援引科學(xué)史探究DNA復(fù)制方式的POE教學(xué)策略分析

孟凡龍

(江蘇省揚(yáng)州大學(xué)附屬中學(xué)東部分校 225003)

POE教學(xué)策略是由探查學(xué)生理解科學(xué)的研究方法演化而來的，建立在“觀察滲透理論”的哲學(xué)觀念和建構(gòu)主義理論基礎(chǔ)之上的新型演示策略。POE教學(xué)策略共包括3個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)： 預(yù)測(cè)(predict)→觀察(observe)→解釋(explain)。這些環(huán)節(jié)就是科學(xué)知識(shí)的發(fā)現(xiàn)過程，是經(jīng)典的科學(xué)研究范式，旨在探查和轉(zhuǎn)變學(xué)生的前科學(xué)概念，并形成科學(xué)概念。

DNA復(fù)制方式是蘇教版高中生物學(xué)必修2第4章第2節(jié)“DNA的復(fù)制(replication)”中的核心內(nèi)容，一直是遺傳學(xué)教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。該部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)有助于學(xué)生進(jìn)一步理解和鞏固有絲分裂、減數(shù)分裂、遺傳規(guī)律等知識(shí)，是學(xué)習(xí)生物變異內(nèi)容的基礎(chǔ)。筆者嘗試依托有關(guān)科學(xué)史實(shí)驗(yàn)，通過預(yù)測(cè)→觀察→解釋的環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生深入理解DNA復(fù)制方式的本質(zhì)。

1 第1環(huán)節(jié)： 預(yù)測(cè)

預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)是POE教學(xué)策略的起始環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)要求學(xué)生根據(jù)教師提供的背景材料，結(jié)合教師提出的問題，對(duì)事件、情境或?qū)嶒?yàn)等作出預(yù)測(cè)，并說明理由，使學(xué)生暴露出前科學(xué)概念，促使學(xué)生自我反思。教師通常展示一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生預(yù)測(cè)一段時(shí)間后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但對(duì)于無法在課堂上演示的實(shí)驗(yàn)(如一些科學(xué)史方面的實(shí)驗(yàn))，教師可以展示科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)背景和實(shí)驗(yàn)處理，然后讓學(xué)生預(yù)測(cè)其結(jié)果。

學(xué)生在學(xué)習(xí)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究DNA的遺傳特性如何傳遞給后代。首先教師在黑板上畫出一段含有10對(duì)堿基的DNA片段，將其類比成教師手上的一份試卷，教師設(shè)置層層遞進(jìn)的問題串： ①如何操作才能使同學(xué)們的手上都有一份同樣的試卷呢？學(xué)生們很容易就可以想到復(fù)印，親代生物體也正是通過DNA復(fù)制的方式將遺傳信息準(zhǔn)確地傳遞給后代。②那么復(fù)印需要哪些條件？引導(dǎo)學(xué)生通過類比的方法得出DNA復(fù)制的條件： 教師試卷——模板、A4紙——原料、電源——能量、復(fù)印機(jī)——有關(guān)酶。③為了避免出現(xiàn)缺頁(yè)、模糊、倒置等現(xiàn)象，要怎樣復(fù)印才能得到同樣清晰準(zhǔn)確的試卷呢？以黑板上的一段含有10對(duì)堿基的DNA片段為例展開分析。

教師呈現(xiàn)背景資料1： ①每個(gè)DNA上具有特定的遺傳信息，一個(gè)親代DNA分子復(fù)制產(chǎn)生的兩個(gè)子代DNA的遺傳信息必須完全相同。②堿基互補(bǔ)配對(duì)原則是DNA分子的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，這個(gè)原則在DNA復(fù)制過程中也起著重要的指導(dǎo)作用。請(qǐng)學(xué)生預(yù)測(cè)DNA分子可能的復(fù)制方式： 全保留復(fù)制、半保留復(fù)制、彌散復(fù)制(圖1)。大部分學(xué)生由于預(yù)習(xí)了教材內(nèi)容，只繪制了半保留復(fù)制過程及結(jié)果： 母鏈DNA分開，根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則復(fù)制形成兩條子鏈DNA，母鏈和子鏈不再分開，直接成為子代DNA分子。在此基礎(chǔ)上教師引導(dǎo)學(xué)生分析全保留復(fù)制的猜想： 母鏈DNA分開，根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則復(fù)制形成兩條子鏈DNA，隨后兩條母鏈重新結(jié)合恢復(fù)原狀，新合成的兩條子鏈也彼此結(jié)合，形成一條新的雙鏈DNA分子。

圖1 DNA復(fù)制方式預(yù)測(cè)示意圖

猜想只是理論上的預(yù)測(cè)，想要得到科學(xué)的DNA復(fù)制方式，就必須要用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證猜想。為了準(zhǔn)確觀察DNA分子的復(fù)制情況，科學(xué)家們采用了同位素標(biāo)記法和放射自顯影(autoradiograph)技術(shù)。

教師呈現(xiàn)背景資料2： 1958年，美國(guó)科學(xué)家米西爾森(M.Meselson)和斯塔爾(F.Stahl)設(shè)計(jì)了很巧妙的實(shí)驗(yàn)： 將大腸桿菌在以15NH4Cl為唯一氮源的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)12代，獲得15N標(biāo)記的大腸桿菌，再將其轉(zhuǎn)移到普通培養(yǎng)基(含14N的氮源)中培養(yǎng)，經(jīng)過一代培養(yǎng)后得到的子一代DNA兩條鏈分別含有哪種N元素標(biāo)記？將子一代DNA進(jìn)行氯化銫密度梯度離心(由于15N-DNA的密度比普通14N-DNA的密度大，所以15N-DNA分布在氯化銫溶液的最下端，即重帶；14N-15N雜合DNA分布在中間，即混合帶；14N-DNA分布在最上端，即輕帶)，其結(jié)果如何分布？若將每個(gè)子一代DNA通過加熱得到兩條單鏈，再進(jìn)行離心，其結(jié)果又會(huì)如何分布？教師引導(dǎo)學(xué)習(xí)小組討論、預(yù)測(cè)不同復(fù)制方式情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并描繪子一代DNA在氯化銫溶液中的位置。

由于這類實(shí)驗(yàn)所研究的復(fù)制中的DNA在提取過程中已被斷裂成許多片段，得到的信息只涉及DNA復(fù)制前和復(fù)制后的狀態(tài)，無法觀察到完整的DNA復(fù)制過程。

教師呈現(xiàn)背景資料3： 1963年Cairns用放射自顯影技術(shù)將3H-脫氧胸苷標(biāo)記大腸桿菌DNA，然后用溶菌酶消化掉細(xì)胞壁，釋放出完整DNA，鋪在一張透析膜上，在暗處用感光乳膠覆蓋于干燥的表面上幾星期。期間3H由于放射性衰變而放出β粒子，使乳膠曝光生成銀粒。顯影后銀粒黑點(diǎn)軌跡勾畫出DNA分子的形狀，黑點(diǎn)數(shù)目代表了3H在DNA分子中的密度。把顯影后的片子放在顯微鏡下即可觀察到大腸桿菌DNA的全貌。教師引導(dǎo)學(xué)生嘗試用黑點(diǎn)繪制大腸桿菌DNA復(fù)制時(shí)的放射自顯影示意圖。

2 第2環(huán)節(jié)： 觀察

觀察環(huán)節(jié)是學(xué)生暴露出前科學(xué)概念后，要對(duì)相關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)際觀察，并記錄實(shí)際發(fā)生的情況，該環(huán)節(jié)通常由學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作或教師演示實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生觀察和記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。觀察結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生矛盾，即產(chǎn)生認(rèn)知沖突，這是學(xué)生概念轉(zhuǎn)變的刺激所在。

其實(shí)早在1953年沃森(J.D.Watson)和克里克(F.Crick)提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型時(shí)就推測(cè)： 在復(fù)制過程中首先堿基間氫鍵需破裂并使雙鏈解旋和分開，然后每條鏈可作為模板在其上合成新的互補(bǔ)鏈，結(jié)果由一條鏈可以形成互補(bǔ)的兩條鏈。這樣新形成的兩個(gè)DNA分子與原來DNA分子的堿基順序完全一樣。每個(gè)DNA分子的一條鏈來自親代DNA，另一條鏈則是新合成的，即DNA復(fù)制方式是半保留復(fù)制。但這只是他們的猜想，正如同學(xué)們的猜想一樣，還需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

教師播放視頻： 該視頻比較簡(jiǎn)單、通俗，觀看后，學(xué)生很容易用自己的語言簡(jiǎn)潔地歸納出DNA復(fù)制的基本步驟，以及DNA復(fù)制所需的條件。由學(xué)生自己構(gòu)建新知，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)自信心。

1958年美國(guó)科學(xué)家米西爾森和斯塔爾的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是將15N標(biāo)記的大腸桿菌轉(zhuǎn)移到14N普通培養(yǎng)基中培養(yǎng)，得到的所有子一代DNA的兩條鏈一半含15N，另一半含14N，即14N-15N雜合DNA，將其進(jìn)行密度梯度離心后均分布在中間的混合帶。若將每個(gè)子一代DNA通過加熱得到兩條單鏈，再進(jìn)行離心，其放射性一半分布在輕帶(14N-DNA)，另一半分布在重帶(15N-DNA)。這也證明了在DNA復(fù)制時(shí)原來的DNA分子可被分成兩個(gè)亞單位，分別構(gòu)成子代分子的一半，這些亞單位經(jīng)過許多代復(fù)制仍然保持著完整性。

1963年Cairns用放射自顯影技術(shù)觀察到大腸桿菌DNA的全貌，并繪制大腸桿菌DNA復(fù)制時(shí)的放射自顯影示意圖(圖2)，闡明了大腸桿菌DNA是一個(gè)環(huán)狀分子，并以半保留方式進(jìn)行復(fù)制。3H胸苷滲入大腸桿菌DNA復(fù)制兩代，非復(fù)制部分(C)銀粒密度較低，由一股放射性鏈和一股非放射性鏈組成；雙鏈(B)中僅一股鏈?zhǔn)菢?biāo)記的；雙鏈(A)的兩股鏈都是標(biāo)記的。

圖2 復(fù)制中的大腸桿菌DNA放射自顯影示意圖

3 第3環(huán)節(jié)： 解釋

解釋環(huán)節(jié)是學(xué)生對(duì)比預(yù)測(cè)結(jié)果和觀察結(jié)果，判斷自己的看法，適當(dāng)調(diào)整前科學(xué)概念，形成觀察后的解釋。教師可以組織學(xué)生對(duì)這種解釋進(jìn)行小組分析和討論，在此過程中教師通過問題的方式給予恰當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)。最后，師生共同形成討論后的科學(xué)解釋，最終整合到學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中[1]。

針對(duì)1958年米西爾森和斯塔爾的實(shí)驗(yàn)，師生共同討論后繪制15N-DNA在14N的氮源中復(fù)制一代的過程圖和離心后在氯化銫溶液中的分布圖，并解釋子一代DNA加熱后離心分布位置的原因，同時(shí)教師引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)深入思考復(fù)制兩代、多代后的DNA標(biāo)記情況，形成有關(guān)標(biāo)記通式，進(jìn)而得出離心后在氯化銫溶液中的分布圖和后代DNA加熱后離心的分布圖。同時(shí)利用DNA半保留復(fù)制機(jī)制分析1963年Cairns的實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 沒有標(biāo)記的大腸桿菌DNA在3H脫氧胸苷中復(fù)制兩代，其后代DNA中有一半的DNA的兩條鏈都有放射性標(biāo)記，另一半DNA的兩條鏈中各有一條鏈有放射性標(biāo)記。

教師適當(dāng)拓展： 半保留復(fù)制是雙鏈DNA普遍的復(fù)制機(jī)制，即使是單鏈DNA在復(fù)制時(shí)通常也要先形成雙鏈形式。半保留復(fù)制機(jī)制說明了DNA代謝的相對(duì)穩(wěn)定性，但實(shí)際過程很復(fù)雜，需要多種細(xì)胞組分參與，受到細(xì)胞中多種條件控制，同時(shí)DNA復(fù)制還需要保持高度忠實(shí)性來保持遺傳的穩(wěn)定性。