資源簡介

教學設計
課題 DNA的結構
1.教學內容分析（分析本課時教學內容在單元中的位置，核心內容對發展學生核心素養的功能價值分析，蘊含的正確價值觀念，已學內容與本課內容的關聯）《DNA的結構》是人教版高中生物學必修二《遺傳與進化》第三章《基因的本質》第二節的內容。學生在上一節《DNA是主要的遺傳物質》中已經了解了DNA攜帶遺傳信息，但什么結構導致的功能學生還不甚了解；下接《DNA的復制》內容，學生在學習完本節內容后勢必會對DNA的雙螺旋結構通過怎樣的復制方式才能傳遞遺傳信息產生濃厚興趣，因此本節內容在單元教學中起著承上啟下的作用。《DNA的結構》一節包括“DNA 雙螺旋結構模型的構建”“DNA的結構”和“制作DNA雙螺旋結構模型”三部分內容。在“DNA雙螺旋結構模型的構建”部分，教材通過講故事的形式，以科學家沃森和克里克的研究歷程為主線，還原了幾位科學家構建DNA雙螺旋結構模型的過程。閱讀這個故事，學生不僅能了解DNA雙螺旋結構模型的基本結構，也能得到一些啟示。在“DNA的結構”中，教材圖文并茂地講述了DNA結構的主要特點，并用黑體字解釋了堿基互補配對原則。教材展示了“DNA 的結構模式圖”，立體圖展示了DNA的雙螺旋結構，平面圖是對立體圖中部分堿基放大后的呈現，除了顯示DNA雙鏈的結構組成，平面圖還顯示一些細節為學生以后學習《生物技術與工程》模塊中PCR等內容打下了基礎。通過“制作DNA雙螺旋結構模型”的探究實踐活動，進行制作模型、交流和討論，學生可以進一步加深對DNA結構的認識。本節內容通過科學史為學生探索知識的主脈絡，發展了學生的結構與功能觀、加強了學生對于實驗結論間的緊密邏輯性的感知；通過構建DNA的雙螺旋結構活動提升學生的科學探究能力，認同科學家的探索求真、交流合作等科學精神在科學研究中的重要性，理解物理學和化學方法在生物學研究中的重要作用，進一步領悟多學科交叉融合在科學研究過程中的必要性。
2.學情分析（學生與本課時學習相關的學習經驗、知識儲備、學科能力水平、學生興趣與需求分析，學生發展需求、發展路徑分析，學習本課時可能碰到的困難）本節內容面向的教學對象為高一學生。高一學生已經具備一定的認知水平，已經具備一定生物學知識基礎，并且對生物學具有較為濃厚的興趣，愿意進行深入探索。在思維模式上，學生思維活躍，喜歡探究問題，已經具備一定的理性思維，能夠進行邏輯思維分析和解釋問題。學生們在初中時初步學習了DNA是雙螺旋結構，并在必修一《分子與細胞》中學習 知道了核酸等物質的組成，了解到堿基、氫鍵、磷酸、脫氧核糖等概念，以及在科學思維和科學方法上，都已經有了一定的基礎。在本模塊必修二《遺傳與進化》中，學生已經學習了第一章 “遺傳因子的發現”和第二章“基因與染色體的關系”，并熟悉了孟德爾遺傳定律以及基因與染色體間的關系。 學生在第三章第一節“DNA是主要的遺傳物質”中了解了探索DNA是主要的遺傳物質的過程，并理解了相關實驗的過程和原理，可以闡明DNA的功能，啟發學生思考DNA具有這些功能的原因，將在第二節中給出答案。第一節的內容為學生的學習做了很好的鋪墊。本節內容需要與數學、物理、化學等學科有交叉融合，學生在識別DNA的衍射圖譜時可能會碰到困難。在鏈接兩條DNA單鏈時，對于DNA兩條鏈的方向識別可能也有困難。DNA分子是抽象的立體空間結構，學生的認知水平和空間想象能力相對較弱，但對新知識有較強的的探究欲和學習興趣，因此教師要著力扮演好組織者、引導者和參與者的角色，適時地、不斷地啟迪、指導和幫助學生;在“制作DNA雙螺旋結構”模型構建的活動中，和學生一起去體驗“發現”的樂趣；學會將模型建構過程中獲得的信息進行匯總，通過討論和交流，初步得出結論;養成在學習活動中友好合作，資源共享的科學探究習慣。在教學過程中，高度重視師生互動、生生互動。在“DNA分子雙螺旋結構模型建立過程”的科學史料的閱讀和理解中，以嚴密的邏輯推理步步追蹤、層層深入，不斷地引發學生去積極思考、主動參與“DNA分子結構”的學習過程。
3.目標確定（根據學科課程標準和學生實際，指向學科核心內容、學科思想方法、學科核心素養的發展進階，描述學生經歷學習過程后應達成的目標和學生應能夠做到的事情。可分條表述） 本節課程內容設置為“情境-任務-問題-活動”為主線的課堂主線。《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》中對應“DNA的結構”一節的有關要求:(1)內容要求——“概述DNA分子是由四種脫氧核苷酸構成，通常由兩條堿基互補配對的反向平行長鏈形成雙螺旋結構，堿基的排列順序編碼了遺傳信息。” (2)教學提示——“搜集DNA分子結構模型建立過程的資料并進行討論和交流;制作 DNA分子雙螺旋結構模型。”(3)學業要求——“結合DNA雙螺旋結構模型，闡明DNA 分子作為遺傳物質所具有的特征......(生命觀念、科學思維)。”本節內容基于大單元教學視角下進行教學，因此教學目標需要具備一定的整體性。根據課標相關要求，課程目標、學習任務等如下圖所示：
4.學習重點難點學習重點：DNA結構的主要特點、利用3D打印技術制作DNA雙螺旋結構模型。學習難點：闡明DNA結構的主要特點。
5.學習評價設計（從知識獲得、能力提升、學習態度、學習方法、思維發展、價值觀念培育等方面設計過程性評價的內容、方式與工具等，通過評價持續促進課堂學習深入，突出診斷性、表現性、激勵性。體現學科核心素養發展的進階，課時的學習評價是單元學習過程性評價的細化，要適量、適度，評價不應中斷學生學習活動，通過學生的行為表現判斷學習目標的達成度） 1．《DNA結構》課堂活動評價量表（學生版）2. 《DNA結構》課堂活動評價量表（教師版）3．課堂中解決核心任務的評價量表
6.學習活動設計教師活動學生活動課前準備：DNA結構零件的3D打印、DNA粗提取實驗、《揭秘DNA雙螺旋結構小劇場》拍攝教師活動1（教學環節中呈現的學習情境、提出驅動性問題、學習任務類型。下同）帶領學生進行3D打印準備工作。引導學生進行課前DNA的粗提取實驗。組織學生進行小劇場的拍攝工作。學生活動1（學生在真實問題情境中開展學習活動；圍繞完成學習任務開展系列活動與教的環節對應，學生分析任務-設計方案-解決問題-分享交流中學習并有實際收獲。下同）小組代表進行DNA結構的3D打印準備工作。小組代表利用洋蔥、草莓、香蕉等進行 DNA的粗提取實驗，并錄制實驗視頻。興趣小組進行小劇場的拍攝工作。活動意圖說明：（簡要說明教學環節、學習情境、學習活動等的組織與實施意圖，預設學生可能出現的障礙，說明環節或活動對目標達成的意義和學生發展的意義。說出教與學活動的關聯，如何在活動中達成目標，關注課堂互動的層次與深度）在課前進行DNA結構零件的3D打印準備工作，能夠提前調動學生對本節課的興趣，并且在與學生共同修改雙螺旋結構各化學組成的數值時能夠使得學生更加加深對于DNA結構的化學組成的印象。生物學與信息技術手段的融合也更加能使得學生體會到學科交叉帶來的便利。課前帶領學生進行DNA粗提取實驗能夠培養學生的科學探究精神，使得學生更加認同理論源于實踐，并加深印象。學生經歷從所提供的資料和視頻中摘取、分析、嘗試、動手操作，最終得出結論的過程，培養科學思維及動手探究的能力。環節一：情景導入教師活動1多媒體呈現2023年古DNA分析技術所獲得的科技地位，并對其意義進行說明問題引導——1.為什么要分析古DNA？2.DNA作為遺傳物質是如何儲存遺傳信息的？學生活動1學生思考回答問題，并帶著問題進入本節課程的學習。活動意圖說明將當下科技發展與普高課程知識相互銜接，體現教育、科技、社會三者的協同關系，激發學生的學習動機。環節二：構建DNA雙螺旋結構（一） —— 建構4種脫氧核糖核苷酸模型教師活動220世紀科學家們對于研究DNA的結構十分癡迷，經過了一系列的實驗得到證據，最終沃森和克里克成功搭建了DNA的雙螺旋結構?？死锟耸且幻锢韺W家，對X射線衍射圖譜的分析十分熟悉，能夠幫助沃森理解晶體學的原理。沃森是一名生物學家，能夠幫助克里克理解生物學的知識內容。展示科學史資料1：20世紀30年代，科學家們認識到：DNA是以4種脫氧核糖核苷酸為單位連接而成的長鏈，但是對DNA的空間結構還一無所知。帶領學生回顧舊知，【提出問題串1】：在必修一中我們學習了DNA的基本單位？你還記得脫氧核糖核苷酸由哪些小分子構成嗎？堿基都有哪些種類呢？（展示四種堿基結構圖）活動1:你能利用手里的模型拼接出脫氧核糖核苷酸的模型嗎，并說出脫氧核糖與堿基、磷酸建立聯系對應的碳原子的位置嗎？教師展示脫氧核糖核苷酸的分子結構，引導學生指出提前利用3D打印技術制作的脫氧核糖與堿基、磷酸建立聯系對應的碳原子的位置，并說出堿基的類型和名稱?！緢D】學生活動2閱讀資料，思考問題，討論、表達與交流，回顧。脫氧核糖核苷酸。一分子磷酸、一分子脫氧核糖、一分子堿基。腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶。學生利用學具建構核苷酸模型，說出各核苷酸名稱，并歸納核苷酸的結構特點：堿基與脫氧核糖中的1號碳連接，磷酸與5號碳連接?；顒右鈭D說明提供資料，聯系學生的前知識通過操作模型構建核苷酸模型，提供學習支架，使得學生能完善知識網絡。環節三：構建DNA雙螺旋結構（二） —— 建構一條脫氧核糖核苷酸模型教師活動3【提出問題串2】：你還記得脫氧核糖核苷酸是如何連接形成一條長鏈的嗎？請一位學生上臺畫出鏈接的化學鍵位置?；顒?:你能利用模型嘗試建構由5個脫氧核糖核苷酸組成的DNA單鏈模型嗎？學生活動3通過磷酸二酯鍵。學生上臺畫出示意化學鍵位置。嘗試構建一條多樣核苷酸鏈。活動意圖說明通過分析資料思考問題，感悟科學方法和科學精神，感受合作學習和交流的重要性。培養學生的科學思維和探究精神，結合探究過程，激勵學生思考，理解進行科學探究必須要有嚴謹的推理和縝密的科學思維。環節四：構建DNA雙螺旋結構（三） —— 探究DNA分子的空間結構教師活動4以沃森和克里克為代表的一眾科學家們仍然不知道DNA的空間結構究竟是怎樣的。而轉機是來自于一位偉大的女科學家富蘭克林拍攝的照片，揭示了DNA的空間結構為雙螺旋結構。展示科學史資料2：在 1951 年 11 月，美國生物物理學家威爾金斯和同事富蘭克林應用了X射線衍射技術獲得了高質量的DNA衍射圖譜。該照片至今仍被公認為所有 X 射線照片中最美之一。提問：這張圖能說明什么呢？在課前，我們班的幾名同學特意進行了課前的一系列探究活動，并用小劇場的形式演繹了出來，讓我們一起來看一看吧。播放視頻【揭秘DNA雙螺旋結構的小劇場】幾位同學通過生動形象地演繹，為我們解釋了這張圖所蘊含的信息，那么同學們能否利用手中的模型來構建一個脫氧核糖核苷酸雙鏈在平面上連接的模型呢？【提出問題串3】：如果DNA是雙鏈螺旋結構，你能構建出幾種可能的平面模型？活動3:引導學生嘗試建構DNA雙鏈平面模型。 學生活動4閱讀資料，思考問題，討論、表達與交流，回顧。觀看視頻，并進行思考。嘗試構建DNA分子的雙鏈平面結構模型。教師活動5【提出問題串4】：看到大家構建了多種多樣的雙鏈結構模型，請大家來進行展示！同學們構建的模型多種多樣，但是現在的模型有兩個問題：DNA分子由兩條鏈構成，兩條鏈中的堿基是排在外側，還是在內側？當時科學家們在繼續探究DNA的結構時，也遇到了同樣的問題，于是沃森和克里克繼續搜尋資料。展示科學史資料3～6：活動4:教師組織學生根據資料3～6修改模型，并進行展示。學生活動5閱讀資料，思考問題，小組合作討論、表達與交流，回顧。學生嘗試修改DNA雙螺旋平面結構。形成的DNA雙螺旋結構活動意圖說明通過學生課前整理資料分析，并以小劇場的形式形象的為全班學生解釋富蘭克林所拍攝的DNA衍射圖片背后所蘊含的意義，培養了學生的自主探究的能力，更加深刻體會到了學科交叉融合的魅力。以問題串的形式將科學家們在構建DNA模型時遇到的問題呈現給學生，一方面可以讓學生了解科學史，另一方面可以提高學生分析問題，解決問題的能力，突破教學重點，注重訓練學生思維能力。環節五：總結歸納DNA雙螺旋結構的特點教師活動6【提出問題串5】：提問：構建出DNA雙螺旋結構后，沃森和克里克要怎樣才能讓世人知道呢？提問：如果你是沃森和克里克，在論文中將對DNA雙螺旋結構進行怎樣的描述呢？請進行小組討論。引導學生根據DNA雙螺旋結構模型，總結DNA雙螺旋的結構特點。學生活動6學生提出，應該描述DNA的雙螺旋結構。學生根據構建模型用到的知識來回答問題。講述模型的內容，思考并回答相關問題。小組討論，并交流：（1）DNA分子是由兩條反向平行的脫氧核苷酸鏈盤旋而成的。（2）DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連接，排列在外側，構成基本骨架；堿基排列在內側。（3）兩條鏈上的堿基通過氫鍵連接成堿基對，且遵循堿基互補配對原則?；顒右鈭D說明：在體驗模型構建后學習DNA分子的結構特點，更有利于學生加深理解。及時反饋，檢測學生掌握的情況，有利于學生掌握本節課的學習重點。環節六：總結歸納DNA雙螺旋結構的特性教師活動7【提出問題串6】：提問：DNA結構的特性是什么？能否從以下兩個問題進行思考？1.DNA是如何維系它的遺傳穩定性的？2.DNA只含有4種脫氧核苷酸，為什么能夠儲存足夠量的遺傳信息？ 教師提問：為什么G//C堿基對含量越多DNA越穩定？教師提問：在生物體內，一個最短DNA分子也大約有4000個堿基對，堿基對有：A—T、T—A、G—C、C—G。計算DNA分子有多少種？教師提問：人體內控制β珠蛋白的基因由1700個堿基對組成，其堿基對可能的排列方式有多少種？學生活動7學生思考，小組討論并總結。DNA結構的特性1:穩定性。氫鍵越多，結構越穩定，而G—C堿基對之間含有的氫鍵多，即含G、C堿基對比例越大，結構越穩定，更耐高溫。44000種。得出DNA結構的特性2: 多樣性。1種。得出DNA結構的特性3: 特異性。活動意圖說明：通過對DNA結構特點的認識，認同DNA結構的特性，達成結構與功能相適應的生命觀念。環節七：總結提升教師活動8【提出問題串7】：上述材料體現了哪些學科的知識？展示DNA測序技術的前沿應用：藥物研發與個體化治療;基因組學研究;疾病的診斷與預防;生物技術創新。沃森和克里克默契配合，揭示了DNA的雙螺旋結構，是科學家合作研究的典范，在科學界傳為佳話。他們的這種工作方式給予你那些啟示？學生活動8數學、物理、化學、語言文學等。學生感悟。①要善于利用他人的研究成果和經驗；②要善于與他人交流合作，閃光的思想是在交流與碰撞中獲得的；③研究小組成員在知識背景上最好互補，④對所從事的研究要有興趣和激情?；顒右鈭D說明： 通過引導學生回顧本節課程的學習，加深學生切身體會到學科交叉融合在科學研究中的必要性，發散思維。以科學家們為榜樣，深化團結合作的良好品行。環節八：回顧情境問題教師活動9引導學生回答情境問題：DNA作為遺傳物質是如何儲存遺傳信息的？學生活動9學生進行回答交流，其他學生進行補充回答?；顒右鈭D說明： 回顧情境問題，完整應用一個情境材料，能夠使得學生對于DNA作為遺傳物質儲存遺傳信息有著更加深刻的了解。
7.板書設計（板書完整呈現教與學活動的過程，最好能呈現建構知識結構與思維發展的路徑與關鍵點。使用PPT應注意呈現學生學習過程的完整性）
8.作業與拓展學習設計（設計時關注作業的意圖、功能、針對性、預計完成時間。發揮好作業復習鞏固、引導學生深入學習的作用；面向全體，進行分層設計；檢測類作業與探究類、實踐類作業有機銜接；分析作業完成情況，作為教學改進和個性化指導與補償的依據） 1.布置分層課后習題作業2.學生興趣作業：利用3D打印技術，自己制作一個簡易的DNA雙螺旋結構模型
9.特色學習資源分析、技術手段應用說明（結合教學特色和實際撰寫）本節課利用3D打印技術制作DNA雙螺旋結構模型的學具有以下幾個顯著的優點：1. 直觀性強：3D打印的模型能夠真實、準確地再現DNA雙螺旋的立體結構，使學生能夠直觀地觀察到DNA的空間構型，從而更好地理解其結構特點。2. 便于觀察與學習：學具的大小、顏色等設計可以根據教學需求進行定制，使得學生在觀察過程中更容易區分DNA的組成部分，如磷酸、脫氧核糖和堿基等，從而加深對DNA組成的理解。3. 操作簡便：學具可拆卸組裝，便于學生動手實踐，通過實際操作加強對DNA結構特征的記憶，同時培養學生的實踐能力和動手能力。4. 耐久性強：3D打印的模型材料通常具有較好的耐用性，不易損壞，可以長期使用，為教學提供了持久的支持。5. 激發學生興趣：利用現代科技制作的學具能夠吸引學生的注意力，激發他們對生物學科的興趣和好奇心，提高學習的積極性和參與度。6. 提高教學效率：教師利用3D打印模型進行授課時，可以更直觀地展示DNA的結構，減少抽象解釋的難度，從而提高教學的效率和質量。7.立體感強：通過3D打印技術，學生可以全方位觀察DNA模型的細節，加深對空間結構的理解，避免二維圖像帶來的理解障礙。8.教學互動性好：使用此學具進行教學活動，可以增加師生互動和學生之間的討論，提高課堂的活躍度和參與度。綜上所述，應用3D打印技術制作的DNA雙螺旋結構模型學具在高中生物教學中具有顯著的優勢，有助于提高學生的學習效果和教學質量。
10.教學反思與改進（教與學的經驗性總結，基于學習者分析和目標達成度進行對比反思，教學自我評估與教學改進設想）本節課以新課程理念為指導，設計“情境-任務-問題-活動”為主線的課堂，分為三個興趣小組分別進行3D打印技術制作學具、DNA的粗提取實驗以及小劇場籌備與拍攝工作。教學中通過問題串的形式引導學生思考科學史資料，并逐步完善模型，調動學生積極性，提高課堂效率。為增強學生印象，設計制備DNA雙螺旋模型的學生活動，強調小組合作與問題提示。同時，注重情感、態度、價值觀的教育。課堂參與度高，培養學生思維，挑戰教師課堂生成能力。不足之處在于課堂時間把握不夠精準，需優化教學節奏。學生參與度不高：雖然組織了小組討論，但在實施過程中，部分學生的參與度不高，沒有形成有效的討論和交流，導致部分學生對知識點掌握不夠深入。針對上述不足之處，我提出以下改進方案：在上課之前要精準把握每一個環節的時間設置，優化教學節奏。優化小組討論環節：通過設計更具啟發性的問題，引導學生積極參與討論；同時，加強對學生討論的監督和指導，確保討論的有效性和深度。
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