基于回溯推理的“DNA的復制”課堂教學

鄧文殊

摘 要 敘述教師在“DNA的復制”一節(jié)教學中有意識地運用回溯推理法，貼近學生實際，引起他們的共鳴，喚起他們的參與意識，取得良好的教學效果。

關鍵詞 回溯推理 DNA復制 課堂教學

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

“DNA的復制”一節(jié)在教材中占有十分重要的地位，同時由于其過程較微觀、抽象，學生往往較難理解。在實際教學中，筆者借助回溯推理的方法，通過由果溯因的推理，在讓學生體味科學思維方法的同時，加深對課本知識的理解。

1 課堂實錄

師（屏幕上出現2個完全一樣的DNA雙螺旋結構模式圖）：屏幕上這兩個DNA分子，它們看起來很像，但如果我告訴大家，它們是兩個不同的DNA分子，那么你認為它們的不同表現在哪里？

生：堿基排列順序可能不同。

師：很好。我們已經知道，在細胞有絲分裂間期，必須完成DNA分子的復制，復制的結果是什么？

生：形成2個完全一樣的DNA分子。

師：（課件顯示復制結果）對。那么，完全一樣的關鍵是什么？

生：堿基排列順序完全相同。

師：現在問題來了：DNA分子為雙螺旋結構，且堿基位于螺旋的內側，你認為在復制過程中怎樣才能讀出堿基的排列順序？

學生表現出茫然的神情。

師：（啟發(fā)）比如有一條名牌拉鏈，它的鏈牙很有特色，但現在它正處于閉合狀態(tài)，我們該如何研究它？

（學生熱烈討論，教師適時引導）

生1：DNA要準確復制，應該先把雙鏈解開。

生2：在此之前，螺旋應該先解開。

師：解開以后的兩條鏈一樣嗎？（生：不一樣，它們是互補關系）那么，把螺旋和雙鏈解開后，DNA要如何復制？是否如磨鑰匙一般，由每一條鏈為模板“磨”出另一條完全一樣的鏈？

生：不大可能。“磨”出兩條一模一樣的鏈，它們無法組成雙鏈。復制形成的應該是互補鏈比較合理。

師：怎么保證新形成的鏈與原來的鏈互補？

生：堿基互補配對原則。

師：好，根據剛才幾位同學的推斷，DNA復制過程大致是這樣的：①解開螺旋;②解開雙鏈;③以解開的每一條鏈為模板，按照堿基互補配對原則形成互補鏈，對嗎？

生：對。

師：大家的設想看起來很合理。那么，要完成這些過程，需要細胞提供什么條件？如果提供相應的條件，DNA能不能在體外完成復制呢？其實，早在1956年，美國生物化學家康貝格已經首次在試管中人工合成DNA。[課件顯示：實驗一：把大腸桿菌提取液加入到具有4種豐富的脫氧核苷酸的人工合成體系中。結果未發(fā)生DNA的合成。實驗二：再加入少量DNA做引子以及ATP后，再放在適宜的溫度和pH條件下培養(yǎng)一段時間，測定其中的DNA含量。結果，DNA數量增加了，且這些DNA的（A+T）/（C+G）的比值與所加入的DNA相同。]

師：請根據以上實驗結果推測DNA復制需要哪些條件，并說明理由。

生1：DNA復制需要模板。因為加入少量DNA做引子后才有DNA數量的增加，這些“引子”應該就是模板。

生2：DNA復制應該需要酶的催化，因為需要適宜的溫度和pH條件。奇怪，怎么沒有加入酶？

師：你的推斷非常正確，DNA復制確實需要酶的催化，酶就存在于大腸桿菌提取液中，它叫做DNA聚合酶。同學們也可以想一想這種酶的作用是什么。

生3：DNA復制是一個耗能的過程。理由是需要ATP。

生4：四種脫氧核苷酸應該是復制的原料。

生5：新形成的DNA結構應該與原來的DNA相同，因為它們的（A+T）/（C+G）的比值與相同。

師：通過剛才幾位同學的推理，我們對DNA的復制過程已經有了初步的概念了。下面我們一起總結一下DNA復制所需的條件（邊總結邊板書）：① 模板：以解開的每條單鏈分別作模板;② 原料：四種脫氧核苷酸;③ 能量：由ATP提供;④ 酶：DNA聚合酶。

師：還有幾個小問題需要進一步完善：① DNA的復制是以解開的每一條鏈為模板形成互補鏈，根據上節(jié)課我們所學的DNA兩條鏈的關系以及兩條鏈上堿基的連接方式，作為原料的脫氧核苷酸是怎么連接形成新鏈的？新合成的DNA怎么才能保證與原來一樣？黑板上有DNA一條鏈的片段，我們請一位同學把復制結果補充完整。

學生板畫（略）。

師：② DNA復制時首先要把兩條螺旋的雙鏈解開，包括使堿基之間的氫鍵斷裂，這一過程稱之為解旋。這一過程在體外一般可以通過加熱實現。想一想，在細胞中如何解旋？

生：應該要有酶的催化。

師：對。這種酶叫解旋酶。所以DNA復制過程所需的酶可不止DNA聚合酶一種，還要有解旋酶等（補充板書）。

師：③ 某DNA分子長36 mm，已知DNA復制速度約為4 μm/min，也就是說完成該DNA的復制約需要9 000 min，再加上解旋的時間，應該遠高于這個數值，但實際復制過程卻僅用了40 min。試推斷DNA復制過程快的原因。

師生共同總結：① 邊解旋邊復制;② 多起點分段復制。

師：④ 根據本節(jié)課的分析，我們知道復制后形成的兩個DNA分子都有一條鏈來自原來的DNA分子，另一條互補鏈是新合成的，這種復制方式稱為半保留復制。實際上在早期的研究中，科學家還提出了另一種全保留復制模型（為減少學生學習負擔，此處不提彌散復制模型）：作為模板的DNA的兩條母鏈分開，分別復制形成兩條DNA子鏈，此后兩條母鏈DNA彼此結合，恢復原狀，新合成的兩條子鏈彼此互補結合形成一條新的雙鏈DNA分子。請同學們課后閱讀課本52～53頁選學內容，思考相關實驗是如何驗證半保留復制的。

2 課后反思

2.1 關于回溯推理

通常情況下，人們通過事物變化的原因可知其結果;反之，知道了事物變化的結果，又可以推斷導致結果的原因。回溯推理法就是從事物的“果”倒回到事物的“因”的一種方法，這種思維方法在科學發(fā)現與發(fā)明、案件偵破以及考古發(fā)掘等方面都有廣泛的應用。

2.2 DNA復制教學符合進行回溯推理的條件

由于回溯推理是根據事物之間的因果關系進行的推測，因而，要進行回溯推理就必須具備有關事物因果關系的一般知識，只有具備了這方面的知識，才可以由某一結果推測其原因或從某一推斷去推論其理由。在此之前，學生已經學習了有絲分裂、減數分裂的內容，知道了分裂間期DNA分子要進行復制，復制的結果是形成2個完全一樣的DNA分子;學生已經具備了DNA雙螺旋結構的基本知識，知道了DNA兩條鏈之間的互補關系;再加上課堂上補充的康貝格實驗，學生可以根據這一系列的結果推斷出DNA復制的可能過程及所需條件。

2.3 與本模塊在能力培養(yǎng)方面的價值相契合

《普通高中生物課程標準（實驗）》指出，“生物2：遺傳與進化”模塊有助于學生“領悟假說演繹、建立模型等科學方法及其在科學研究中的應用”。根據美國邏輯學家、實用主義創(chuàng)始人皮爾士的理論，回溯推理是除了演繹和歸納以外的第三種推理類型，是科學研究中的一種重要的思維方法。教師有意識地將這一方法應用于教學，對訓練學生的科學思維是大有裨益的。

從以往的教學經驗看，本節(jié)課若采取傳統的教學手段，以教師的講授為主，輔以多媒體課件展示復制的動態(tài)過程，再加上適量的強化訓練，照樣可以取得很好的教學效果。但這往往使課堂陷于沉悶，也不利于學生科學素養(yǎng)的提高。這一代學生是看著《名偵探柯南》、《金田一》等漫畫及影視作品長大的，運用回溯推理手段進行教學極易引起他們的共鳴，喚起他們的參與意識，并在教師的不斷肯定中充分品嘗成功的喜悅，使整節(jié)課氣氛生動活潑，取得良好的教學效果。

2.4 最后的總結歸納很重要

由于整個教學過程通過師生對話層層展開，為了保持思維的連貫性，整堂課并沒有特意停下來對教學內容進行總結，導致學生的思維始終處于一種發(fā)散的狀態(tài)，因此在最后階段有必要留下5 min左右的時間對本節(jié)課的重點知識進行歸納整理，以幫助學生實現知識的內化。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中生物課程標準（實驗） [M].北京：人民教育出版社，2003.

[2] 吳光遠.受益一生的44種思維方法[M].北京：海潮出版社，2005.

[3] 繆四平.溯因推理及其在訴訟程序中的應用[J].江西社會科學，2011，9：159-165.