DNA分子的復制教學設計

尹慧

中學生物學課程標準認為生物科學作為由眾多生物學事實和理論組成的知識體系，是在人們不斷探究的過程中逐步發(fā)展起來的。通過倡導探究性學習，引導學生主動參與探究過程、勤于動手和動腦，逐步培養(yǎng)學生搜集和處理科學信息的能力、獲取新知識的能力。下面以DNA復制一節(jié)為例，采用假說-演繹分析DNA復制的方式，以小組為單位合作模擬DNA復制過程的教學方式，激發(fā)學生興趣，引導學生開展探究性學習。

1 設置情境引發(fā)學生學習興趣

教師展示西伯利亞凍土層中發(fā)現(xiàn)的猛犸象的照片，并提出問題：科學家們正在研究如何使滅絕的猛犸象再生，如果你是科學家應該怎么做才可能使猛犸象復活？教師引導學生思考要想克隆成功必須將現(xiàn)代大象細胞和猛犸象的DNA結合在一起。而前提是能夠獲得結構完整的猛犸象DNA，復制DNA，并轉入活體大象的基因組。猛犸象生活在西伯利亞的凍土中，天然的低溫很有可能保證獲得含有完整DNA結構的活細胞，而如何讓DNA成功的復制，開啟細胞分裂進程則是科學家面臨的重大難題，這也是這節(jié)課的學習重點。學生帶著強烈的興趣與探索的欲望進入本節(jié)課的學習。

2 采用假說-演繹法進行DNA復制模式探究

2.1 做出DNA復制的三種模型假設

教師引導學生思考DNA復制的三種可能模式。類比復印機復印白紙的例子，學生提出DNA復制的全保留復制假設。結合DNA雙螺旋結構的特點，學生根據(jù)堿基互補配對的原則提出半保留復制假設。根據(jù)沒有規(guī)律可循的假設，教師引導學生提出DNA復制的隨機假設。教師對學生做出假設及依據(jù)進行評價，讓學生感受科學假說的提出是建立在一定的科學基礎知識之上的。

2.2 設計實驗驗證DNA復制模型，并預測實驗結果

在學生假設的基礎上，教師引導學生思考如何驗證假說的正確性？教師可以引導學生共同思考問題：DNA復制的核心是區(qū)別親代和子代DNA分子，采用何種技術可以追蹤親代和子代DNA？根據(jù)已學噬菌體侵染細菌的實驗中將DNA和蛋白質分別采用32P和35S分別標記的方法，學生會想到放射性同位素示蹤技術。

教師進一步提問：選擇哪種生物材料進行實驗？對DNA分子中的哪種元素進行標記？如何將標記的親代與子代DNA分子區(qū)別開？這樣引導學生選擇合適的實驗材料——大腸桿菌，進而設計實驗步驟，大腸桿菌DNA中C、H、O、N、P元素均可以作為同位素示蹤的對象，采用密度梯度離心的方法將親代與子代DNA分子分離。

教師展示科學家的研究思路，以15N標記NH4Cl培養(yǎng)大腸桿菌若干代，然后將大腸桿菌轉移到14N培養(yǎng)液中，每隔20 min收集大腸桿菌并采用CSCl（氯化銫）密度梯度離心，記錄離心后試管中DNA的位置。讓學生以小組為單位預測并畫出三種不同的DNA復制方式得到的DNA位置條帶。

2.3 驗證假設，得出DNA復制模型

教師展示科學家實驗結果，并引導學生思考：① 復制一代后，根據(jù)科學家的實驗結果可以排除哪種復制模型？② 復制二代后，可以排除哪種DNA復制模型？③ 嘗試畫出復制三代后DNA的分布圖。學生通過將預測的試驗結果與科學家真實實驗結果的比較，排除了DNA全保留和隨機復制模型，確定了DNA半保留復制的模式。

3 DNA復制過程模擬操作及DNA復制的意義

學生理解了DNA的半保留復制模式后，對具體的復制過程產(chǎn)生了濃厚的興趣。教師在充分鼓勵學生探究熱情的基礎上，讓學生結合教材DNA復制過程的描述，嘗試用簡易材料模擬DNA復制過程。學生提前用不同顏色的紙做出一系列模型，如一段DNA雙螺旋平面紙質結構，四種不同的脫氧核苷酸結構若干。在模擬DNA復制過程之前，教師可以給學生介紹模擬DNA復制過程涉及到的用具，如用一段藍色DNA分子的紙質片段代表親代DNA分子，剪刀上貼有解旋酶，用橢圓形綠色紙片代表DNA聚合酶，而且強調(diào)DNA聚合酶的作用只能催化5′-3′方向的脫氧核苷酸的添加，這意味著在延伸DNA的單鏈上總是由5′端向3′端延伸。學生以小組為單位，在閱讀教材相關內(nèi)容的基礎上，按照解螺旋、形成互補子鏈、延伸、形成子代DNA的步驟，模擬DNA復制的過程。教師挑選1個學習小組為例上臺展示，其他小組對其展示結果質疑、補充，師生共同總結DNA復制過程具體步驟。

在進一步深入學習DNA復制的步驟后，教師提出以下問題讓學生共同思考。

① 總結DNA復制的時間，發(fā)生的部位，合成DNA所需要的原料。DNA復制過程中用到的酶有哪些？通過這一系列問題的回答，學生將會對DNA復制過程有系統(tǒng)的認識。

② 一個DNA分子經(jīng)過一次復制后產(chǎn)生幾個DNA分子？復制完成后，親代DNA分子還存在嗎？親代與子代DNA分子的關系怎樣？通過思考回答這一系列問題，學生將建立DNA復制后親代與子代的DNA分子完全相同的概念。

③ DNA復制后為什么親代與子代保持嚴謹?shù)臏蚀_性？DNA復制過程中遵循的原則是什么？通過此問題的回答，學生對堿基互補配對原則在DNA分子復制準確性的重要作用有深刻的理解。

④ 總結DNA分子復制的意義。通過對以上問題串的進一步分析討論，學生加深對DNA復制過程各個階段的理解，并通過對親子代DNA分子結構的比較，歸納出DNA復制對于生物遺傳的重要意義。同時，在本節(jié)的結尾可以給學生提出更開放的問題：DNA復制的過程一定是100%的正確嗎？會不會有復制過程中的錯誤出現(xiàn)，對生物是件好事還是壞事？從而引發(fā)學生進一步思考，同時也為以后學習遺傳物質的變異相關內(nèi)容鋪墊。

4 DNA復制原理在實際生活中應用實例

在學習了DNA復制的過程及意義后，學生重新思考如何復活猛犸象計劃，科學家如何在體外將猛犸象DNA進行復制，從而引出現(xiàn)代生物技術——PCR技術的應用。通過動畫展示PCR技術的原理，學生直觀的感受到，科學家在一個小小的試管中，在短短的2 h內(nèi)可以將猛犸象的基因進行上萬次的復制，從而形成肉眼可見的DNA片段，深刻理解科學理論對生物技術發(fā)展的巨大指導與推動作用。DNA復制技術在現(xiàn)實生活中應用非常廣泛，通過介紹DNA指紋技術可以準確對遇難者身份鑒定和準確進行親子鑒定，使學生深切體會生物學的科學理論回歸生活的重大作用。