基于模型建構(gòu)的“DNA的復(fù)制”教學(xué)設(shè)計

婁冰凝 王保艷

1 ?教材、課標(biāo)分析及設(shè)計思路

“DNA 的復(fù)制”是人教版高中生物《必修2·遺傳與進(jìn)化》第三章第三節(jié)，包括對 DNA 復(fù)制的推測、DNA 半保留復(fù)制的實驗證據(jù)、DNA 復(fù)制的過程三部分內(nèi)容。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）強調(diào)發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素 養(yǎng)，重視模型建構(gòu)能力及科學(xué)思維的培養(yǎng)，要求學(xué)生 通過本節(jié)課程的學(xué)習(xí)，能夠“概述DNA分子通過半保 留方式進(jìn)行復(fù)制”。筆者結(jié)合課程內(nèi)容、《課程標(biāo)準(zhǔn)》要求及學(xué)生學(xué)情，設(shè)計如圖1所示的教學(xué)思路。

2 ?教學(xué)目標(biāo)

①利用拼圖模型，結(jié)合DNA 結(jié)構(gòu)特點推測DNA復(fù)制方式，形成結(jié)構(gòu)與功能觀。

②通過密度梯度離心模擬實驗降低實驗難度，演繹實驗結(jié)果，得出結(jié)論，體驗假說—演繹法的科學(xué)研究方法，形成科學(xué)探究能力。

③通過模型模擬 DNA 分子的復(fù)制過程，體驗?zāi)Ｐ蜆?gòu)建的科學(xué)研究方法，并在活動中形成發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

④通過查閱資料，舉例說出DNA 復(fù)制在社會生活中的應(yīng)用，養(yǎng)成社會責(zé)任感。

3 ?教學(xué)過程

3.1 復(fù)習(xí)導(dǎo)入，引出模型

教師帶領(lǐng)學(xué)生回顧DNA 結(jié)構(gòu)特點，并提供資料：沃森和克里克在《核酸的分子結(jié)構(gòu)——脫氧核糖核酸的結(jié)構(gòu)》中寫道，“我們已經(jīng)注意到，上述假設(shè)的特異性堿基配對理論直接提出了遺傳物質(zhì)復(fù)制的可能性”。堿基互補配對原則暗示DNA 的復(fù)制機制可能是怎樣的？教師展示DNA平面結(jié)構(gòu)圖片與泡沫板制作的拼圖模型（圖2），引導(dǎo)學(xué)生以拼圖之間的互補配對模擬DNA 分子堿基之間的互補配對，展開本節(jié)課的探究。

設(shè)計意圖：與傳統(tǒng)“DNA結(jié)構(gòu)模型”相比，“拼圖模型”更貼近學(xué)生生活，有助于激發(fā)學(xué)生原有經(jīng)驗。該模型簡化了脫氧核糖核苷酸結(jié)構(gòu)，突出表現(xiàn)了DNA雙鏈之間的堿基互補配對，以減輕學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷，提高教學(xué)效果。

3.2 拼圖模擬，提煉假說

3.2.1 動手操作，論述結(jié)果

教師以拼圖的復(fù)制模擬DNA 的復(fù)制，組織學(xué)生展開動手活動：“在已擁有一套完好拼圖的情況下，如何又快又準(zhǔn)確地拼出另一幅同樣的拼圖？”學(xué)生以黑色拼圖為模板，嘗試復(fù)制出白色拼圖，并組織語言，嘗試用一句話講述自己的操作過程和操作結(jié)果。

學(xué)生通過班級交流、分享，可以發(fā)現(xiàn)組裝的拼圖呈現(xiàn)兩種結(jié)果：大部分學(xué)生“以黑色拼圖為模板，完成白色拼圖的拼接，黑色拼圖保持不變”，如圖2復(fù)制結(jié)果A所示;少部分學(xué)生通過課前預(yù)習(xí)，“將兩列黑色拼圖分開，分別作為模板進(jìn)行拼接，得到的拼圖一列為黑色，另一列為白色”，如圖2復(fù)制結(jié)果B所示。

3.2.2 類比推理，作出假設(shè)

結(jié)合拼圖的操作過程，教師引導(dǎo)學(xué)生類比推測 ?DNA 復(fù)制可能采取的方式。學(xué)生提出：“DNA 的復(fù)制 ?方式存在兩種可能。①?DNA 以親代為模板，復(fù)制后 ?形成全新的子鏈，而親代保持原樣;②?親代的兩條鏈 ?解開，每條鏈作為新鏈的模板，復(fù)制形成的兩個子代 ?DNA分子中，均包含一條親代鏈和一條新合成的鏈?！苯處熆偨Y(jié)，點明這兩種可能分別叫做DNA復(fù)制的半保 ?留復(fù)制假說和全保留復(fù)制假說，并提出問題：“怎樣證 ?明 DNA 復(fù)制方式是半保留復(fù)制，還是全保留復(fù)制呢？”

設(shè)計意圖：學(xué)生動手復(fù)制拼圖的結(jié)果分別與全保留復(fù)制假說和半保留復(fù)制假說相對應(yīng)，這為“作出假設(shè)”搭建起學(xué)習(xí)支架。學(xué)生總結(jié)并敘述模型的操作思路和結(jié)果，從中提煉得出兩種假說。在這個過程中，學(xué)生參與了科學(xué)知識的構(gòu)建，認(rèn)識到科學(xué)知識不是科學(xué)家的專利，有助于科學(xué)本質(zhì)觀的形成。

3.3 模型搭架，實驗驗證

3.3.1 模擬實驗，搭建支架

學(xué)生進(jìn)行密度梯度模擬實驗：用黑、白拼圖分別模擬親、子代DNA單鏈，在黑色拼圖上夾4個小鐵夾、白色拼圖上夾2 個小鐵夾，組成 a、b、c 三種不同的 DNA雙鏈模型（圖3）。拿出依次裝有四氯化碳、水、大豆油的燒杯，將 a、b、c 放入其中，呈現(xiàn)如圖3 所示現(xiàn)象。通過觀察思考，學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)模型所處的位置與夾子數(shù)目有關(guān)：夾子數(shù)目少的在上層，數(shù)目多的在下層，數(shù)目居中的位于中層。教師引導(dǎo)學(xué)生：①?夾子數(shù)目不同造成模型質(zhì)量不同，在DNA分子中可以通過改變元素相對原子質(zhì)量來實現(xiàn)。②四氯化碳、水和大豆油密度不同，在燒杯中形成了密度梯度溶液。學(xué)生討論、總結(jié)得出：改變DNA 中元素相對原子質(zhì)量，將其放入密度梯度溶液中離心，然后根據(jù)DNA分子所處位置，即可判斷組成DNA分子的單鏈類型。

3.3.2 實驗驗證，得出結(jié)論

教師請學(xué)生結(jié)合梅塞爾森實驗過程思考：“如果用15N 標(biāo)記大腸桿菌親代 DNA 的兩條鏈，再將放在僅含14N 的培養(yǎng)基上，繁殖2 代。按照半保留復(fù)制假說和全保留復(fù)制假說，分別寫出其子代 DNA 分子的組成及比例?！睂W(xué)生交流討論，教師巡回指導(dǎo)。學(xué)生分析實驗結(jié)果，得出結(jié)論： DNA 的復(fù)制方式是半保留復(fù)制。

設(shè)計意圖：教師利用梅塞爾森實驗進(jìn)行實驗驗證，旨在使學(xué)生體會“假說—演繹法”的過程，認(rèn)識到生物學(xué)結(jié)論的得出必須由實證支撐，形成科學(xué)的思維方法。其中，有關(guān)密度梯度離心的背景知識為學(xué)生首次接觸，且比較抽象，因此教師引導(dǎo)學(xué)生利用模型展開密度梯度模擬實驗，搭建學(xué)習(xí)支架，幫助學(xué)生理解實驗原理，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗，驗證假說。

3.4 模型模擬，總結(jié)過程

3.4.1 動態(tài)模擬，發(fā)現(xiàn)問題

多個小組合作，將各小組的黑色拼圖模型組成長鏈，模擬 DNA 分子的半保留復(fù)制過程，教師巡回指導(dǎo)。學(xué)生在模擬長鏈復(fù)制的過程中，暴露出關(guān)鍵問題： DNA雙鏈?zhǔn)峭耆蛛x之后再復(fù)制，還是邊解旋邊復(fù)制？

教師展示復(fù)制泡圖片，學(xué)生交流得出： DNA在解旋的同時開始復(fù)制，這樣不僅能提高復(fù)制的效率，還能保證復(fù)制的準(zhǔn)確性。師生共同總結(jié)DNA 的復(fù)制過程為：解旋→子鏈合成→螺旋化。

設(shè)計意圖： DNA 的復(fù)制是一個動態(tài)過程，若僅通過講授法教學(xué)，學(xué)生掌握較困難。學(xué)生通過模型模擬、動手操作，親自體會DNA 復(fù)制過程的動態(tài)性與連續(xù)性，不僅實現(xiàn)了抽象概念的直觀化，也能順勢引出 DNA復(fù)制過程中“邊解旋邊復(fù)制”的關(guān)鍵性問題，使教學(xué)過程更順暢，更具有邏輯性。

3.4.2 歸納小結(jié)，升華提高

小組學(xué)生交流討論，填寫表1，教師巡回指導(dǎo)。師生共同總結(jié)。

教師提供資料，引導(dǎo)學(xué)生思考：雖然DNA 復(fù)制通過堿基互補配對在很大程度上保證了復(fù)制的準(zhǔn)確性，但是，平均每復(fù)制109個堿基對，就會產(chǎn)生一個錯誤。 DNA復(fù)制錯誤，可能產(chǎn)生什么影響？這種影響會傳遞給子代嗎？

設(shè)計意圖：學(xué)生分析資料，感受遺傳信息的準(zhǔn)確傳遞對保持生物前后代遺傳穩(wěn)定性和連續(xù)性的重要意義，為后續(xù)學(xué)習(xí)基因突變埋下伏筆。

3.5 知識拓展

課后，教師組織學(xué)生查閱 PCR 技術(shù)及其應(yīng)用，了解基因克隆、DNA 測序、腫瘤檢測、分析突變、犯罪現(xiàn)場標(biāo)本分析等DNA復(fù)制的應(yīng)用。

設(shè)計意圖：學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)，培養(yǎng)搜集信息和處理信息的能力，同時也體會到DNA 復(fù)制原理在科學(xué)研究及社會實踐中有著重要的應(yīng)用價值。

4 ?教學(xué)評價

教學(xué)評價應(yīng)倡導(dǎo)多元化評價、過程性評價和終結(jié)性評價相結(jié)合。在過程性評價中，教師采用學(xué)生自評、組內(nèi)互評、教師評價相結(jié)合的評價方法，關(guān)注學(xué)生在課堂中自主學(xué)習(xí)、同伴合作、師生互動的表現(xiàn)及探究、思考的過程;在終結(jié)性評價中，則主要采用紙筆測驗和作業(yè)練習(xí)的形式，圍繞教學(xué)目標(biāo)設(shè)計試題，以檢測學(xué)生的目標(biāo)達(dá)成情況。另外，教師應(yīng)將評價結(jié)果及時反饋給學(xué)生，以保證評價的時效性。

5 ?教學(xué)反思

模型建構(gòu)是現(xiàn)代生物學(xué)中重要的研究方法之一，在《課程標(biāo)準(zhǔn)》中也被多次強調(diào)。教師在中學(xué)課堂中運用模型，目的是使學(xué)生通過研究科學(xué)模型推知原型的某種特征或規(guī)律，借助模型來獲取、拓展和深化對原型的認(rèn)識，掌握模型建構(gòu)的科學(xué)方法。本節(jié)課所采用的模型服務(wù)于本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容，突出DNA堿基互補配對的主要特征，對DNA雙鏈進(jìn)行抽象和簡化，并貫穿課程始終，在多個知識點數(shù)次發(fā)揮作用。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下對該模型進(jìn)行研究，從中獲取DNA復(fù)制的信息，體驗科學(xué)探究過程，促進(jìn)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

模型模擬活動固然可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，但這不是最終目的。模型設(shè)計應(yīng)符合教學(xué)活動實際需要，在形象化的基礎(chǔ)上重視對學(xué)生思維的促進(jìn)作用，推動教學(xué)順利進(jìn)行。在模型設(shè)計和使用過程中，教師如何避免“模型低效化”“模型低齡化”，是值得進(jìn)一步探討的問題。

參考文獻(xiàn)：

J. D .沃森，F(xiàn).H.C.克里克，朱玉賢.核酸的分子結(jié)構(gòu)——脫氧核糖核酸的結(jié)構(gòu)[J].物理，2003，32（11）：742-744.