“DNA的復(fù)制”一節(jié)課的教學(xué)設(shè)計

郭軍英

1 教材分析

“DNA的復(fù)制”是蘇教版生物教材第四章第二節(jié)的內(nèi)容。“DNA的復(fù)制”是遺傳學(xué)的基本理論，也是本章的重點和難點之一，主要內(nèi)容是在學(xué)生已學(xué)的DNA結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進一步闡明DNA通過復(fù)制傳遞遺傳信息的過程。本節(jié)內(nèi)容對學(xué)生理解和鞏固有絲分裂、減數(shù)分裂、遺傳規(guī)律等知識非常重要，又是學(xué)習(xí)生物變異的基礎(chǔ)。這節(jié)內(nèi)容也是學(xué)生科學(xué)方法和探究能力培養(yǎng)的一個很好的載體，為此筆者對這節(jié)課的教學(xué)設(shè)計做了大膽的嘗試，用科學(xué)研究的主線貫穿整節(jié)課的教學(xué)，并依托學(xué)生動手實踐活動搭建模型完成科學(xué)假設(shè)，讓學(xué)生最大限度地成為學(xué)習(xí)的主體，以此來落實新課程“以生為本”的教學(xué)理念。

2 教學(xué)目標(biāo)

2.1 知識目標(biāo)

① 概述DNA分子的復(fù)制過程、條件和特點。

② 說出DNA復(fù)制的生物學(xué)意義。

2.2 能力目標(biāo)

① 通過探究DNA分子的復(fù)制方式，形成對假說-演繹法的再認(rèn)識。

② 通過小組合作動手模擬DNA復(fù)制的過程，增強合作意識和交流溝通能力。

2.3 情感目標(biāo)

通過探究DNA的復(fù)制方式和復(fù)制條件，培養(yǎng)探究意識和科學(xué)態(tài)度，體會科學(xué)實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性，提高學(xué)習(xí)興趣，關(guān)注生物科學(xué)的新進展。

3 教學(xué)重點

DNA復(fù)制過程、對半保留復(fù)制實驗的分析。

4 教學(xué)難點

如何分析DNA分子的半保留復(fù)制實驗。

5 教學(xué)過程

5.1 課前準(zhǔn)備

PPT、毛絨條（4根橘紅色的、12根綠色的）、剪刀、膠帶、紅色紙（印有DNA模板）、黃色紙（印有脫氧核苷酸）。

5.2 引入

教師：（出示兩張照片）這兩個可愛的寶貝，哪個是小沈陽的孩子？你判斷的理由是什么？父子（女）相貌相像的根本原因是什么？那么親代的遺傳物質(zhì)如何多出一份，傳遞給子代呢？

教師播放視頻1，從一只可愛的小腳出發(fā)，去揭示微觀世界的奧秘（視頻展示，注意所觀看到的結(jié)構(gòu)：細(xì)胞→細(xì)胞核→染色體→DNA），引出課題“DNA的復(fù)制”。

5.3 溫故而知新

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要特點：

（1） DNA分子由兩條鏈組成，這兩條鏈按反向平行方式盤旋成雙螺旋結(jié)構(gòu)。

（2）外側(cè)（基本骨架）：脫氧核糖和磷酸交替排列；內(nèi)側(cè)：通過氫鍵連接成堿基對。

（3）堿基互補配對原則：A與T配對，G與C配對。

5.4 學(xué)習(xí)DNA復(fù)制的時間

教師播放視頻2，并小結(jié)：

（1） 概念：1個親代DNA→2個子代DNA。

（2） 時間：主要在間期。

（3） 主要場所：細(xì)胞核。

5.5 學(xué)習(xí)DNA的復(fù)制方式

教師引導(dǎo)學(xué)生運用假說演繹法進行討論。

提出問題：DNA以什么方式復(fù)制自己？

形成假說：沃森和克里克的推測（假說）：復(fù)制時，DNA的雙螺旋解開；互補的堿基間氫鍵斷裂；分開的兩條鏈作為模板，以堿基互補配對的原則合成新的一條鏈（即半保留復(fù)制，一半新一半舊）。

教師要求結(jié)合復(fù)印機復(fù)印材料的全保留（全新、全舊），思考DNA復(fù)制的方式。

模擬操作：利用毛絨條分別模擬制作半保留復(fù)制和全保留復(fù)制的結(jié)果。

推理：基本設(shè)計思路是不同方式復(fù)制出的子代DNA新舊鏈的組合方式不同，區(qū)分舊鏈和新鏈，分離不同的DNA分子。采用什么技術(shù)手段？（同位素標(biāo)記法）

如果親代的DNA兩條鏈用15N來標(biāo)記，然后放在14N中復(fù)制，則親代、子一代、子二代分別含哪種元素？（繪圖表示）

驗證推理：1957年米西爾森和斯塔爾設(shè)計了一個非常精巧的實驗。細(xì)菌大約每20 min分裂一次，產(chǎn)生子代。將細(xì)菌培養(yǎng)在含14N的培養(yǎng)基中，經(jīng)破碎細(xì)胞提取DNA，放入盛有氯化銫溶液的試管中離心處理作為對照組。將兩條鏈都含有15N的細(xì)菌，培養(yǎng)在含14N的培養(yǎng)基中，分別在0 min、20 min、40 min取樣，經(jīng)破碎細(xì)胞提取DNA，分別放入盛有氯化銫溶液的試管中離心處理作為親代、子一代、子二代。

對比實驗結(jié)果。

得出結(jié)論：根據(jù)實驗結(jié)果可以得出：DNA分子的復(fù)制時半保留復(fù)制。

5.6 學(xué)習(xí)DNA的復(fù)制條件

由1956年科恩伯格的實驗引入，在DNA人工合成系統(tǒng)中，加入4種脫氧核苷酸，沒有DNA復(fù)制；實驗一：將大腸桿菌中提取出的DNA聚合酶加到具有足量的四種脫氧核苷酸的試管中，培養(yǎng)在適宜溫度的條件下。一段時間后，測定其中的DNA含量。實驗二：在上述試管中加入少量DNA片段和ATP，培養(yǎng)在適宜的溫度條件下。一段時間后，測定其中的DNA含量。

根據(jù)實驗一沒有DNA產(chǎn)生，實驗二DNA含量加倍，分析得出實驗條件：

催化劑——酶，模板——DNA，原料—四種脫氧核苷酸，能量——ATP等。

5.7 學(xué)習(xí)DNA的復(fù)制過程

教師要求學(xué)生閱讀教材P64圖4-9，思考DNA復(fù)制主要步驟包括：解旋→合成子鏈→形成子代DNA分子。觀看視頻：DNA分子復(fù)制的過程。

模擬操作：通過模擬操作來理解DNA分子的復(fù)制過程。

要求：（1） 模擬DNA復(fù)制的動態(tài)過程；

（2） 制作出相應(yīng)的子代DNA（平面結(jié)構(gòu)）。

建議：每六人為一小組，注意組員間的分工合作。

5.8 學(xué)習(xí)DNA復(fù)制的意義：傳遞遺傳信息

在模擬操作DNA復(fù)制的過程中，思考以下問題：

（1） 兩條母鏈的堿基順序是否相同？（不相同）

（2） 兩條子鏈的堿基順序是否相同？（不相同）

（3） 新合成的兩條雙鏈DNA堿基對排列順序是否相同？有何意義？（相同，DNA分子通過復(fù)制，將遺傳信息從親代傳給子代，從而確保了遺傳信息的連續(xù)性）

（4） DNA分子為什么能準(zhǔn)確復(fù)制？（DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)提供精確的模板，堿基互補配對原則保證復(fù)制準(zhǔn)確進行）

想一想：經(jīng)過復(fù)制的這兩個攜帶完全相同遺傳信息的DNA分子什么時候彼此分離的？（有絲分裂后期或減數(shù)分裂第二次分裂后期）

5.9 拓展探究

資料1：女性子宮肌瘤細(xì)胞中最長的DNA分子達36 000 μm，DNA復(fù)制速度約為4 μm/min，請計算出復(fù)制所需的時間？實際復(fù)制過程僅需40 min左右即可完成。（DNA復(fù)制可多起點進行）

資料2：研究表明，DNA的復(fù)制總能準(zhǔn)確無誤地進行，其復(fù)制過程中出錯的概率僅為1/20 000。如果DNA復(fù)制發(fā)生差錯，有可能會帶來什么影響或后果？（遺傳物質(zhì)的改變——基因突變）

結(jié)束語：同學(xué)們，現(xiàn)在你們知道孩子長得像父母真正原因了吧。那么為什么孩子獲得父母的遺傳物質(zhì)就和父母相像了呢？還有更多關(guān)于DNA的奧秘，等待我們繼續(xù)探討。

6 教學(xué)反思

6.1 將科學(xué)研究的主線貫穿本節(jié)課的教學(xué)

“假說演繹法”是生物科學(xué)研究中常用的方法，這節(jié)課的一個主要設(shè)計思想是利用“假說演繹法”貫穿學(xué)習(xí)過程，讓學(xué)生完整的直接經(jīng)歷科學(xué)研究的過程，從而更好地了解科學(xué)研究的一般方法，形成科學(xué)的態(tài)度。

6.2 科學(xué)假設(shè)依托學(xué)生動手實踐活動

在這節(jié)課中，對DNA復(fù)制方式的探索是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究方法的一個主要切入點，旨在增加學(xué)生進行假設(shè)的可行性，通過學(xué)生建立模型動手操作來代替憑空的思考。雖然這個環(huán)節(jié)會耗費較多的時間，但他們經(jīng)歷了一個思考與嘗試的過程，學(xué)會了搭建模型進行假設(shè)，對DNA的復(fù)制有了直觀的體會，結(jié)束以后的小組展示與交流更讓學(xué)生體會到了科學(xué)假設(shè)的非一致性，有了科學(xué)研究第一步的體驗。

6.3 科學(xué)史的利用對學(xué)生生物科學(xué)素養(yǎng)的提高

DNA復(fù)制科學(xué)史中有很多實驗，每一個知識點的產(chǎn)生過程就是一個探究的過程，呈現(xiàn)了科學(xué)家的科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神。如DNA復(fù)制條件的學(xué)習(xí)，通過對科恩伯格所做的實驗進行分析，學(xué)生可以很輕松地歸納出復(fù)制所需的條件，在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識的同時得到科學(xué)方法和科學(xué)思維的訓(xùn)練，潛移默化中提高了科學(xué)素養(yǎng)。

6.4 模擬操作中體會DNA復(fù)制的過程

為加深對DNA分子復(fù)制過程的理解，讓學(xué)生動手模擬操作DNA復(fù)制過程，并在操作過程中體會DNA復(fù)制的特點。模擬操作畢竟不是真正的DNA分子的復(fù)制，學(xué)生在對模擬操作的剪刀、膠帶、不同顏色的紙所代表的生物學(xué)含義進行類比的過程中，批判性地構(gòu)建DNA分子復(fù)制的過程。

本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計將科學(xué)史上的經(jīng)典實驗與學(xué)生的探究活動相結(jié)合，在教學(xué)過程中，讓學(xué)生主動參與，發(fā)現(xiàn)問題、演繹推理、實驗驗證、得出結(jié)論，不僅讓學(xué)生在探究過程中體驗了“假說—演繹”的科學(xué)探究方法，更讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中學(xué)會學(xué)習(xí)，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，將探究知識、科學(xué)研究方法和培養(yǎng)能力有機地融為一體。