在教学实践中发现了这样一个问题。在问及DNA为什么是双螺旋结构时，绝大部分学生给出的答案是因为氢键。诚然氢键促使碱基配对,从而使DNA形成双链结构，但为什么DNA不是平行的双链结构而是双螺旋结构呢？当面对这样的追问，学生通常就无从回答。究其原因，发现大多数教材或书籍在介绍DNA双螺旋结构时，其知识点就止于氢键；与此同时在讨论氢键在物质结构中的重要作用时，所举的最为广泛的例子即是DNA的双螺旋结构。这些给学生一个假象，即DNA的双螺旋结构就源于氢键。固然，氢键在DNA形成其双螺旋结构中起到了非常重要的作用，如碱基通过氢键配对形成双链，氢键稳定性对分子构型、分子间距离及环境等的要求促使2条多核苷酸链沿着纤维轴反平行排列并发生旋转等^[1-2]。但在实际教学过程中仍需要让学生清楚地了解到体系中还存在其他相互作用,它们也深刻地影响着DNA的结构，正是这些相互作用和氢键的协同影响才使DNA有了如此“完美”的结构，储存并复制遗传信息。

针对以上提到的问题，在实际教学过程中，将这部分的内容以专题讨论的形式安排在化学键及分子间相互作用的教学之后。专题采用启发式教学，结合问题讨论，一步步让学生“自己”发现DNA双螺旋结构后面的化学生物学秘密。通过这部分的教学，一方面让学生对化学键和分子间相互作用力的理论有了更深一层的认识；另一方面通过问题式教学，让学生了解在遇到问题时如何利用现有知识和材料去分析和解决问题。此外，通过对双螺旋这一“高深”问题的讨论及对相关研究发现背景的了解，希望学生明白科学的高峰并不是高不可攀的，站在巨人的肩膀上通过相互协作及锲而不舍的追求，“无名小卒”也可问鼎科学高峰。下面介绍DNA双螺旋结构的启发式教学设计。

在开始讨论DNA双螺旋结构这一问题之前，首先引入了对相似相溶原理和肥皂及清洁剂去污作用原理这2个问题的讨论。通过讨论，一方面让学生进一步熟悉分子间相互作用对物质结构性质的影响；另一方面，讨论能使学生初步了解如何着手利用分子间相互作用及化学键解决相关实际问题。此外，更重要的是，教师由此讨论引出π-π堆积力和疏水相互作用这2个重要概念。首先透过苯-水体系中苯状态的分析，提出“π-π堆积力”，并明确指出其只是色散力和水的氢键协同作用的结果，并不是一种特殊的分子间作用力。其后在讨论表面活性剂分子水中聚集行为时提出 “疏水相互作用”。通过对疏水相互作用来源及表现的分析，让学生明确疏水相互作用是系统中溶质和溶剂水分子之间为了达到系统能量最低的综合表现,而π-π堆积是一种特殊的疏水相互作用^[3]。这2个相关现象的引入，强化了系统能量最低这一基本原理，也为学生更好地分析和理解DNA的双螺旋结构起到必要的知识铺垫作用。

在必要的铺垫后，教学活动围绕“分子间相互作用如何使DNA呈现双螺旋结构”这一问题从3个层次逐步展开。

首先，通过对DNA组成的分析，从化学键的角度讨论碱基、戊糖和磷酸是如何形成一条核苷酸链，即DNA的一级结构。通过中学阶段的学习，学生很容易知道2条核苷酸单链能通过碱基的氢键配对，由单链组合成2条反向平行的双链(图 1(a))。

其后，教师通过2个问题引发学生进一步思考，一步步推出DNA的双螺旋结构。

【问题1】 2条单链平行排列也能满足形成氢键配对的要求，为什么DNA是形成双链螺旋结构而不是如梯子一样形成2条平行的链？

对这个问题的思考，学生能发现确实氢键只是使DNA形成双链，一定还有其他的作用力使2条单链发生扭转。通过分析体系中可能存在的相互作用,学生能发现，除了氢键外，体系中还存在大量的非极性基团，这些基团之间存在范德华力。更重要的是，此时应该提醒学生DNA双螺旋结构是存在于水溶液体系，在考虑DNA自身各部分相互作用的同时，也必须要充分考虑环境对体系的影响，而在此水的作用是至关重要的。通过分析讨论，学生能提出水会与非极性基团之间有很强的疏水相互作用，如果要减小水对这些基团的排斥，碱基芳环之间必定会π-π堆积。这种相互作用的结果就会使碱基面垂直于纤维轴层叠于螺旋结构的内层(图 1(b))。碱基的这种堆积作用，一方面能有效地减少了碱基与水之间的相互作用，使系统能量降低；另一方面也加大了碱基之间的相互作用和碱基对间氢键的稳定性^[4]。氢键和碱基堆积这2种作用相互协同促进，堆积使碱基间的氢键更加稳固，而被氢键定向的碱基也更容易发生堆积。至此，学生得到的结构模型更加接近于DNA的真实模型，但仍旧没有解决双链为什么会发生扭转的问题。此时，学生会主动思考第2个问题。

【问题2】是什么因素致使DNA的双链发生扭转，从而形成螺旋结构？

自然界普遍遵循能量最低原理，DNA的双螺旋结构也必定是其在存在条件下的稳定结构。对比2种不同的结构可以发现，对于最常见的B型的双链DNA来说，如果是平行链则相邻碱基面间的距离为0.6 nm，而采用螺旋结构则此距离变为0.34 nm^[1-2](图 1(c))。这一碱基平面距离的减小是否更有利于系统能量降低呢？答案当然是肯定的。根据范德华力的特点，碱基对平面之间的相互作用为近程力，与距离r^-6成正比。碱基堆积面距离减小，则碱基之间的范德华引力加强，结构的稳定性也相应增强。此外，螺旋结构使DNA中亲水性最强的磷酸最大程度地覆盖于DNA螺旋结构的表面，而相对疏水的碱基以及其形成氢键的部分则位于螺旋结构的内层。这种链的旋转结构，在减少了水分子与疏水碱基之间相互作用几率的同时，也相应减少了携带遗传密码的氢键受到水分子的破坏，从而使结构整体的稳定性大大增强，DNA携带的遗传信息得到很好保护。另外，这种结构在DNA遗传密码的复制和保护上也起到了很大的作用。

问题讨论至此，从DNA组成及分子间相互作用的角度分析似乎可以得出DNA双螺旋结构形成的内在原因。但需要注意的是体系中除了存在氢键、碱基堆积力外，链上磷酸根和平衡电荷Mg²⁺离子间的静电相互作用在DNA结构的稳定性上也起到了很重要的作用。螺旋结构同样也使主链上磷酸根离子间的静电斥力减小，处于体系中的Mg²⁺能更有效地平衡带负电的磷酸根的斥力，进一步促进结构的稳定性。

总体而言，DNA的双螺旋结构源于体系中的3种相互作用：氢键、疏水相互作用和离子间的静电力。碱基氢键配对是DNA形成双链结构的主要原因，水环境中的碱基因疏水作用而采取的堆积结构和磷酸根离子的静电斥力在很大程度上致使DNA双链发生旋转，从而得到一个从能量上更稳定的DNA双螺旋结构^[3]。

在讨论的最后，教师还可以指出DNA分子除了熟知的双螺旋结构外，还有三链和四链结构存在。这些DNA分子之所以有特殊的结构也与其分子的特殊组成及存在环境有密不可分的关系。

这部分内容的基本讨论如上说述，教师可以根据学生知识掌握程度和课时安排进行适当调整。如针对化学专业学生可以通过碱基配对加深学生对氢键形成条件的理解，通过分子模拟或者分子模型的方法得出碱基配对形成氢键对空间结构的要求^[5-6]; 而针对非化学专业的学生，可调整讨论过程中学生和教师的参与度，结合DNA的纸盒模型等实物模型^[7-8]，帮助学生更好地理解螺旋结构的意义。

此外，还可以进一步引出超分子化学及分子自组装等相关概念。让学生通过学到的理论知识结合分析问题的方法来解决一些实际的分子自组装中驱动力方面的问题。

最后，还可以引入人文和科学精神的教育。如阅读DNA双螺旋结构的发现者之一沃森所写的《双螺旋——发现DNA结构的故事》^[9]一书以及最初沃森和克里克发表的研究论文等。通过相关资料的阅读，可以让学生了解相互沟通交流及协作在科学研究中的重要性。科学本身没有边界，科学研究的方法也往往是相通的，学科间的交叉有时能够碰撞出特别的火花。此外，在科学研究的道路上竞争与合作同等重要，竞争促进更好的发展，而合作则有利于得到更加广阔和深邃的视野。

从几年的教学实践看，基于化学视角的DNA双螺旋结构的启发式教学，不仅能提升学生对分子间作用力、能量最低原理等化学基本知识的深入认识和理解，还能提高学生化学学习的兴趣,培养他们分析和解决实际问题的能力。而对不同层次的学生而言，问题讨论的广度和深度可以根据学生的知识背景进行相应的调整。