指向?qū)W生科學(xué)思維發(fā)展的“DNA的復(fù)制”教學(xué)設(shè)計(jì)

摘要：在“DNA的復(fù)制”一節(jié)的教學(xué)中，學(xué)生基于DNA的結(jié)構(gòu)，提出DNA復(fù)制的猜想，小組合作歷經(jīng)材料選擇、方法設(shè)計(jì)、預(yù)期結(jié)果、得出結(jié)論等科學(xué)探究過程尋找實(shí)驗(yàn)證據(jù)，發(fā)展演繹推理的科學(xué)思維；通過構(gòu)建模型動(dòng)態(tài)模擬、體驗(yàn)DNA復(fù)制的過程，化抽象為直觀。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維；模型構(gòu)建；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；演繹推理

文章編號(hào)：1003-7586（2024）02-0053-04 中圖分類號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1教材分析及設(shè)計(jì)思路

“DNA的復(fù)制”是人教版《普通高中教科書生物學(xué)必修2遺傳與進(jìn)化》第3章第3節(jié)的內(nèi)容。本章內(nèi)容是學(xué)生在理解遺傳的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)后，對于遺傳物質(zhì)化學(xué)本質(zhì)的探究。經(jīng)過前兩節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生明白DNA之所以能儲(chǔ)存遺傳信息與其獨(dú)特的雙螺旋結(jié)構(gòu)密不可分。本節(jié)內(nèi)容從DNA的結(jié)構(gòu)出發(fā)，探究DNA的復(fù)制方式，有助于學(xué)生理解遺傳信息穩(wěn)定傳遞的意義，進(jìn)而建立相應(yīng)的生命觀念，也為學(xué)生理解DNA與基因的關(guān)系以及基因是如何發(fā)揮作用的做鋪墊。本節(jié)內(nèi)容包含“對DNA復(fù)制的推測”“DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)證據(jù)”以及“DNA復(fù)制的過程”三部分，本節(jié)內(nèi)容浸透了科學(xué)家的思維智慧，是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維，提升核心素養(yǎng)的絕佳素材，也對學(xué)生結(jié)構(gòu)和功能觀、遺傳和進(jìn)化觀的形成與發(fā)展有著重要意義。

高中生物課堂中，教師對科學(xué)史素材處理不當(dāng)就會(huì)落入“紙上談兵”的境地，因而教師要盡可能創(chuàng)造真實(shí)的科學(xué)探究情境，讓學(xué)生經(jīng)歷做出假說－材料選擇－方法設(shè)計(jì)－流程總結(jié)的實(shí)驗(yàn)流程，設(shè)計(jì)有思維梯度和深度的問題，積極思考實(shí)驗(yàn)中面臨的各種問題，預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，從而培養(yǎng)學(xué)生高階思維能力。與此同時(shí)，教師借助簡單明了的模型，呈現(xiàn)DNA復(fù)制的動(dòng)態(tài)過程，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)思維可視化。

2教學(xué)目標(biāo)

基于《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》的內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求及學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，圍繞培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的要求，制訂了如下教學(xué)目標(biāo)：

（1）結(jié)合DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，對DNA復(fù)制的方式做出假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究DNA復(fù)制的方式，認(rèn)同DNA復(fù)制方式與其結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，發(fā)展歸納與概括的科學(xué)思維，提升小組合作進(jìn)行科學(xué)探究的能力。

（2）基于假說預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)展演繹與推理的科學(xué)思維，培養(yǎng)解決科學(xué)問題的能力。

（3）小組合作，嘗試構(gòu)建DNA半保留復(fù)制的動(dòng)態(tài)模型，認(rèn)同DNA的復(fù)制需要物質(zhì)和能量以及半保留復(fù)制對于親子代間遺傳物質(zhì)一致性的重要意義，發(fā)展模型構(gòu)建的能力。

（4）關(guān)注不健康的生活方式對DNA復(fù)制的不良影響，促進(jìn)健康生活基本觀念的形成與發(fā)展。

3教學(xué)過程

3.1溫故知新，提出猜想

學(xué)生根據(jù)教師發(fā)放的如圖1所示的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)平面模型，回憶DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)。教師總結(jié)，DNA能儲(chǔ)存遺傳信息與其獨(dú)特的雙螺旋結(jié)構(gòu)密不可分。提出問題：DNA是如何傳遞遺傳信息的？教師呈現(xiàn)資料：沃森和克里克在發(fā)表的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的那篇著名短文的結(jié)尾處寫道“在提出堿基特異性配對的看法后，我們立即叉提出了遺傳物質(zhì)進(jìn)行復(fù)制的一種可能機(jī)理。”根據(jù)DNA的結(jié)構(gòu)，結(jié)合堿基互補(bǔ)配對原則猜測DNA的復(fù)制機(jī)制可能是怎樣的？

隨后，教師出示紅色和藍(lán)色軟磁鐵代表DNA的母鏈和子鏈，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)猜想，模擬構(gòu)建子代DNA兩條鏈的組成情況?；趯W(xué)生的構(gòu)建情況，提出DNA半保留復(fù)制和全保留復(fù)制兩種假說，引導(dǎo)學(xué)生分析兩種假說的區(qū)別在于母鏈和子鏈的組合情況不同。

設(shè)計(jì)思路：回憶DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識(shí)，通過舊知導(dǎo)新知，引入DNA復(fù)制方式的兩種假說。此時(shí)并不要求學(xué)生推測出正確的復(fù)制方式，只需要引導(dǎo)學(xué)生從結(jié)構(gòu)出發(fā)思考問題，激發(fā)學(xué)生的求知欲。

3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，尋找證據(jù)

推測可以大膽，但得出結(jié)論需要建立在確鑿的證據(jù)之上。具體教學(xué)設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

教師提供四種可供選擇的材料；噬菌體、人口腔上皮細(xì)胞、大腸桿菌、小鼠胚胎干細(xì)胞。學(xué)生討論問題1，比較分析各材料的特點(diǎn)。高度分化的口腔上皮細(xì)胞無法繼續(xù)分裂，DNA無法復(fù)制。其余三種材料都能進(jìn)行DNA的復(fù)制，但噬菌體和大腸桿菌結(jié)構(gòu)簡單，遺傳物質(zhì)含量少，更利于研究。教師呈現(xiàn)資料l，學(xué)生認(rèn)同大腸桿菌是更加恰當(dāng)?shù)倪x材。

結(jié)合赫爾希和蔡斯實(shí)驗(yàn)，學(xué)生討論問題2，得出可以采用同位素標(biāo)記法。教師呈現(xiàn)資料2，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生討論問題3。學(xué)生結(jié)合教師引導(dǎo)得出：用含15N的培養(yǎng)液培養(yǎng)大腸桿菌，更換培養(yǎng)液，用含14N的培養(yǎng)液再培養(yǎng)大腸桿菌。由于蛋白質(zhì)也含有N，故除了DNA，還有蛋白質(zhì)等物質(zhì)被標(biāo)記，因而需要破碎細(xì)胞提取DNA。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生討論問題4，提出使用差速離心法。教師解釋：差速離心法對于分離相對分子質(zhì)量差異較大的物質(zhì)效果較好，而被同位素標(biāo)記的DNA分子質(zhì)量差異較小，因而需要一種新的分離技術(shù)。教師呈現(xiàn)資料3。學(xué)生結(jié)合資料，分析得出分離DNA的方法：密度梯度離心技術(shù)。教師總結(jié)：同學(xué)們的設(shè)計(jì)與梅塞爾森與斯塔爾的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路不謀而合，并呈現(xiàn)梅塞爾森與斯塔爾的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程。

設(shè)計(jì)思路：教師通過設(shè)計(jì)遞進(jìn)的問題串，引導(dǎo)學(xué)生層層深入地進(jìn)行材料選擇與方法設(shè)計(jì)，最后總結(jié)設(shè)計(jì)思路，提升運(yùn)用假說演繹法分析和解決問題的能力，同時(shí)感悟科學(xué)探究的魅力。

3.3演繹推理，預(yù)測結(jié)果

若DNA半保留復(fù)制的假說正確，子一代和子二代會(huì)出現(xiàn)怎樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？學(xué)生用不同顏色的軟磁鐵在白板上表示出子一代和子二代DNA標(biāo)記情況（紅色表示含15N的脫氧核苷酸鏈，藍(lán)色表示含14N的脫氧核苷酸鏈）。學(xué)生小組展示，如圖3所示，并進(jìn)行組間評價(jià)。教師展示梅塞爾森與斯塔爾實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖4所示。

學(xué)生比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與半保留復(fù)制方式的預(yù)期結(jié)果相符，得出結(jié)論：大腸桿菌DNA的復(fù)制方式是半保留復(fù)制。結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，子三代與子四代輕帶顏色加深。教師引導(dǎo)學(xué)生嘗試解釋：為什么隨著分裂次數(shù)的增多，輕帶的占比越來越多呢？教師追問：實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠排除DNA的全保留復(fù)制假說嗎？為何在研究子一代之后還要進(jìn)一步研究子二代的DNA組成情況呢？學(xué)生討論得出答案，培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性與科學(xué)性。

設(shè)計(jì)思路：梅塞爾森與斯塔爾的實(shí)驗(yàn)被某些科學(xué)家稱為生物學(xué)最美麗的實(shí)驗(yàn)，其巧妙地將同位素標(biāo)記法與密度梯度離心技術(shù)相結(jié)合，用看似簡單的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出最直觀的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。與此同時(shí)，對于DNA復(fù)制方式的研究過程歷經(jīng)提出問題、做出假說、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、演繹推理、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析，是學(xué)生理解假說－演繹法、發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的又一例良好素材。問題串的設(shè)計(jì)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的思維，讓學(xué)生跨時(shí)空與科學(xué)家進(jìn)行思維的碰撞。

3.4建模模擬，體驗(yàn)過程

教師提供資料：解旋酶是一類解開氫鍵的酶，是由ATP水解供給能量來解開DNA雙鏈的酶。DNA聚合酶能催化游離的脫氧核苷酸結(jié)合到延伸中的已有脫氧核苷酸鏈的3’端。學(xué)生結(jié)合資料歸納DNA復(fù)制的條件，分析子鏈延伸的方向。結(jié)合分析，利用教師提供的模具，小組合作，用模型建構(gòu)，模擬DNA半保留復(fù)制的過程，如圖5所示。

教師觀察各小組構(gòu)建情況，小組結(jié)合模型說出DNA復(fù)制的過程，學(xué)生組間點(diǎn)評，發(fā)現(xiàn)問題：子鏈的延伸方向是什么？兩條子鏈?zhǔn)峭瑫r(shí)開始延伸的嗎？教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步分析資料，確定兩條子鏈同時(shí)延伸，子鏈的延伸方向都是由5'-3'。學(xué)生觀察最終出現(xiàn)的子代DNA，討論問題5：為什么DNA能精確地將遺傳信息傳遞給子代？認(rèn)同DNA的兩條鏈充當(dāng)模板，依靠堿基互補(bǔ)配對合成子鏈，這樣的方式使得遺傳信息能夠精確傳遞。

設(shè)計(jì)思路：注重對子鏈延伸方向的理解，結(jié)合學(xué)生的模型構(gòu)建過程，引導(dǎo)學(xué)生理解DNA復(fù)制的特點(diǎn)與過程，認(rèn)同DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)和堿基互補(bǔ)配對原則保證了DNA復(fù)制的精確性。

3.5資料補(bǔ)充，深化理解

生物體內(nèi)DNA復(fù)制的情況要遠(yuǎn)比我們模擬的更加復(fù)雜。教師呈現(xiàn)果蠅DNA復(fù)制的電鏡照片，如圖6所示。學(xué)生結(jié)合圖片思考：DNA復(fù)制的過程還具有怎樣的特點(diǎn)？推測果蠅DNA形成多個(gè)復(fù)制泡的原因。

學(xué)生討論得出：DNA復(fù)制還具有邊解旋邊復(fù)制以及多起點(diǎn)復(fù)制的特點(diǎn)，多個(gè)復(fù)制泡的形成提高了DNA復(fù)制的效率。

3.6聯(lián)系生活，啟示自身

教師呈現(xiàn)資料：雖然DNA復(fù)制通過堿基互補(bǔ)配對在很大程度上保證了復(fù)制的準(zhǔn)確性，但是，DNA平均每復(fù)制10個(gè)堿基對，就會(huì)產(chǎn)生1個(gè)錯(cuò)誤。提問：熬夜、經(jīng)常吃油炸食品會(huì)增大DNA復(fù)制出錯(cuò)的概率，由此你得到了什么啟示？

設(shè)計(jì)思路：結(jié)合資料，關(guān)注不健康的生活方式對DNA復(fù)制的不良影響，促進(jìn)健康生活基本觀念的形成與發(fā)展。

4教學(xué)反思

本節(jié)課程蘊(yùn)含著科學(xué)家的探究智慧，適當(dāng)挖掘?qū)嶒?yàn)中的細(xì)節(jié)能夠進(jìn)一步調(diào)動(dòng)學(xué)生的探究熱情，啟發(fā)學(xué)生深入思考，認(rèn)同實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的精巧，加強(qiáng)小組合作的能力。與此同時(shí)，軟磁鐵、白板以及DNA模具的使用使學(xué)生思維可視化，在深化理解的基礎(chǔ)上便于教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的思維誤區(qū)。在教學(xué)實(shí)施中，要注意觀察學(xué)生小組討論的狀態(tài)與結(jié)果、模型構(gòu)建的情況，捕捉學(xué)生問題的生成，更能夠激發(fā)課堂活力，讓學(xué)生思維更加活躍。