力。 4.DNA 结构模型的构—DNA双螺旋结构 展示资料： DNA 的结构主要是由美国生物学家沃森和英国物理学家克里克揭示的，在他们探索 DNA 结构的过程中，首先是威尔金斯和他的同事富兰克林应用 X 射线衍射技术获得了DNA 衍射图谱，同学们观察书上 P49页的 DNA 衍射图谱，这张图谱有什么特点？ 沃森和克里克根据衍射原理对图谱的数据进行分析，推算出 DNA呈螺旋结构，又通过模型构建法推算出 DNA 是由两条脱氧核苷酸链构成的双螺旋结构，接下来，就让我们一起探索沃森如何通过模型构建法搭建起 DNA 双螺旋结构！。 【资料分析】 图谱中展示的 DNA分子和字母“X”很像。 学生听讲并做好笔记。 培养学生的观察 和分析能力。 5.DNA结构模型的构建 —— 两条脱氧核苷酸链的连接方式 确定了 DNA 的双螺旋结构之后，沃森和克里克遇到的第一个问题是：2 条脱氧核苷酸链之间是如何连接的？老师手上有两条脱氧核苷酸链，请同学小组交流讨论，大胆假设这两条单链可以通过哪些方式连接？ （学生利用两条 DNA 单链对两条链的连接方式进行假设） 同学们已经给出脱氧核苷酸双链可能的连接方式。哪一种才是正确 的呢?想一想，关于 DNA 的组成成分磷酸，我们在哪里学习过？ 在必修一学习细胞膜的构建过 程时，知道细胞是由磷脂双分子层构成的基本骨架，而磷脂分子包含亲水的头部和疏水的尾部，它们有什么特点呢？根据资料，分析哪种假设成立呢？ 作出假设】 假设 1：骨架排列在 外侧，碱基排列在内侧 假设 2：骨架排列在 内侧，碱基排列在外侧 假设 3：一条链的碱 基和另一条链的骨架相连 回答问题：细胞膜结构中有磷脂双分子层。 【资料分析，得出结论】 亲水的头部排列在外侧，疏水的尾部排列在内侧所以可以推断，假设1 成立，骨架排列在外侧，碱基排列在内侧。 培养学生作出假 设的能力。 培养学生能够根 据已有知识分析 问题的能力，并能 通过分析得出结论的能力。 6.DNA结构模型的构建 —— 碱基的连接方式 根据分析，我们已经知道是骨架排列在外侧，碱基排列在内侧，但内 侧的碱基有腺嘌呤（A），鸟嘌呤（G），胸腺嘧啶（T），胞嘧啶（C）四种，这四种碱基之间又如何连接、配对呢？请同学们发挥想象、大胆假设。 四种假设中哪种假设成立呢？ 请同学们分析四种碱基的结构，找出正确的答案。 展示资料：科学发现 DNA 衍射图谱中 DNA 分子螺旋的直径是固定的2nm。 到底腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T） 配对呢还是和胞嘧啶（C）配对呢？ 接下来看看生物化学家查哥夫给我们带来的讯息，请同学们分析数据，提取信息，找到四种碱基之间存在的数量关系。 展示资料：查哥夫对多种生物的 DNA 进行碱基定量分析。 所以腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T） 配对，胞嘧啶（C）与鸟嘌呤（G） 配对，我们将碱基之间一一对应的关系叫做碱基互补配对原则。但腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）配对时，是由两个氢键进行连接，构成一个碱基对，而胞嘧啶（C）与鸟嘌呤（G）配对时是由三个氢键连接形成了另一个碱基对。 【作出假设】 假设 1：相同碱基相 连（A—A、T—T、C—C、 G—G） 假设 2：不同嘌呤相 连，不同嘧啶相连 A—G、T—C） 假设 3：嘌呤与嘧啶 相 连 （ A—T 、 C—G 、A—C、G—T） 假设 4：无规则相连 【资料分析，得出结论】 DNA 分子螺旋的直径是固定的 2nm，而四种碱基结构中，胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）是单环结构，腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）是双环结构，嘧啶和嘧啶相连，直径小了，嘌呤和嘌呤相连直径 大了，所以假设四成立。 【资料分析，得出结论】 根据查哥夫的实验数据，不管是何种生物， 它们的 DNA 中，腺嘌呤（A）的量总是等于胸腺嘧啶（T）的量(A=T)，鸟嘌呤（G）的量总是等于胞嘧啶（C）的量(G=C)。 认真听讲，做好笔记。 培养学生观察、作出假设的能力。 培养学生的观察 能力、资料分析的能力，以及得出结 论的能力。 培养学生数据分 析的能力，以及 通过数据分析得出结论的能力。 7.DNA结构模型的构建 ——两条DNA单链反向平行 任务二： 在同学们的共同努力下，已经知道了 DNA 是由脱氧核糖—磷酸交替连接形成的基本骨架，呈双螺旋结构，也找到了碱基的配对方式，下面请同学们拿出最开始构建的那条含有四个脱氧核苷酸的 DNA 单链，根据碱基互补配对原则，画出另外一条单链。 根据同学们画的结果，老师看到了两种不同的 DNA 双链的平面结 构，一种是两条链方向是相同的，另一种两条链的方向是反向平行的，究竟这两条链的方向如何呢？ 展示资料：富兰克林发现，将 DNA 晶体翻转 180 度后，获得的衍射图谱和之前是一样的。 请同学们根据资料，也尝试着将 课本中的 DNA 衍射图谱旋转 1800，验证富兰克林的发现是不是正确的？同时将自己画的平面结构也进行旋转，是否符合富兰克林的发现呢？ 老师归纳总结： DNA 双链的方向是反向平行的，同时根据对碳原子的排序，DNA 双链中一条链是 5’到 3’端，另一条链的方向是 3’到 5’端。 完成任务二 。 第一种类型： 第二种类型： 【完成操作，分析结果，得出结论】 将 DNA 衍射图谱旋转 1800 后发现，旋转前后，图谱没有发生变化，富兰克林的发现是正确的，所以 DNA 双链的方向是反向平行的，应该是 第二种类型。 培养学生的动手 能力。 培养学生的分析 能力，得出结论的能力。 8.DNA结构总结 根据科学家们提供的信息，同学们经过实际分析和研究，已经得出相 关结论，下面让我们一起总结归纳 DNA 的结构特征。（采用填空的形式考察学生对 DNA 结构特点的掌握情况，帮助学生总结 DNA 结构） 【归纳结论，总结知识】 学生总结归纳，掌握DNA 的结构 9.DNA结构模型的构建——DNA的结构特点 任务三：根据碱基互补配对原则及 DNA 结构，画出一条 DNA 片段的平面结构。 提问： 对比周围同学的 DNA 片段平面 结构，是否和你的相同呢？ 提问： 请同学们结合刚才的问题，以及对 DNA 结构的思考，想一想为什么 DNA 可以作为遗传物质携带遗传信息呢？ 问题 1：由一对碱基对组成的DNA 片段，其排列方式有多少种？ 问题 2：由 4 对碱基对组成的DNA 片段，其排列方式有多少种？ 问题 3：由 n 对碱基对组成的DNA 片段，其排列方式有多少种？ 是的，虽然碱基的种类是相同的，但碱基的排列顺序和数量存在差异，这说明了 DNA 分子具有多样性，而每个 DNA 分子又有其特定的碱基排列顺序，使它又具有特异性。所以说 DNA 分子可以作为遗传物质，携带遗传信息。 完成任务三。 回答问题： 不同，DNA 片段内部 的碱基排列顺序存在差 异，碱基数量也不同。 【交流与反思】 问题 1：4 种。 问题 2：44=256 种。 问题 3：4n 种。 学生认真听讲，反思总结，做好笔记。 通过对比DNA 片段的差异，培养 学生反思的能力。 10.课堂小结 回顾 DNA 双螺旋结构的构建过程，可以发现，威尔金斯和富兰克林提供了 DNA 衍射图谱，沃森和克里克根据图谱发现 DNA 是反向平行的双螺旋结构，根据查哥夫的研究，沃森和克里克找到了内部碱基的配对方式，最终成功搭建出 DNA 双螺旋结构，可知每一个科学发现背后离不开许多科学家的发现和探索。希望在未来的学习和生活中，同学们也能互分享学习信息，共享学习资料，大家共同进步，考上理想的大学！ 回顾 DNA 双螺旋结构构建历程，总结知识。 归纳总结，情感升华。 7、 布置作业 1.（2025·广东选择考）DNA双螺旋结构模型的提出是二十世纪自然科学的伟大成就之一。下列研究成果中，为该模型构建提供主要依据的是（　　） ①赫尔希和蔡斯证明DNA是遗传物质的实验　②富兰克林等拍摄的DNA衍射图谱　③查哥夫发现的DNA中嘌呤含量与嘧啶含量相等　④沃森和克里克提出的DNA半保留复制机制 A.①② B.②③ C.③④ D.①④ 2.（2025·河北唐山检测）某DNA部分片段结构如图所示，下列叙述正确的是（　　） A.③为磷酸二酯键，③的形成需要RNA聚合酶催化 B.①代表氢键，①的形成与断裂需要ATP提供能量 C.片段中碱基②与五碳糖构成的脱氧核苷与ATP中的腺苷相同 D.若该DNA一条链中碱基A与T之和占48％，则整个DNA中碱基C占26％ 3.某生物兴趣小组将大肠杆菌在含15N的培养基中繁殖数代后，使大肠杆菌DNA的含氮碱基都含有15N。然后再将其转入含14N的培养基中培养，提取亲代及子代的DNA，离心分离，如图①～⑤为可能的结果。下列有关叙述错误的是（　　） A.实验过程中，所使用的研究方法是同位素标记法、密度梯度离心法 B.根据含14N或15N的DNA离心后的位置，⑤为亲代、②为子一代 C.若出现图中③的结果（带宽比3∶1），则亲代DNA进行了3次复制 D.若将DNA处理成单链后再离心，也可以证明DNA的复制为半保留复制 4.（2025·山东济宁模拟）如图是DNA复制示意图，E表示酶，α、β是新合成的子链。根据资料回答问题。 资料1　所有已知的DNA聚合酶的合成方向都是相同的，DNA复制时，以其中一条链为模板，连续合成一条子链（称为前导链）；以另一条链为模板，合成子链片段，在DNA连接酶的作用下将子链片段，连接成一条完整的子链（称为滞后链）。 资料2　所有已知的DNA聚合酶都不能发动新链的合成，而只能催化已有链的延长反应。然而RNA聚合酶则不同，它只需要DNA模板存在，就可以合成出新的RNA链。 资料3　DNA复制过程中，首先以DNA为模板合成几个至十几个核苷酸的RNA引物片段，然后DNA聚合酶Ⅲ继续在引物末端连接核苷酸使子链延伸。RNA引物的消除和缺口的填补是由DNA聚合酶Ⅰ来完成的。 （1）图中酶E是_______________，作用于DNA分子的_______________。 （2）图中_______________是滞后链，RNA引物在其_______________（填“5'端”或“3'端”）。 （3）据资料分析，DNA复制需要_______________种酶。现有DNA连接酶变异的温度敏感型大肠杆菌，其DNA连接酶仅在适当温度范围内起作用。 学科网（北京）股份有限公司 $$