楊建霞 王飛 王玥 龔大潔

摘要 嘗試運用STEM的理念建構(gòu)“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”，在制作過程中力求突出科學(xué)性、技術(shù)性、工程性。同時彌補以往此模型制作過程中不便于進(jìn)行教學(xué)展示和保存等不足之處，使制作出來的模型能更好地為生物教學(xué)實踐服務(wù)。

關(guān)鍵詞 STEM DNA分子結(jié)構(gòu) 模型制作

中圖分類號 G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

文件編號：1003-7586（2018）11-0027-03

1引言

“DNA分子的結(jié)構(gòu)”是高中生物學(xué)課程必修模塊的重點和難點之一，目的是讓學(xué)生從分子水平上把握生命的延續(xù)性，認(rèn)識生物界及生物多樣性、形成生物進(jìn)化的觀點、樹立正確的自然觀等。然而，DNA結(jié)構(gòu)屬于分子水平，無法在顯微鏡下直接進(jìn)行觀察，在教學(xué)實踐中需要教師引導(dǎo)學(xué)生通過空間想象進(jìn)行理解。因此，將這一微觀結(jié)構(gòu)和抽象原理直觀地展現(xiàn)出來，促進(jìn)學(xué)生理解。

已有研究中“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”的制作方法和過程，主要存在以下不足：①制作出來的模型多為靜態(tài)。教師無法同時展示DNA分子的平面結(jié)構(gòu)和雙螺旋結(jié)構(gòu)。②整體制作過程較為粗糙，缺乏美感，尤其是用訂書針、細(xì)線等作為DNA分子各結(jié)構(gòu)的連接處很容易脫落，不便于保存。③缺乏科學(xué)性。例如，直接用細(xì)線直接串聯(lián)脫氧核苷酸，并不能很好地呈現(xiàn)DNA分子間的相互關(guān)系以及分子間的相對位置，而且連接分子骨架的細(xì)線等很容易讓學(xué)生誤以為DNA分子中原本就存在這樣的連接線。④無法讓學(xué)生體驗科學(xué)家在建構(gòu)DNA模型過程中的曲折歷程以及科學(xué)精神。本研究基于以上分析，嘗試運用STEM理念來制作“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”。

2設(shè)計理念

針對以往“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”制作中存在的不足，本模型的建構(gòu)和制作主要以STEM作為設(shè)計的基本理念。STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technolo-gy）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）的簡稱。但STEM教育并不是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育的簡單疊加，而是為了落實相關(guān)教學(xué)內(nèi)容將四門學(xué)科內(nèi)容有機(jī)融合形成一個整體，來更好地培養(yǎng)學(xué)生綜合利用科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識解決實際問題的能力。

相對于以往的生物學(xué)教學(xué)，STEM教育首次引入了“工程學(xué)”的內(nèi)容。在工程學(xué)中，工程師是最重要的角色，他們運用系統(tǒng)的過程、數(shù)學(xué)工具及科學(xué)知識來開發(fā)、建模、分析、改進(jìn)特定問題的解決方案。STEM教育就是去創(chuàng)造一種實踐環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生像工程師一樣去主動探究，從而將STEM教育的特性運用到學(xué)習(xí)與實踐中。以STEM理念來建構(gòu)生物學(xué)模型，將抽象知識轉(zhuǎn)化為直觀認(rèn)識，能夠有效地幫助學(xué)生理解微觀抽象的生物學(xué)知識，是其體驗科學(xué)探究過程的有效途徑。因此，利用STEM理念所建構(gòu)的“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型有以下特點。

2.1科學(xué)性

dNA分子的基本單位是脫氧核苷酸，由磷酸、脫氧核糖和含氮堿基構(gòu)成。每兩個脫氧核苷酸經(jīng)過脫水縮合，一個核苷酸上的脫氧核糖與另一個核苷酸上的磷酸基團(tuán)通過3'-5'磷酸二酯鍵相連，此時磷酸應(yīng)與脫氧核糖3號碳原子的頂點相連，形成主鏈的基本骨架，并排列在主鏈的外側(cè)，堿基位于主鏈內(nèi)側(cè);DNA分子由兩條長鏈組成，這兩條長鏈按反向平行方式盤旋成雙螺旋結(jié)構(gòu)，所以一條鏈以磷酸開始，另一條鏈以五碳糖開始;兩條DNA分子鏈上的含氮堿基互補配對（A和T配對，G只和C配對），且A-T和C-G堿基對具有相同的形狀和直徑;DNA分子的螺旋直徑為2 nm;螺旋周期包含10對堿基;螺距為3.4 nm;相鄰堿基對平面的間距0.34 nm。因此在制作模型時，可以按此比例制作，即模型螺旋直徑比螺距為10：17，每一個螺旋包含10個堿基，相鄰堿基的間隔為螺距的1/10。

2.2技術(shù)性

本次建模相對于以往的模型來說，對技術(shù)的要求較高。例如，在展示盒的制作過程中要準(zhǔn)確的裁割玻璃，不能出現(xiàn)絲毫差錯，否則整塊玻璃將無法使用，從而造成浪費，增加制作成本;在制作玻璃底座時要求精確的計算玻璃的大小以及鑲嵌玻璃的卡槽的寬度、深度，其次在頂部還要留有旋轉(zhuǎn)雙螺旋結(jié)構(gòu)所用旋鈕的位置。在此過程中對制作者的技術(shù)、耐力、細(xì)心程度要求較高，制作者要具備較強的技藝能力，才能保證作品的成功率和美觀性。

2.3工程性

本模型最大的亮點體現(xiàn)在兩個地方：①外部展示盒精美，以使得模型便于觀察、保存;②內(nèi)部DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)按照其特有的、真實的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)制作，以充分體現(xiàn)建模的科學(xué)性。此外，工程性還體現(xiàn)在按照此種方法制作出來的DNA分子結(jié)構(gòu)模型都一模一樣，具有一定的工藝流程。

2.4便于多方位、多視角展示

展示盒四周以及頂部都是由玻璃制成，方便多角度觀察DNA分子結(jié)構(gòu)，而且通過旋轉(zhuǎn)頂端的控制旋鈕，還可以清晰的觀察到DNA分子的結(jié)構(gòu)層次：脫氧核糖核苷酸、多核苷酸單鏈、雙鏈平面結(jié)構(gòu)、雙螺旋空間結(jié)構(gòu)，有助于學(xué)生理解富蘭克林的DNA衍射圖譜。

3制作過程

3.1材料選取

16cm×16cm的玻璃板2塊（用于底座和頂蓋）、15cm×31cm的透明玻璃4塊：鋼鋸、玻璃刀、玻璃膠、打孔器、鉗子、槽刀、銀色細(xì)鐵絲（化學(xué)鍵）、4種顏色的彩色硬紙板（紅、黃、橙、綠）、直徑0.5cm白色小球、直徑2cm的塑料藍(lán)色五角星、量角器、尺子、膠水、剪刀、記號筆、白色水晶彈力繩。

3.2制作步驟

3.2.1外部框架的制作

①取一塊16cm×16cm的玻璃作為底座，并在其四條邊0.5cm處沿邊鑿寬0.5cm的卡槽;同時在其對角線中心穿一個小孔以便固定DNA分子的底端。

②取一塊16cm×16cm的玻璃板作為頂蓋，并在其對角線中心穿一個小孔以便安裝旋轉(zhuǎn)旋鈕，在其四條邊0.5cm處做記號。

③取四塊15cm×31cm的玻璃板并用玻璃膠粘在一起。等固定好DNA分子的底端后將其固定到底座的玻璃卡槽中，將DNA分子的頂部與旋轉(zhuǎn)旋鈕相連，最后將頂蓋與四塊玻璃板的銜接處用玻璃膠固定，制作完成。

3.2.2DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的制作

由于DNA的2條長鏈之間的距離恒等于2 nm，即DNA的直徑為2 nm。堿基堆積距離為0.34 nm，每對螺旋由10個堿基組成，則螺距3.4 nm，即螺旋高度為3.4 nm。綜上所述，結(jié)合本次模型展示盒的大小，根據(jù)螺距與DNA分子直徑的比（1.0：1.7）以及各分子的相對質(zhì)量之比（磷酸：脫氧核糖：腺嘌呤：鳥嘌呤：胸腺嘧啶：胞嘧啶=1.0：1.3：1.4：1.5：1.3：1.1），通過計算的各部件的大小為：一對核苷酸的寬度為12cm（磷酸直徑為1.5cm，五碳糖的大小為2.0cm、嘌呤長為2.0cm，嘧啶長為1.5cm），高度為2.04cm，即一個螺旋的高度為20.4cm，根據(jù)展示盒的大小制作一個半螺旋的DNA雙鏈。

①堿基對的制作：用紅色紙板代表腺嘌呤、橙色紙板代表鳥嘌呤、綠色紙板代表胞嘧啶、黃色紙板代表胸腺嘧啶。由于嘌呤堿基A和G是雙環(huán)化合物，而嘧啶堿基T和C是單環(huán)化合物，所以制作時嘌呤模型相對嘧啶模型要大一些;又因為A-T、C-G要進(jìn)行配對，所以將A、T之間的街口裁剪成三角形，將C、G之間的接口裁剪成半圓形，以分別來表示堿基間的相互作用。最后，再根據(jù)A-T、C-G之間的氫鍵數(shù)目在部件上打孔，并用銀色鐵絲充作氫鍵進(jìn)行連接。

②核糖的制作：DNA的基本單位是脫氧核苷酸，一般用五邊形材料代替脫氧核糖，制作模型時會用“直線”把磷酸和五邊形連接起來，這是有?？茖W(xué)事實的，會使得學(xué)生無法理解教材上連接脫氧核糖和磷酸的為什么是“折線”。這是因為五邊形的五個頂點并不都代表碳原子。其實五邊形的頂點是氧原子，其他四個頂點才是碳原子（從右側(cè)順時針依次是1、2、3、4號位碳原子），而第5號位碳原子不在五邊形上，是通過化學(xué)鍵與4號位碳原子相連的。因此僅用五邊形不能準(zhǔn)確代表脫氧核糖，所以應(yīng)在在五邊形的4號碳原子處延伸出一個短枝。這樣就可以按照脫氧核苷酸的分子式準(zhǔn)確構(gòu)建出脫氧核苷酸的模型。

本模型利用藍(lán)色五角星代替脫氧核糖，其五個頂點當(dāng)作五碳糖環(huán)上的五個原子，并在代表1、3號碳原子的地方用打孔器打孔，分別連接堿基與磷酸。在4號碳原子處打孔，穿上銀色細(xì)鐵絲，用銀色細(xì)鐵絲的另一端代表5號碳原子位置。

③磷酸基團(tuán)的制作：一個脫氧核苷酸的3號碳原子與另一個脫氧核苷酸的5號碳原子端的磷酸基團(tuán)之間通過脫水縮合形成磷酸二酯鍵，由磷酸二酯鍵將脫氧核苷酸連接成鏈。本模型用白色小球充當(dāng)磷酸基團(tuán)，并在小球上用打孔器穿孔，穿上銀色細(xì)鐵絲將磷酸基團(tuán)的一端連接到脫氧核糖的5號碳原子另一端與下一個脫氧核苷酸的3號碳原子相連。

④雙鏈的制作：模型中化學(xué)鍵一律用銀色細(xì)鐵絲代表，將各部件根據(jù)化學(xué)鍵連接方式連接在一起，并用水晶彈力線將DNA鏈固定在底座上。

雙鏈制作完成之后，將DNA雙鏈的另一端通過頂部玻璃上的小孔與旋鈕相連，密封展示盒，制作完成。

本模型主要用于課堂直觀展示。教師可旋轉(zhuǎn)模型上端的旋鈕，使DNA分子結(jié)構(gòu)呈平面狀，為學(xué)生展示DNA分子結(jié)構(gòu)的平面結(jié)構(gòu)，同時為學(xué)生說明或者讓學(xué)生自己說出模型中各部分代表DNA分子中的哪部分結(jié)構(gòu)。此外，也可以通過旋轉(zhuǎn)模型上端的旋鈕，使DNA分子結(jié)構(gòu)呈螺旋狀，為學(xué)生直觀地展示DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。教師也可在活動課時間與生物興趣小組成員一起制作DNA分子模型，通過學(xué)生自己動手參與其中，活化課本知識。這樣不僅使學(xué)生對DNA的基本組成單位、平面結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)有了更深刻的理解，而且有利于后續(xù)基因的表達(dá)等相關(guān)知識內(nèi)容的學(xué)習(xí)。除此之外，制作出來的模型制作精細(xì)、造型美觀，是一件精美的工藝品，既可作為辦公室、教室的擺件，又可以作為禮物贈予老師、同學(xué)、朋友。