“DNA的復(fù)制”教學(xué)設(shè)計(jì)（一）

李響

一、教材分析及設(shè)計(jì)思路

本節(jié)課內(nèi)容的學(xué)習(xí)有利于學(xué)生鞏固減數(shù)分裂、孟德爾遺傳定律等知識，也有利于學(xué)生理解基因突變、基因重組等內(nèi)容。教材首先介紹的是科學(xué)家關(guān)于DNA復(fù)制的推測，接著講述有關(guān)DNA半保留復(fù)制的證據(jù)，進(jìn)而引出半保留復(fù)制的過程。盡管DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)證據(jù)是選學(xué)內(nèi)容，但探究這部分內(nèi)容，不僅能加深學(xué)生對教材的理解，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維以及科學(xué)研究的基本方法，還能讓學(xué)生明白DNA半保留復(fù)制的機(jī)制的證實(shí)源自實(shí)證。DNA的復(fù)制過程是本節(jié)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，而這一過程是一個(gè)抽象且復(fù)雜的內(nèi)容，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生應(yīng)用已有的“DNA分子的結(jié)構(gòu)”的知識進(jìn)行理解，同時(shí)可結(jié)合形象直觀的動(dòng)畫以及示意圖輔助教學(xué)。

本節(jié)課先通過復(fù)習(xí)上節(jié)所學(xué)，引出探究案中科學(xué)資料關(guān)于DNA復(fù)制方式的3種假說：半保留復(fù)制、全保留復(fù)制和彌散復(fù)制。結(jié)合課前各學(xué)習(xí)小組通過自主選材，模擬DNA的全保留復(fù)制、半保留復(fù)制的過程理解3種假說。引導(dǎo)學(xué)生利用假說-演繹法分析DNA復(fù)制方式實(shí)驗(yàn)的思路及方法，并對實(shí)驗(yàn)的結(jié)果作出預(yù)期，接著展示真正的實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，學(xué)生通過比較預(yù)期的結(jié)果與真正的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否一致即可得出結(jié)論，再通過課堂訓(xùn)練中的相應(yīng)計(jì)算加深理解DNA的半保留復(fù)制。最后學(xué)習(xí)小組匯報(bào)預(yù)習(xí)案中DNA復(fù)制的九大問題：DNA復(fù)制的概念、時(shí)間、場所、過程、條件、特點(diǎn)、結(jié)果、精確復(fù)制的原因、意義，教師進(jìn)行修正、補(bǔ)充以及拓展。

二、教學(xué)目標(biāo)

1.知識目標(biāo)：說出科學(xué)家對DNA 分子復(fù)制作出的推測;簡述DNA分子復(fù)制的過程、特點(diǎn)、意義。

2.能力目標(biāo)：各小組通過探究DNA分子的復(fù)制過程，進(jìn)一步理解假說-演繹法，增強(qiáng)彼此相互溝通合作的意識。

3.情感態(tài)度與價(jià)值觀：體會科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S及科學(xué)的研究方法，培養(yǎng)獨(dú)立分析問題的態(tài)度。

三、教學(xué)重難點(diǎn)

1.重點(diǎn)：DNA分子的復(fù)制過程。

2.難點(diǎn)：DNA分子的復(fù)制過程以及對DNA分子的? 半保留復(fù)制的驗(yàn)證。

四、課前準(zhǔn)備

教師工作：為學(xué)生準(zhǔn)備學(xué)案，探究案中提供DNA復(fù)制的相關(guān)文獻(xiàn)，輔助學(xué)生理解DNA復(fù)制的三種假說，預(yù)習(xí)案首先對DNA復(fù)制的推測以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證依據(jù)假說-演繹法設(shè)計(jì)問題，其次設(shè)計(jì)DNA復(fù)制計(jì)算的規(guī)律總結(jié)，第三部分以思維導(dǎo)圖形的方式展開DNA復(fù)制過程的相關(guān)問題，此外還要準(zhǔn)備DNA復(fù)制過程的相關(guān)動(dòng)畫、視頻。

學(xué)生任務(wù)：依據(jù)對學(xué)案、教材以及自己查閱資料的預(yù)習(xí)，每個(gè)學(xué)習(xí)小組自行選材（注意選材時(shí)親代DNA和子代DNA要有區(qū)分），模擬一個(gè)親代DNA分子按照全保留復(fù)制的方式復(fù)制兩代、半保留復(fù)制的方式復(fù)制兩代的過程，并完成學(xué)案中的相關(guān)問題。

教師工作：檢查學(xué)習(xí)小組模擬DNA復(fù)制的完成情況，選擇優(yōu)秀的小組留作課堂展示，并拍成照片制成PPT，呈現(xiàn)在左側(cè)白板上，用于幫助學(xué)生直觀形象地理解本節(jié)所學(xué)，攻克教學(xué)難點(diǎn)，提升課堂效率;檢查學(xué)案完成情況，了解學(xué)生普遍存在的問題，課堂上做到有的放矢。

五、教學(xué)過程

1.引入新課

展示上節(jié)課制作的DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，回憶DNA分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及DNA分子是如何儲存遺傳信息的。細(xì)胞在進(jìn)行分裂時(shí)，細(xì)胞內(nèi)的DNA分子顯然是要復(fù)制的，一個(gè)DNA復(fù)制后得到兩個(gè)DNA，再將兩個(gè)DNA傳遞給兩個(gè)細(xì)胞。引出DNA的復(fù)制。

2.對DNA復(fù)制方式的探究

（1）提出問題

用講桌上的同種顏色的2支馬克筆模擬親代DNA分子，提問學(xué)生，經(jīng)過復(fù)制，新形成的DNA分子是全新的DNA分子嗎？

（2）作出假說

學(xué)生依據(jù)探究案中的預(yù)習(xí)內(nèi)容，提出DNA復(fù)制的3種假說，同時(shí)結(jié)合自己小組的模型解讀全保留復(fù)制、半保留復(fù)制以及彌散復(fù)制的概念，教師適當(dāng)補(bǔ)充：模板、親代DNA、子代DNA、母鏈、子鏈的概念。一個(gè)DNA分子如果按照全保留復(fù)制方式復(fù)制一代，形成的兩個(gè)DNA，一個(gè)是親代的，一個(gè)則是新形成的;如果按照半保留復(fù)制方式復(fù)制一代，是以親代DNA分子的兩條母鏈為模板，按照堿基互補(bǔ)配對原則合成子鏈，兩條母鏈和對應(yīng)的子鏈各合成一個(gè)新的子代DNA分子;如果按照彌散復(fù)制方式復(fù)制一代，形成的兩個(gè)DNA分子的兩條鏈中，一些片段為新合成的，一些片段來自母鏈。

（3）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

通過學(xué)習(xí)小組模擬活動(dòng)的結(jié)果，學(xué)生容易看出DNA復(fù)制三種假說的區(qū)別，但這僅僅是一個(gè)模擬活動(dòng)，要想證明哪一種假說是正確的，一定要有實(shí)驗(yàn)的證據(jù)。在課前模擬活動(dòng)中，教師要求選用的材料要能區(qū)分親代DNA與子代DNA，引出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵思路是能夠區(qū)分子代DNA分子的兩條鏈?zhǔn)悄告溸€是子鏈。采用哪種技術(shù)可以區(qū)分子代DNA的每條鏈，聯(lián)系之前噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容，學(xué)生容易得出同位素示蹤技術(shù)（以15N為例）;結(jié)合白板上展示的模型以及各小組自己的模型，請各小組給每一代DNA做好標(biāo)記，引導(dǎo)學(xué)生觀察，自己標(biāo)記的DNA有三種類型：15N/15N型、14N/14N型、14N/15N型，如何區(qū)分不同類型的DNA，引出密度梯度離心技術(shù)，經(jīng)過密度梯度離心，密度最大的15N/15N型DNA分子分布在離心管底部，形成的條帶稱為重帶，密度最小的14N/14N型DNA分子分布在離心管上部，形成的條帶稱為輕帶，密度適中的14N/15N 型DNA分布在離心管中間，形成的條帶稱為中帶。各組按照本組做好標(biāo)記的模型可以得出，DNA分子如果按照全保留復(fù)制方式復(fù)制，離心后的子一代條帶為1/2輕帶和1/2重帶，子二代條帶為3/4輕帶和1/4重帶;如果按照半保留復(fù)制方式復(fù)制，離心后的子一代條帶全為中帶，子二代條帶為1/2輕帶，1/2中帶;如果按照彌散復(fù)制方式復(fù)制，離心后子一代條帶處于中帶，子二代條帶不會有輕帶。

（4）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

各小組結(jié)合教材中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及學(xué)案中的提示信息，回答學(xué)案中關(guān)于此實(shí)驗(yàn)的問題：為什么選擇大腸桿菌作為實(shí)驗(yàn)材料，為什么用15N標(biāo)記的NH4Cl培養(yǎng)大腸桿菌若干代，為什么在不同時(shí)期收集大腸桿菌后離心，經(jīng)小組討論以及教師點(diǎn)撥，選擇大腸桿菌是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單，DNA容易提取，DNA提取出來才能對其進(jìn)行密度梯度離心;讓15N標(biāo)記的NH4Cl培養(yǎng)大腸桿菌若干代，目的是使親代DNA分子幾乎全都標(biāo)記上15N;而依據(jù)學(xué)案中給出的大腸桿菌繁殖一次的時(shí)間，在不同時(shí)期收集大腸桿菌后離心，目的是依據(jù)時(shí)間的不同，得到不同的子代。

（5）得出結(jié)論

觀察教材實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，子一代條帶全為中帶，子二代一半輕帶，一半中帶，得出DNA復(fù)制的方式為半保留復(fù)制，其中子一代中帶的出現(xiàn)否定了全保留復(fù)制方式，子二代輕帶的出現(xiàn)否定了彌散復(fù)制方式。簡單小結(jié)上述探究過程所采用的科學(xué)研究方法：假說-演繹法，驗(yàn)證DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)中所用到的技術(shù)：同位素示蹤技術(shù)以及密度梯度離心技術(shù)。聯(lián)系沃森和克里克作出的假說，引出半保留復(fù)制的概念。

為了加深理解，在此引出DNA半保留復(fù)制中的相關(guān)計(jì)算，學(xué)生結(jié)合左側(cè)白板展出的學(xué)習(xí)小組建構(gòu)的模型，鞏固所學(xué)，攻克這一教學(xué)難點(diǎn)。諸如親代DNA連續(xù)復(fù)制n次后，得到的DNA分子總數(shù)、脫氧核苷酸鏈數(shù)、母鏈數(shù)、子鏈數(shù)、含有親代母鏈的DNA分子數(shù)、無親代母鏈的DNA分子數(shù)這幾類問題在課前檢查學(xué)案時(shí)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生作答沒有困難，在課堂上提問小組成員即可，教師解決兩個(gè)問題：若該DNA含某種核苷酸a個(gè)，則經(jīng)過n次復(fù)制，共需消耗游離的該核苷酸為多少：復(fù)制n代后，有兩條母鏈即一個(gè)親代的DNA分子不需要原料，需要消耗原料的DNA分子相當(dāng)于是2n-1個(gè)，所以此題答案為（2n-1）a;若該DNA含某種核苷酸a個(gè)，則在第n次復(fù)制時(shí)，共需消耗游離的該核苷酸為多少。教師提供三種思路，引導(dǎo)學(xué)生對每一代的脫氧核苷酸鏈與其上一代的脫氧核苷酸鏈做比較，發(fā)現(xiàn)每一代中有一半的脫氧核苷酸鏈?zhǔn)切潞铣傻?，即相?dāng)于一半的DNA分子是新合成的，則第n次復(fù)制時(shí)消耗游離的該核苷酸為（2n-1）a;還可以引導(dǎo)學(xué)生利用通項(xiàng)公式的思想解決：親代DNA連續(xù)復(fù)制n次后，得到的DNA分子總數(shù)為2n，則復(fù)制n-1次得到的DNA分子總數(shù)為2n-1，則第n次復(fù)制時(shí)新合成的DNA為2n-2n-1個(gè)，則第n次復(fù)制時(shí)消耗游離的該核苷酸為（2n-1）a;還可引導(dǎo)學(xué)生思考，上一個(gè)問題已經(jīng)解決了復(fù)制n代后，消耗游離的該核苷酸為（2n-1）a，則復(fù)制n-1代后，消耗游離的該核苷酸為（2n-1-1）a，則第n次復(fù)制消耗游離的該核苷酸為（2n-1）a-（2n-1-1）a，求出第n次復(fù)制時(shí)消耗游離的該核苷酸為（2n-1）a。在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對于運(yùn)用通項(xiàng)公式法解決這個(gè)問題更能接受。

3.DNA復(fù)制的過程

（1）匯報(bào)課前預(yù)習(xí)成果

學(xué)習(xí)小組匯報(bào)課前學(xué)習(xí)成果，回答DNA復(fù)制的概念、時(shí)間、場所?；卮饛?fù)制的時(shí)間時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生思考，復(fù)制的時(shí)間具體是什么時(shí)期，回答場所時(shí)引導(dǎo)學(xué)生思考，對于真核細(xì)胞DNA復(fù)制的主要場所為細(xì)胞核，還有哪些場所可以進(jìn)行DNA的復(fù)制，原核細(xì)胞又是在什么場所進(jìn)行DNA的復(fù)制，并讓學(xué)生思考哪些細(xì)胞可以進(jìn)行DNA的復(fù)制;

（2）描述復(fù)制過程

讓學(xué)生結(jié)合教材的彩圖嘗試描述DNA的復(fù)制過程，教師修正補(bǔ)充，提取三步中的關(guān)鍵詞：解旋，配對，螺旋。再結(jié)合動(dòng)畫詳細(xì)說明解旋酶、DNA聚合酶作用的位置以及這個(gè)過程所需要的其他條件，進(jìn)而對DNA復(fù)制所需要的條件（模板、原料、能量、酶）進(jìn)行總結(jié)。

（3）總結(jié)復(fù)制特點(diǎn)

再請學(xué)生觀察：兩條母鏈中的堿基排列順序相同嗎？形成的兩條子鏈中的堿基排列順序相同嗎？新合成的這兩個(gè)DNA堿基排列順序相同嗎？引導(dǎo)學(xué)生思考DNA準(zhǔn)確復(fù)制的原因，進(jìn)而概括DNA復(fù)制的意義?？偨Y(jié)DNA復(fù)制的特點(diǎn)時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生思考，DNA分子在復(fù)制時(shí)，是邊解旋邊復(fù)制，還是把雙鏈全部打開再復(fù)制，提示學(xué)生從DNA分子復(fù)制的準(zhǔn)確性以及復(fù)制的效率來思考，學(xué)生容易得出，邊解旋邊復(fù)制可以保證復(fù)制高效的進(jìn)行，教師補(bǔ)充： 生物體內(nèi)的DNA是由數(shù)百萬個(gè)脫氧核苷酸構(gòu)成，若將DNA雙鏈都解旋再復(fù)制，可能發(fā)生突變或被酶降解，復(fù)制就不再準(zhǔn)確。所以，從DNA復(fù)制的過程上看，其特點(diǎn)為邊解旋邊復(fù)制，從復(fù)制的結(jié)果上看，其特點(diǎn)為半保留復(fù)制。DNA復(fù)制還存在其他特點(diǎn)，教師可適度拓展。播放DNA復(fù)制的視頻，學(xué)生容易看出DNA復(fù)制時(shí)，合成一條鏈時(shí)是連續(xù)的，一條鏈?zhǔn)遣贿B續(xù)的：DNA的兩條脫氧核苷酸鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械?，DNA 聚合酶只能由 5′端向3′端催化子鏈延伸，因而確定復(fù)制起點(diǎn)后，一條鏈?zhǔn)沁B續(xù)復(fù)制的，另一條鏈不連續(xù)復(fù)制。此外，通過視頻還可看出，DNA復(fù)制還具有多起點(diǎn)雙向復(fù)制的特點(diǎn)。依據(jù)學(xué)生實(shí)際情況而定是否進(jìn)行其他方面的拓展。設(shè)計(jì)的反饋內(nèi)容是這部分的填空題，請學(xué)生共同回答。

4.小結(jié)

請學(xué)生計(jì)算教材的拓展題，算出約31.6億個(gè)堿基對的人類基因組復(fù)制時(shí)，可能有6個(gè)堿基錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤有沒有影響呢？

5. 板書設(shè)計(jì)（略）