论文部分内容阅读
摘要 尝试运用STEM的理念建构“DNA双螺旋结构模型”，在制作过程中力求突出科学性、技术性、工程性。同时弥补以往此模型制作过程中不便于进行教学展示和保存等不足之处，使制作出来的模型能更好地为生物教学实践服务。
关键词 STEM DNA分子结构 模型制作
中图分类号 G633.91
文献标志码 B
文件编号：1003-7586（2018）11-0027-03
1引言
“DNA分子的结构”是高中生物学课程必修模块的重点和难点之一，目的是让学生从分子水平上把握生命的延续性，认识生物界及生物多样性、形成生物进化的观点、树立正确的自然观等。然而，DNA结构属于分子水平，无法在显微镜下直接进行观察，在教学实践中需要教师引导学生通过空间想象进行理解。因此，将这一微观结构和抽象原理直观地展现出来，促进学生理解。
已有研究中“DNA双螺旋结构模型”的制作方法和过程，主要存在以下不足：①制作出来的模型多为静态。教师无法同时展示DNA分子的平面结构和双螺旋结构。②整体制作过程较为粗糙，缺乏美感，尤其是用订书针、细线等作为DNA分子各结构的连接处很容易脱落，不便于保存。③缺乏科学性。例如，直接用细线直接串联脱氧核苷酸，并不能很好地呈现DNA分子间的相互关系以及分子间的相对位置，而且连接分子骨架的细线等很容易让学生误以为DNA分子中原本就存在这样的连接线。④无法让学生体验科学家在建构DNA模型过程中的曲折历程以及科学精神。本研究基于以上分析，尝试运用STEM理念来制作“DNA双螺旋结构模型”。
2设计理念
针对以往“DNA双螺旋结构模型”制作中存在的不足，本模型的建构和制作主要以STEM作为设计的基本理念。STEM是科学（Science）、技术（Technolo-gy）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）的简称。但STEM教育并不是科学、技术、工程和数学教育的简单叠加，而是为了落实相关教学内容将四门学科内容有机融合形成一个整体，来更好地培养学生综合利用科学、技术、工程、数学等多学科知识解决实际问题的能力。
相对于以往的生物学教学，STEM教育首次引入了“工程学”的内容。在工程学中，工程师是最重要的角色，他们运用系统的过程、数学工具及科学知识来开发、建模、分析、改进特定问题的解决方案。STEM教育就是去创造一种实践环节引导学生像工程师一样去主动探究，从而将STEM教育的特性运用到学习与实践中。以STEM理念来建构生物学模型，将抽象知识转化为直观认识，能够有效地帮助学生理解微观抽象的生物学知识，是其体驗科学探究过程的有效途径。因此，利用STEM理念所建构的“DNA双螺旋结构模型有以下特点。
2.1科学性
dNA分子的基本单位是脱氧核苷酸，由磷酸、脱氧核糖和含氮碱基构成。每两个脱氧核苷酸经过脱水缩合，一个核苷酸上的脱氧核糖与另一个核苷酸上的磷酸基团通过3’-5’磷酸二酯键相连，此时磷酸应与脱氧核糖3号碳原子的顶点相连，形成主链的基本骨架，并排列在主链的外侧，碱基位于主链内侧;DNA分子由两条长链组成，这两条长链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构，所以一条链以磷酸开始，另一条链以五碳糖开始;两条DNA分子链上的含氮碱基互补配对（A和T配对，G只和C配对），且A-T和C-G碱基对具有相同的形状和直径;DNA分子的螺旋直径为2 nm;螺旋周期包含10对碱基;螺距为3.4 nm;相邻碱基对平面的间距0.34 nm。因此在制作模型时，可以按此比例制作，即模型螺旋直径比螺距为10：17，每一个螺旋包含10个碱基，相邻碱基的间隔为螺距的1/10。
2.2技术性
本次建模相对于以往的模型来说，对技术的要求较高。例如，在展示盒的制作过程中要准确的裁割玻璃，不能出现丝毫差错，否则整块玻璃将无法使用，从而造成浪费，增加制作成本;在制作玻璃底座时要求精确的计算玻璃的大小以及镶嵌玻璃的卡槽的宽度、深度，其次在顶部还要留有旋转双螺旋结构所用旋钮的位置。在此过程中对制作者的技术、耐力、细心程度要求较高，制作者要具备较强的技艺能力，才能保证作品的成功率和美观性。
2.3工程性
本模型最大的亮点体现在两个地方：①外部展示盒精美，以使得模型便于观察、保存;②内部DNA分子双螺旋结构按照其特有的、真实的分子结构进行精细制作，以充分体现建模的科学性。此外，工程性还体现在按照此种方法制作出来的DNA分子结构模型都一模一样，具有一定的工艺流程。
2.4便于多方位、多视角展示
展示盒四周以及顶部都是由玻璃制成，方便多角度观察DNA分子结构，而且通过旋转顶端的控制旋钮，还可以清晰的观察到DNA分子的结构层次：脱氧核糖核苷酸、多核苷酸单链、双链平面结构、双螺旋空间结构，有助于学生理解富兰克林的DNA衍射图谱。
3制作过程
3.1材料选取
16cm×16cm的玻璃板2块（用于底座和顶盖）、15cm×31cm的透明玻璃4块：钢锯、玻璃刀、玻璃胶、打孔器、钳子、槽刀、银色细铁丝（化学键）、4种颜色的彩色硬纸板（红、黄、橙、绿）、直径0.5cm白色小球、直径2cm的塑料蓝色五角星、量角器、尺子、胶水、剪刀、记号笔、白色水晶弹力绳。
3.2制作步骤
3.2.1外部框架的制作
①取一块16cm×16cm的玻璃作为底座，并在其四条边0.5cm处沿边凿宽0.5cm的卡槽;同时在其对角线中心穿一个小孔以便固定DNA分子的底端。
②取一块16cm×16cm的玻璃板作为顶盖，并在其对角线中心穿一个小孔以便安装旋转旋钮，在其四条边0.5cm处做记号。
③取四块15cm×31cm的玻璃板并用玻璃胶粘在一起。等固定好DNA分子的底端后将其固定到底座的玻璃卡槽中，将DNA分子的顶部与旋转旋钮相连，最后将顶盖与四块玻璃板的衔接处用玻璃胶固定，制作完成。 3.2.2DNA双螺旋结构的制作
由于DNA的2条长链之间的距离恒等于2 nm，即DNA的直径为2 nm。碱基堆积距离为0.34 nm，每对螺旋由10个碱基组成，则螺距3.4 nm，即螺旋高度为3.4 nm。综上所述，结合本次模型展示盒的大小，根据螺距与DNA分子直径的比（1.0：1.7）以及各分子的相对质量之比（磷酸：脱氧核糖：腺嘌呤：鸟嘌呤：胸腺嘧啶：胞嘧啶=1.0：1.3：1.4：1.5：1.3：1.1），通过计算的各部件的大小为：一对核苷酸的宽度为12cm（磷酸直径为1.5cm，五碳糖的大小为2.0cm、嘌呤长为2.0cm，嘧啶长为1.5cm），高度为2.04cm，即一个螺旋的高度为20.4cm，根据展示盒的大小制作一个半螺旋的DNA双链。
①碱基对的制作：用红色纸板代表腺嘌呤、橙色纸板代表鸟嘌呤、绿色纸板代表胞嘧啶、黄色纸板代表胸腺嘧啶。由于嘌呤碱基A和G是双环化合物，而嘧啶碱基T和C是单环化合物，所以制作时嘌呤模型相对嘧啶模型要大一些;又因为A-T、C-G要进行配对，所以将A、T之间的街口裁剪成三角形，将C、G之间的接口裁剪成半圆形，以分别来表示碱基间的相互作用。最后，再根据A-T、C-G之间的氢键数目在部件上打孔，并用银色铁丝充作氢键进行连接。
②核糖的制作：DNA的基本单位是脱氧核苷酸，一般用五边形材料代替脱氧核糖，制作模型时会用“直线”把磷酸和五边形连接起来，这是有悖科学事实的，会使得学生无法理解教材上连接脱氧核糖和磷酸的为什么是“折线”。这是因为五边形的五个顶点并不都代表碳原子。其实五边形的顶点是氧原子，其他四個顶点才是碳原子（从右侧顺时针依次是1、2、3、4号位碳原子），而第5号位碳原子不在五边形上，是通过化学键与4号位碳原子相连的。因此仅用五边形不能准确代表脱氧核糖，所以应在在五边形的4号碳原子处延伸出一个短枝。这样就可以按照脱氧核苷酸的分子式准确构建出脱氧核苷酸的模型。
本模型利用蓝色五角星代替脱氧核糖，其五个顶点当作五碳糖环上的五个原子，并在代表1、3号碳原子的地方用打孔器打孔，分别连接碱基与磷酸。在4号碳原子处打孔，穿上银色细铁丝，用银色细铁丝的另一端代表5号碳原子位置。
③磷酸基团的制作：一个脱氧核苷酸的3号碳原子与另一个脱氧核苷酸的5号碳原子端的磷酸基团之间通过脱水缩合形成磷酸二酯键，由磷酸二酯键将脱氧核苷酸连接成链。本模型用白色小球充当磷酸基团，并在小球上用打孔器穿孔，穿上银色细铁丝将磷酸基团的一端连接到脱氧核糖的5号碳原子另一端与下一个脱氧核苷酸的3号碳原子相连。
④双链的制作：模型中化学键一律用银色细铁丝代表，将各部件根据化学键连接方式连接在一起，并用水晶弹力线将DNA链固定在底座上。
双链制作完成之后，将DNA双链的另一端通过顶部玻璃上的小孔与旋钮相连，密封展示盒，制作完成。
本模型主要用于课堂直观展示。教师可旋转模型上端的旋钮，使DNA分子结构呈平面状，为学生展示DNA分子结构的平面结构，同时为学生说明或者让学生自己说出模型中各部分代表DNA分子中的哪部分结构。此外，也可以通过旋转模型上端的旋钮，使DNA分子结构呈螺旋状，为学生直观地展示DNA双螺旋结构。教师也可在活动课时间与生物兴趣小组成员一起制作DNA分子模型，通过学生自己动手参与其中，活化课本知识。这样不仅使学生对DNA的基本组成单位、平面结构、空间结构有了更深刻的理解，而且有利于后续基因的表达等相关知识内容的学习。除此之外，制作出来的模型制作精细、造型美观，是一件精美的工艺品，既可作为办公室、教室的摆件，又可以作为礼物赠予老师、同学、朋友。
关键词 STEM DNA分子结构 模型制作
中图分类号 G633.91
文献标志码 B
文件编号：1003-7586（2018）11-0027-03
1引言
“DNA分子的结构”是高中生物学课程必修模块的重点和难点之一，目的是让学生从分子水平上把握生命的延续性，认识生物界及生物多样性、形成生物进化的观点、树立正确的自然观等。然而，DNA结构属于分子水平，无法在显微镜下直接进行观察，在教学实践中需要教师引导学生通过空间想象进行理解。因此，将这一微观结构和抽象原理直观地展现出来，促进学生理解。
已有研究中“DNA双螺旋结构模型”的制作方法和过程，主要存在以下不足：①制作出来的模型多为静态。教师无法同时展示DNA分子的平面结构和双螺旋结构。②整体制作过程较为粗糙，缺乏美感，尤其是用订书针、细线等作为DNA分子各结构的连接处很容易脱落，不便于保存。③缺乏科学性。例如，直接用细线直接串联脱氧核苷酸，并不能很好地呈现DNA分子间的相互关系以及分子间的相对位置，而且连接分子骨架的细线等很容易让学生误以为DNA分子中原本就存在这样的连接线。④无法让学生体验科学家在建构DNA模型过程中的曲折历程以及科学精神。本研究基于以上分析，尝试运用STEM理念来制作“DNA双螺旋结构模型”。
2设计理念
针对以往“DNA双螺旋结构模型”制作中存在的不足，本模型的建构和制作主要以STEM作为设计的基本理念。STEM是科学（Science）、技术（Technolo-gy）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）的简称。但STEM教育并不是科学、技术、工程和数学教育的简单叠加，而是为了落实相关教学内容将四门学科内容有机融合形成一个整体，来更好地培养学生综合利用科学、技术、工程、数学等多学科知识解决实际问题的能力。
相对于以往的生物学教学，STEM教育首次引入了“工程学”的内容。在工程学中，工程师是最重要的角色，他们运用系统的过程、数学工具及科学知识来开发、建模、分析、改进特定问题的解决方案。STEM教育就是去创造一种实践环节引导学生像工程师一样去主动探究，从而将STEM教育的特性运用到学习与实践中。以STEM理念来建构生物学模型，将抽象知识转化为直观认识，能够有效地帮助学生理解微观抽象的生物学知识，是其体驗科学探究过程的有效途径。因此，利用STEM理念所建构的“DNA双螺旋结构模型有以下特点。
2.1科学性
dNA分子的基本单位是脱氧核苷酸，由磷酸、脱氧核糖和含氮碱基构成。每两个脱氧核苷酸经过脱水缩合，一个核苷酸上的脱氧核糖与另一个核苷酸上的磷酸基团通过3’-5’磷酸二酯键相连，此时磷酸应与脱氧核糖3号碳原子的顶点相连，形成主链的基本骨架，并排列在主链的外侧，碱基位于主链内侧;DNA分子由两条长链组成，这两条长链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构，所以一条链以磷酸开始，另一条链以五碳糖开始;两条DNA分子链上的含氮碱基互补配对（A和T配对，G只和C配对），且A-T和C-G碱基对具有相同的形状和直径;DNA分子的螺旋直径为2 nm;螺旋周期包含10对碱基;螺距为3.4 nm;相邻碱基对平面的间距0.34 nm。因此在制作模型时，可以按此比例制作，即模型螺旋直径比螺距为10：17，每一个螺旋包含10个碱基，相邻碱基的间隔为螺距的1/10。
2.2技术性
本次建模相对于以往的模型来说，对技术的要求较高。例如，在展示盒的制作过程中要准确的裁割玻璃，不能出现丝毫差错，否则整块玻璃将无法使用，从而造成浪费，增加制作成本;在制作玻璃底座时要求精确的计算玻璃的大小以及镶嵌玻璃的卡槽的宽度、深度，其次在顶部还要留有旋转双螺旋结构所用旋钮的位置。在此过程中对制作者的技术、耐力、细心程度要求较高，制作者要具备较强的技艺能力，才能保证作品的成功率和美观性。
2.3工程性
本模型最大的亮点体现在两个地方：①外部展示盒精美，以使得模型便于观察、保存;②内部DNA分子双螺旋结构按照其特有的、真实的分子结构进行精细制作，以充分体现建模的科学性。此外，工程性还体现在按照此种方法制作出来的DNA分子结构模型都一模一样，具有一定的工艺流程。
2.4便于多方位、多视角展示
展示盒四周以及顶部都是由玻璃制成，方便多角度观察DNA分子结构，而且通过旋转顶端的控制旋钮，还可以清晰的观察到DNA分子的结构层次：脱氧核糖核苷酸、多核苷酸单链、双链平面结构、双螺旋空间结构，有助于学生理解富兰克林的DNA衍射图谱。
3制作过程
3.1材料选取
16cm×16cm的玻璃板2块（用于底座和顶盖）、15cm×31cm的透明玻璃4块：钢锯、玻璃刀、玻璃胶、打孔器、钳子、槽刀、银色细铁丝（化学键）、4种颜色的彩色硬纸板（红、黄、橙、绿）、直径0.5cm白色小球、直径2cm的塑料蓝色五角星、量角器、尺子、胶水、剪刀、记号笔、白色水晶弹力绳。
3.2制作步骤
3.2.1外部框架的制作
①取一块16cm×16cm的玻璃作为底座，并在其四条边0.5cm处沿边凿宽0.5cm的卡槽;同时在其对角线中心穿一个小孔以便固定DNA分子的底端。
②取一块16cm×16cm的玻璃板作为顶盖，并在其对角线中心穿一个小孔以便安装旋转旋钮，在其四条边0.5cm处做记号。
③取四块15cm×31cm的玻璃板并用玻璃胶粘在一起。等固定好DNA分子的底端后将其固定到底座的玻璃卡槽中，将DNA分子的顶部与旋转旋钮相连，最后将顶盖与四块玻璃板的衔接处用玻璃胶固定，制作完成。 3.2.2DNA双螺旋结构的制作
由于DNA的2条长链之间的距离恒等于2 nm，即DNA的直径为2 nm。碱基堆积距离为0.34 nm，每对螺旋由10个碱基组成，则螺距3.4 nm，即螺旋高度为3.4 nm。综上所述，结合本次模型展示盒的大小，根据螺距与DNA分子直径的比（1.0：1.7）以及各分子的相对质量之比（磷酸：脱氧核糖：腺嘌呤：鸟嘌呤：胸腺嘧啶：胞嘧啶=1.0：1.3：1.4：1.5：1.3：1.1），通过计算的各部件的大小为：一对核苷酸的宽度为12cm（磷酸直径为1.5cm，五碳糖的大小为2.0cm、嘌呤长为2.0cm，嘧啶长为1.5cm），高度为2.04cm，即一个螺旋的高度为20.4cm，根据展示盒的大小制作一个半螺旋的DNA双链。
①碱基对的制作：用红色纸板代表腺嘌呤、橙色纸板代表鸟嘌呤、绿色纸板代表胞嘧啶、黄色纸板代表胸腺嘧啶。由于嘌呤碱基A和G是双环化合物，而嘧啶碱基T和C是单环化合物，所以制作时嘌呤模型相对嘧啶模型要大一些;又因为A-T、C-G要进行配对，所以将A、T之间的街口裁剪成三角形，将C、G之间的接口裁剪成半圆形，以分别来表示碱基间的相互作用。最后，再根据A-T、C-G之间的氢键数目在部件上打孔，并用银色铁丝充作氢键进行连接。
②核糖的制作：DNA的基本单位是脱氧核苷酸，一般用五边形材料代替脱氧核糖，制作模型时会用“直线”把磷酸和五边形连接起来，这是有悖科学事实的，会使得学生无法理解教材上连接脱氧核糖和磷酸的为什么是“折线”。这是因为五边形的五个顶点并不都代表碳原子。其实五边形的顶点是氧原子，其他四個顶点才是碳原子（从右侧顺时针依次是1、2、3、4号位碳原子），而第5号位碳原子不在五边形上，是通过化学键与4号位碳原子相连的。因此仅用五边形不能准确代表脱氧核糖，所以应在在五边形的4号碳原子处延伸出一个短枝。这样就可以按照脱氧核苷酸的分子式准确构建出脱氧核苷酸的模型。
本模型利用蓝色五角星代替脱氧核糖，其五个顶点当作五碳糖环上的五个原子，并在代表1、3号碳原子的地方用打孔器打孔，分别连接碱基与磷酸。在4号碳原子处打孔，穿上银色细铁丝，用银色细铁丝的另一端代表5号碳原子位置。
③磷酸基团的制作：一个脱氧核苷酸的3号碳原子与另一个脱氧核苷酸的5号碳原子端的磷酸基团之间通过脱水缩合形成磷酸二酯键，由磷酸二酯键将脱氧核苷酸连接成链。本模型用白色小球充当磷酸基团，并在小球上用打孔器穿孔，穿上银色细铁丝将磷酸基团的一端连接到脱氧核糖的5号碳原子另一端与下一个脱氧核苷酸的3号碳原子相连。
④双链的制作：模型中化学键一律用银色细铁丝代表，将各部件根据化学键连接方式连接在一起，并用水晶弹力线将DNA链固定在底座上。
双链制作完成之后，将DNA双链的另一端通过顶部玻璃上的小孔与旋钮相连，密封展示盒，制作完成。
本模型主要用于课堂直观展示。教师可旋转模型上端的旋钮，使DNA分子结构呈平面状，为学生展示DNA分子结构的平面结构，同时为学生说明或者让学生自己说出模型中各部分代表DNA分子中的哪部分结构。此外，也可以通过旋转模型上端的旋钮，使DNA分子结构呈螺旋状，为学生直观地展示DNA双螺旋结构。教师也可在活动课时间与生物兴趣小组成员一起制作DNA分子模型，通过学生自己动手参与其中，活化课本知识。这样不仅使学生对DNA的基本组成单位、平面结构、空间结构有了更深刻的理解，而且有利于后续基因的表达等相关知识内容的学习。除此之外，制作出来的模型制作精细、造型美观，是一件精美的工艺品，既可作为办公室、教室的摆件，又可以作为礼物赠予老师、同学、朋友。