基于PBL教學(xué)模式的“DNA的復(fù)制”教學(xué)設(shè)計(jì)

◇云南師范大學(xué)生命學(xué)科學(xué)院 張躍文 李娟

基于PBL教學(xué)模式，以問(wèn)題為導(dǎo)向，以學(xué)生為中心對(duì)高中生物學(xué)中“DNA的復(fù)制”這一節(jié)內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，通過(guò)假說(shuō)-演繹法、建構(gòu)模型、小組合作等方法，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維，掌握基本科學(xué)探究思路和方法，落實(shí)生物學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

PBL（Problem-based learning）是一種以問(wèn)題為導(dǎo)向的教學(xué)模式[1]。與傳統(tǒng)教學(xué)模式最大的不同是該教學(xué)模式倡導(dǎo)以學(xué)生為教學(xué)中心，不在是以教材為主的教本教學(xué)，而是以學(xué)生為中心的生本教學(xué)，是通過(guò)提前設(shè)計(jì)好的問(wèn)題鏈引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)的探索，積極參與課堂教學(xué)，主動(dòng)的獲取知識(shí)。

1 教材分析及設(shè)計(jì)思路

“DNA的復(fù)制”是人教版普通高中生物學(xué)教材（2019年版）必修2 《遺傳與進(jìn)化》第3章第3節(jié)內(nèi)容?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版 2020年修訂）對(duì)本節(jié)內(nèi)容的要求是“概述DNA分子通過(guò)半保留方式進(jìn)行復(fù)制”。學(xué)好這一課時(shí)，有利于學(xué)生對(duì)有絲分裂、減數(shù)分裂、遺傳規(guī)律等知識(shí)的理解和鞏固，對(duì)于學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)遺傳的本質(zhì)非常重要。學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容之前，已經(jīng)掌握了有絲分裂、減數(shù)分裂、基因是具有遺傳效應(yīng)的DNA片段、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)等知識(shí)，具有一定認(rèn)知基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容，不僅可以讓學(xué)生對(duì)DNA有更深一步的認(rèn)識(shí)，更重要的是可以促進(jìn)學(xué)生形成“結(jié)構(gòu)與功能觀”的生命觀念和科學(xué)的自然觀和世界觀，以及演繹、推理、分析、歸納、概括等科學(xué)思維，并且掌握科學(xué)探究的基本思路和方法。

2 教學(xué)目標(biāo)

基于教材分析、學(xué)情分析，以及課程標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容要求，并圍繞生物學(xué)核心素養(yǎng)，制定了如下教學(xué)目標(biāo)。

（1）生命觀念：通過(guò)對(duì)DNA復(fù)制方式的推測(cè)和驗(yàn)證，能夠用結(jié)構(gòu)和功能觀解釋DNA復(fù)制過(guò)程與復(fù)制特點(diǎn)。

（2）科學(xué)思維：通過(guò)假說(shuō)-演繹法推理DNA復(fù)制方式，表格歸納DNA復(fù)制過(guò)程，發(fā)展歸納總結(jié)、演繹推理的科學(xué)思維。

（3）科學(xué)探究：通過(guò)用同位素標(biāo)記法、密度梯度離心法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證DNA復(fù)制方式是半保留復(fù)制，提高實(shí)驗(yàn)探究能力以及團(tuán)隊(duì)合作能力。

（4）社會(huì)責(zé)任：通過(guò)對(duì)DNA復(fù)制方式、過(guò)程、意義的學(xué)習(xí)，能夠關(guān)注DNA復(fù)制的應(yīng)用，比如PCR擴(kuò)增、核酸檢測(cè)、親子鑒定等。

3 教學(xué)過(guò)程

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，引入新課

用沃森和克里克論文節(jié)選《核酸的分子結(jié)構(gòu)》導(dǎo)入，在論文結(jié)尾有這樣一句話(huà)“值得注意的是，我們提出的這樣堿基特異性配對(duì)方式，暗示著遺傳物質(zhì)進(jìn)行復(fù)制的一種可能機(jī)制?！币源藶椴牧咸岢鰡?wèn)題：①堿基互補(bǔ)配對(duì)原則暗示DNA的復(fù)制機(jī)制可能是怎樣的呢？②這句話(huà)中為什么要用“可能”二字，反應(yīng)了科學(xué)研究具有什么特點(diǎn)？

設(shè)計(jì)意圖：以沃森和克里克在論文中的推測(cè)提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣從DNA結(jié)構(gòu)思考DNA復(fù)制方式，既與前一節(jié)有效銜接，順其自然引導(dǎo)學(xué)生推測(cè)DNA復(fù)制方式，又有利于培養(yǎng)學(xué)生結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。第二個(gè)問(wèn)題從科學(xué)本質(zhì)角度提問(wèn)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的求知態(tài)度。

3.2 假說(shuō)-演繹，探究DNA復(fù)制方式

a、提出問(wèn)題，作出假設(shè)。從DNA復(fù)制的的概念入手提出問(wèn)題，DNA復(fù)制是指以親代DNA為模板合成子代DNA的過(guò)程，即一個(gè)DNA變成兩個(gè)DNA，一個(gè)DNA分子有兩條鏈，那么兩個(gè)DNA分子則有四條鏈，這四條鏈分別是兩條母鏈和兩條子鏈，他們是如何組合從而形成兩個(gè)新的DNA分子呢？

引導(dǎo)學(xué)生做出兩種不同的假設(shè)，“①新合成的DNA是由母鏈和子鏈雜合組成；②新合成的DNA由母鏈與母鏈、子鏈與子鏈組成?！边@兩種假設(shè)分別對(duì)應(yīng)半保留復(fù)制和全保留復(fù)制。

設(shè)計(jì)意圖：由DNA復(fù)制概念提出問(wèn)題，基于學(xué)生熟悉知識(shí)提出的問(wèn)題，降低學(xué)生畏難情緒，提高課堂參與性，層層遞進(jìn)引導(dǎo)學(xué)生由淺入深，完成合理假設(shè)。通過(guò)提問(wèn)四條鏈如何組合，引導(dǎo)學(xué)生得出半保留和全保留兩種假設(shè)，問(wèn)題指向性明確，避免學(xué)生思維過(guò)于發(fā)散，進(jìn)而將問(wèn)題集中于本節(jié)教學(xué)重點(diǎn)。

b、演繹推理，實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。讓學(xué)生小組合作，對(duì)兩種不同的假設(shè)進(jìn)行演繹推理，推理DNA復(fù)制兩次的結(jié)果，并用不同顏色的卡紙分別表示母鏈和子鏈，建構(gòu)模型。邀請(qǐng)學(xué)生展示并解釋小組的推理過(guò)程和結(jié)果。

圖1 半保留復(fù)制推理結(jié)果

圖2 全保留復(fù)制推理結(jié)果

僅靠演繹推理不足以證明哪種假設(shè)正確，因此需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，提出如下問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)：

（1）檢驗(yàn)的基本思路是什么？觀察模型可知不同復(fù)制方式其復(fù)制得到的結(jié)果不一樣，因此可以檢驗(yàn)新合成的DNA。

（2）DNA肉眼不可見(jiàn)，應(yīng)該怎么辦？此前學(xué)習(xí)DNA是主要遺傳物質(zhì)一節(jié)時(shí)，用到“同位素標(biāo)記法”標(biāo)記DNA和蛋白質(zhì)，此處同樣可用“同位素標(biāo)記法”標(biāo)記DNA。

（3）是否需要區(qū)別標(biāo)記DNA？觀察模型可看出，采用不同顏色卡紙代表母鏈和子鏈，有意區(qū)分了母鏈和子鏈，因此，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也需要區(qū)別標(biāo)記母鏈和子鏈。

（4）如何區(qū)別標(biāo)記DNA？標(biāo)記DNA中的穩(wěn)定同位素，比如用15N標(biāo)記母鏈，14N標(biāo)記子鏈，15N密度比14N大。

（5）用15N14N標(biāo)記的DNA單鏈有幾種組合方式呢？每個(gè)DNA分子有兩條鏈，因此有三種組合方式，分別是15N15N、15N14N、14N14N。

（6）這三種組合的DNA密度大小是怎樣的呢？15N15N>15N14N >14N14N

（7）單個(gè)DNA標(biāo)記好以后如何區(qū)分開(kāi)？標(biāo)記物的差別是密度大小不同，因此可以用“密度梯度離心法”。

（8）密度梯度離心以后，會(huì)在試管中出現(xiàn)不同的帶狀分布，密度最大的15N15N標(biāo)記DNA會(huì)出現(xiàn)在試管下部，叫做重帶，其他兩種標(biāo)記組合的DNA離心后會(huì)呈現(xiàn)在試管的什么區(qū)域呢？15N14N出現(xiàn)在試管中部，叫中帶，14N14N最輕，出現(xiàn)在試管上部，叫輕帶。

季羨林教授“偷”時(shí)間最為辛苦。他曾長(zhǎng)期兼任大學(xué)系主任和副校長(zhǎng)職務(wù)，不得不出席很多會(huì)議，這對(duì)于一個(gè)惜時(shí)如金的學(xué)者來(lái)說(shuō)是很痛苦的。但他也有自己的辦法，除了早起晚睡、加班加點(diǎn)，他還在一些無(wú)關(guān)緊要的會(huì)議期間想自己的學(xué)問(wèn)，為文章打腹稿，列提綱，就利用這偷出來(lái)的時(shí)間，他寫(xiě)出了好幾本膾炙人口的散文集。

（9）將大腸桿菌放在含有15NH4Cl的培養(yǎng)液中生長(zhǎng)若干代，提取DNA并離心，試管中的帶狀分布是怎樣的呢？因?yàn)樯L(zhǎng)若干代以后提取出的DNA都是含有15N15N標(biāo)記，因此離心后試管結(jié)果為只有重帶。

（10）將含有15N15N標(biāo)記DNA的大腸桿菌轉(zhuǎn)移到含有14NH4Cl的培養(yǎng)液中培養(yǎng)，新合成的子鏈所帶標(biāo)記是什么?新合成的子鏈所帶標(biāo)記是14N。

（11）若細(xì)胞分裂一次，提取DNA并離心，試管中結(jié)果如何？若細(xì)胞再分裂一次，提取DNA并離心，試管中結(jié)果又是怎樣的呢？請(qǐng)根據(jù)模型推測(cè)兩種不同復(fù)制方式實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果。

設(shè)計(jì)意圖：小組合作建構(gòu)模型，既可以促進(jìn)學(xué)生之間的合作交流，培養(yǎng)團(tuán)結(jié)合作精神，又能將抽象復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)具體化形象化，利于學(xué)生理解。問(wèn)題層層遞進(jìn)，環(huán)環(huán)相扣，引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維，掌握基本的科學(xué)探究思路和方法。

c、得出結(jié)論。將學(xué)生推測(cè)出的兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果與科學(xué)家所做實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而得出結(jié)論“DNA分子通過(guò)半保留方式進(jìn)行復(fù)制”，請(qǐng)學(xué)生根據(jù)剛才的實(shí)驗(yàn)和模型用語(yǔ)言歸納半保留復(fù)制概念。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)自己實(shí)驗(yàn)探究得出的結(jié)論，更容易獲得學(xué)生認(rèn)同和理解，半保留復(fù)制的概念也不是由教師給出，而是學(xué)生經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)探究以后自己用語(yǔ)言概括，這使概念的形成經(jīng)過(guò)形象化感知、外部言語(yǔ)、再到內(nèi)部言語(yǔ)這樣一個(gè)過(guò)程，符合概念教學(xué)基本途徑，利于學(xué)生理解和掌握新概念。

3.3 問(wèn)題探討，探究DNA復(fù)制過(guò)程

DNA復(fù)制過(guò)程具體是怎樣的呢，閱讀教材以后回答下列問(wèn)題：

（2）DNA復(fù)制的時(shí)間是什么時(shí)候？

（3）DNA復(fù)制過(guò)程中雙鏈?zhǔn)欠裥枰蜷_(kāi)？

（4）雙鏈?zhǔn)侨绾未蜷_(kāi)的呢？

（5）雙鏈打開(kāi)過(guò)程中破壞了什么鍵？

（6）子鏈合成需要什么酶？

（7）子鏈合成所需要的原料是什么？

（8）子鏈合成是隨意的嗎？是否遵循什么原則？

（9）觀看DNA復(fù)制視頻，找出DNA復(fù)制過(guò)程的特點(diǎn)是什么？

（10）跟著DNA復(fù)制的無(wú)聲視頻，回答DNA復(fù)制過(guò)程是怎樣的？

設(shè)計(jì)意圖：上述問(wèn)題主要圍繞雙鏈打開(kāi)和子鏈合成兩個(gè)方向，以問(wèn)題拆分的方式將知識(shí)點(diǎn)細(xì)化，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考DNA復(fù)制過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)，并從教材、模型和視頻素材中找到答案，培養(yǎng)學(xué)生獲取信息和篩選信息的能力。根據(jù)視頻解說(shuō)DNA復(fù)制過(guò)程，將內(nèi)在的理解轉(zhuǎn)換為外顯的語(yǔ)言，加深學(xué)生理解的同時(shí)，幫助學(xué)生再次理清DNA復(fù)制過(guò)程，將知識(shí)點(diǎn)完全內(nèi)化，同時(shí)更正學(xué)生解說(shuō)過(guò)程中的遺漏或錯(cuò)誤知識(shí)點(diǎn)，做到查漏補(bǔ)缺，及時(shí)鞏固。

3.4 課堂小結(jié)，歸納建構(gòu)

利用表格對(duì)本節(jié)課所學(xué)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行歸納鞏固，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)此前所學(xué)內(nèi)容以及生活經(jīng)驗(yàn)思考DNA復(fù)制的生物學(xué)意義和社會(huì)應(yīng)用。

（1）DNA能夠精確復(fù)制的原因是什么？

（2）結(jié)合有絲分裂和減數(shù)分裂思考DNA半保留精確復(fù)制的生物學(xué)意義是什么？

（3）請(qǐng)用所學(xué)內(nèi)容解釋親子間相似性的原因是什么？

（4）思考DNA復(fù)制在當(dāng)今社會(huì)有哪些應(yīng)用？

設(shè)計(jì)意圖：表格歸納總結(jié)，建構(gòu)知識(shí)框架，不僅幫助學(xué)生厘清知識(shí)之間的邏輯關(guān)系，也培養(yǎng)學(xué)生歸納總結(jié)的科學(xué)思維和良好習(xí)慣。結(jié)合所學(xué)知識(shí)，思考DNA復(fù)制生物學(xué)意義，結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)和社會(huì)熱點(diǎn)話(huà)題，思考DNA復(fù)制的社會(huì)應(yīng)用，不僅是在引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)，主動(dòng)建構(gòu)、完善知識(shí)框架，同時(shí)也是在引導(dǎo)學(xué)生將課堂知識(shí)與社會(huì)生活相聯(lián)系，能夠?qū)W以致用，落實(shí)生物學(xué)核心素養(yǎng)中的社會(huì)責(zé)任。

4 教學(xué)反思

本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)基于課程標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容要求和生物學(xué)核心素養(yǎng)落實(shí)要求，采用PBL教學(xué)法，以問(wèn)題為導(dǎo)向，以學(xué)生為中心[2]，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，提高學(xué)生課堂積極性、主動(dòng)性的同時(shí)，對(duì)學(xué)生邏輯思維、合作探究能力進(jìn)行培養(yǎng)。教學(xué)過(guò)程中創(chuàng)設(shè)真實(shí)探究情景，激發(fā)學(xué)生興趣，感受學(xué)習(xí)快樂(lè)，根據(jù)假說(shuō)演繹法的五個(gè)步驟探究DNA復(fù)制方式，引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)探究基本方法，培養(yǎng)科學(xué)思維。課堂中引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)模型，提高動(dòng)手動(dòng)腦實(shí)踐操作能力的同時(shí)，將復(fù)雜抽象的知識(shí)形象化、直觀化，利于學(xué)生理解。