基于回溯推理的“DNA的復(fù)制”課堂教學(xué)

鄧文殊

摘 要 敘述教師在“DNA的復(fù)制”一節(jié)教學(xué)中有意識(shí)地運(yùn)用回溯推理法，貼近學(xué)生實(shí)際，引起他們的共鳴，喚起他們的參與意識(shí)，取得良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 回溯推理 DNA復(fù)制 課堂教學(xué)

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

“DNA的復(fù)制”一節(jié)在教材中占有十分重要的地位，同時(shí)由于其過(guò)程較微觀、抽象，學(xué)生往往較難理解。在實(shí)際教學(xué)中，筆者借助回溯推理的方法，通過(guò)由果溯因的推理，在讓學(xué)生體味科學(xué)思維方法的同時(shí)，加深對(duì)課本知識(shí)的理解。

1 課堂實(shí)錄

師（屏幕上出現(xiàn)2個(gè)完全一樣的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模式圖）：屏幕上這兩個(gè)DNA分子，它們看起來(lái)很像，但如果我告訴大家，它們是兩個(gè)不同的DNA分子，那么你認(rèn)為它們的不同表現(xiàn)在哪里？

生：堿基排列順序可能不同。

師：很好。我們已經(jīng)知道，在細(xì)胞有絲分裂間期，必須完成DNA分子的復(fù)制，復(fù)制的結(jié)果是什么？

生：形成2個(gè)完全一樣的DNA分子。

師：（課件顯示復(fù)制結(jié)果）對(duì)。那么，完全一樣的關(guān)鍵是什么？

生：堿基排列順序完全相同。

師：現(xiàn)在問(wèn)題來(lái)了：DNA分子為雙螺旋結(jié)構(gòu)，且堿基位于螺旋的內(nèi)側(cè)，你認(rèn)為在復(fù)制過(guò)程中怎樣才能讀出堿基的排列順序？

學(xué)生表現(xiàn)出茫然的神情。

師：（啟發(fā)）比如有一條名牌拉鏈，它的鏈牙很有特色，但現(xiàn)在它正處于閉合狀態(tài)，我們?cè)撊绾窝芯克?/p>

（學(xué)生熱烈討論，教師適時(shí)引導(dǎo)）

生1：DNA要準(zhǔn)確復(fù)制，應(yīng)該先把雙鏈解開(kāi)。

生2：在此之前，螺旋應(yīng)該先解開(kāi)。

師：解開(kāi)以后的兩條鏈一樣嗎？（生：不一樣，它們是互補(bǔ)關(guān)系）那么，把螺旋和雙鏈解開(kāi)后，DNA要如何復(fù)制？是否如磨鑰匙一般，由每一條鏈為模板“磨”出另一條完全一樣的鏈？

生：不大可能。“磨”出兩條一模一樣的鏈，它們無(wú)法組成雙鏈。復(fù)制形成的應(yīng)該是互補(bǔ)鏈比較合理。

師：怎么保證新形成的鏈與原來(lái)的鏈互補(bǔ)？

生：堿基互補(bǔ)配對(duì)原則。

師：好，根據(jù)剛才幾位同學(xué)的推斷，DNA復(fù)制過(guò)程大致是這樣的：①解開(kāi)螺旋;②解開(kāi)雙鏈;③以解開(kāi)的每一條鏈為模板，按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則形成互補(bǔ)鏈，對(duì)嗎？

生：對(duì)。

師：大家的設(shè)想看起來(lái)很合理。那么，要完成這些過(guò)程，需要細(xì)胞提供什么條件？如果提供相應(yīng)的條件，DNA能不能在體外完成復(fù)制呢？其實(shí)，早在1956年，美國(guó)生物化學(xué)家康貝格已經(jīng)首次在試管中人工合成DNA。[課件顯示：實(shí)驗(yàn)一：把大腸桿菌提取液加入到具有4種豐富的脫氧核苷酸的人工合成體系中。結(jié)果未發(fā)生DNA的合成。實(shí)驗(yàn)二：再加入少量DNA做引子以及ATP后，再放在適宜的溫度和pH條件下培養(yǎng)一段時(shí)間，測(cè)定其中的DNA含量。結(jié)果，DNA數(shù)量增加了，且這些DNA的（A+T）/（C+G）的比值與所加入的DNA相同。]

師：請(qǐng)根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測(cè)DNA復(fù)制需要哪些條件，并說(shuō)明理由。

生1：DNA復(fù)制需要模板。因?yàn)榧尤肷倭緿NA做引子后才有DNA數(shù)量的增加，這些“引子”應(yīng)該就是模板。

生2：DNA復(fù)制應(yīng)該需要酶的催化，因?yàn)樾枰m宜的溫度和pH條件。奇怪，怎么沒(méi)有加入酶？

師：你的推斷非常正確，DNA復(fù)制確實(shí)需要酶的催化，酶就存在于大腸桿菌提取液中，它叫做DNA聚合酶。同學(xué)們也可以想一想這種酶的作用是什么。

生3：DNA復(fù)制是一個(gè)耗能的過(guò)程。理由是需要ATP。

生4：四種脫氧核苷酸應(yīng)該是復(fù)制的原料。

生5：新形成的DNA結(jié)構(gòu)應(yīng)該與原來(lái)的DNA相同，因?yàn)樗鼈兊模ˋ+T）/（C+G）的比值與相同。

師：通過(guò)剛才幾位同學(xué)的推理，我們對(duì)DNA的復(fù)制過(guò)程已經(jīng)有了初步的概念了。下面我們一起總結(jié)一下DNA復(fù)制所需的條件（邊總結(jié)邊板書(shū)）：① 模板：以解開(kāi)的每條單鏈分別作模板;② 原料：四種脫氧核苷酸;③ 能量：由ATP提供;④ 酶：DNA聚合酶。

師：還有幾個(gè)小問(wèn)題需要進(jìn)一步完善：① DNA的復(fù)制是以解開(kāi)的每一條鏈為模板形成互補(bǔ)鏈，根據(jù)上節(jié)課我們所學(xué)的DNA兩條鏈的關(guān)系以及兩條鏈上堿基的連接方式，作為原料的脫氧核苷酸是怎么連接形成新鏈的？新合成的DNA怎么才能保證與原來(lái)一樣？黑板上有DNA一條鏈的片段，我們請(qǐng)一位同學(xué)把復(fù)制結(jié)果補(bǔ)充完整。

學(xué)生板畫（略）。

師：② DNA復(fù)制時(shí)首先要把兩條螺旋的雙鏈解開(kāi)，包括使堿基之間的氫鍵斷裂，這一過(guò)程稱之為解旋。這一過(guò)程在體外一般可以通過(guò)加熱實(shí)現(xiàn)。想一想，在細(xì)胞中如何解旋？

生：應(yīng)該要有酶的催化。

師：對(duì)。這種酶叫解旋酶。所以DNA復(fù)制過(guò)程所需的酶可不止DNA聚合酶一種，還要有解旋酶等（補(bǔ)充板書(shū)）。

師：③ 某DNA分子長(zhǎng)36 mm，已知DNA復(fù)制速度約為4 μm/min，也就是說(shuō)完成該DNA的復(fù)制約需要9 000 min，再加上解旋的時(shí)間，應(yīng)該遠(yuǎn)高于這個(gè)數(shù)值，但實(shí)際復(fù)制過(guò)程卻僅用了40 min。試推斷DNA復(fù)制過(guò)程快的原因。

師生共同總結(jié)：① 邊解旋邊復(fù)制;② 多起點(diǎn)分段復(fù)制。

師：④ 根據(jù)本節(jié)課的分析，我們知道復(fù)制后形成的兩個(gè)DNA分子都有一條鏈來(lái)自原來(lái)的DNA分子，另一條互補(bǔ)鏈?zhǔn)切潞铣傻?，這種復(fù)制方式稱為半保留復(fù)制。實(shí)際上在早期的研究中，科學(xué)家還提出了另一種全保留復(fù)制模型（為減少學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，此處不提彌散復(fù)制模型）：作為模板的DNA的兩條母鏈分開(kāi)，分別復(fù)制形成兩條DNA子鏈，此后兩條母鏈DNA彼此結(jié)合，恢復(fù)原狀，新合成的兩條子鏈彼此互補(bǔ)結(jié)合形成一條新的雙鏈DNA分子。請(qǐng)同學(xué)們課后閱讀課本52～53頁(yè)選學(xué)內(nèi)容，思考相關(guān)實(shí)驗(yàn)是如何驗(yàn)證半保留復(fù)制的。

2 課后反思

2.1 關(guān)于回溯推理

通常情況下，人們通過(guò)事物變化的原因可知其結(jié)果;反之，知道了事物變化的結(jié)果，又可以推斷導(dǎo)致結(jié)果的原因?；厮萃评矸ň褪菑氖挛锏摹肮钡够氐绞挛锏摹耙颉钡囊环N方法，這種思維方法在科學(xué)發(fā)現(xiàn)與發(fā)明、案件偵破以及考古發(fā)掘等方面都有廣泛的應(yīng)用。

2.2 DNA復(fù)制教學(xué)符合進(jìn)行回溯推理的條件

由于回溯推理是根據(jù)事物之間的因果關(guān)系進(jìn)行的推測(cè)，因而，要進(jìn)行回溯推理就必須具備有關(guān)事物因果關(guān)系的一般知識(shí)，只有具備了這方面的知識(shí)，才可以由某一結(jié)果推測(cè)其原因或從某一推斷去推論其理由。在此之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了有絲分裂、減數(shù)分裂的內(nèi)容，知道了分裂間期DNA分子要進(jìn)行復(fù)制，復(fù)制的結(jié)果是形成2個(gè)完全一樣的DNA分子;學(xué)生已經(jīng)具備了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)，知道了DNA兩條鏈之間的互補(bǔ)關(guān)系;再加上課堂上補(bǔ)充的康貝格實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以根據(jù)這一系列的結(jié)果推斷出DNA復(fù)制的可能過(guò)程及所需條件。

2.3 與本模塊在能力培養(yǎng)方面的價(jià)值相契合

《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》指出，“生物2：遺傳與進(jìn)化”模塊有助于學(xué)生“領(lǐng)悟假說(shuō)演繹、建立模型等科學(xué)方法及其在科學(xué)研究中的應(yīng)用”。根據(jù)美國(guó)邏輯學(xué)家、實(shí)用主義創(chuàng)始人皮爾士的理論，回溯推理是除了演繹和歸納以外的第三種推理類型，是科學(xué)研究中的一種重要的思維方法。教師有意識(shí)地將這一方法應(yīng)用于教學(xué)，對(duì)訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維是大有裨益的。

從以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)看，本節(jié)課若采取傳統(tǒng)的教學(xué)手段，以教師的講授為主，輔以多媒體課件展示復(fù)制的動(dòng)態(tài)過(guò)程，再加上適量的強(qiáng)化訓(xùn)練，照樣可以取得很好的教學(xué)效果。但這往往使課堂陷于沉悶，也不利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高。這一代學(xué)生是看著《名偵探柯南》、《金田一》等漫畫及影視作品長(zhǎng)大的，運(yùn)用回溯推理手段進(jìn)行教學(xué)極易引起他們的共鳴，喚起他們的參與意識(shí)，并在教師的不斷肯定中充分品嘗成功的喜悅，使整節(jié)課氣氛生動(dòng)活潑，取得良好的教學(xué)效果。

2.4 最后的總結(jié)歸納很重要

由于整個(gè)教學(xué)過(guò)程通過(guò)師生對(duì)話層層展開(kāi)，為了保持思維的連貫性，整堂課并沒(méi)有特意停下來(lái)對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，導(dǎo)致學(xué)生的思維始終處于一種發(fā)散的狀態(tài)，因此在最后階段有必要留下5 min左右的時(shí)間對(duì)本節(jié)課的重點(diǎn)知識(shí)進(jìn)行歸納整理，以幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)的內(nèi)化。

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