核心素養導向下的課程整合教學模式初探
——以“DNA的復制”復習課為例

文可佳

(北京市十一學校 北京 100039)

1 教材分析

在生命觀念、科學思維與科學探究的生物學學科核心素養的導向下，學生對生物學知識的理解不應僅停留在割裂的簡單記憶，而是應深度思考這些知識是如何在科學探究的過程中，通過邏輯推理逐漸獲得的；以及不同生物學知識之間有著怎樣的內在關系，從而形成生物學大概念。為此，本文以人教版高中生物學教材必修2“遺傳與進化”第3章第3節“DNA的復制”復習課為例，突破傳統復習課以教師進行知識梳理與灌輸為主的授課方式，充分挖掘DNA復制、細胞衰老與凋亡、細胞癌變等內容之間的內在聯系，以發表于國際期刊的原始文獻以及科學史經典實驗為材料，開發了以學生課上自主探究為主的探究教學模式。以期學生在課程結束時，能夠將DNA復制與高中生物學中其他相關內容聯系起來，具備知識的系統性與宏觀性；閱讀新材料、分析實驗結果、從中得出科學的假設并提出進一步研究方案的能力有所提升；同時能夠從進化的角度積極思考現有DNA復制方式的生物學意義。

2 教學目標

依據課程標準的內容要求、學業要求和學業質量標準，圍繞培養學生核心素養的要求，制訂了如下教學目標：

(1) 通過對真核生物與原核生物DNA復制機制異同的討論，初步形成結構與功能觀，以及適應與進化觀。

(2) 根據數據信息，推斷出真核生物DNA末端復制問題與細胞衰老、癌變之間的關系，提升科學思維能力。

(3) 通過對1980年前后，細胞如何解決末端復制問題兩個假說實驗驗證的討論，體會科學探究的一般過程與方法。

(4) 能夠從DNA末端復制問題與端粒酶的角度提出具體的腫瘤治療方案。

3 教學過程

整體教學思路如圖1所示，在核心素養導向下，以學生形成生物學大概念為學習目標，用學生自主探究學案為載體，將以學生為主體的自主探究活動有機融入到日常課堂教學中，形成基于課程整合的探究教學模式。

圖1 基于課程整合的探究教學模式

3.1 通過回顧已有知識導入 請學生回顧DNA的半保留復制、邊解旋邊復制等DNA復制特點的內容，進而介紹DNA復制的另一特點，即： 新鏈延伸需要有RNA引物，引入探究課。

3.2 假設： DNA末端復制問題如何解決 請學生思考，細胞將如何處理DNA復制過程中如(圖2左)所示的RNA引物？學生思考后可知，細胞會將RNA引物切除，導致隨DNA復制次數增加，染色體5′端逐漸缺失(如圖2右)。真核生物染色體末端的結構稱為端粒，端粒隨DNA復制而縮短的現象稱為DNA的末端復制問題。

圖2 DNA復制過程中需要RNA引物

1980年前后，針對真核細胞如何解決末端復制問題，科研人員曾提出兩個假說(圖3)： ①細胞依賴同源重組機制(含有高度相似性序列的DNA分子之間重新組合)延伸端粒；②每種生物均存在專門的酶來復制端粒DNA。

圖3 關于DNA末端復制問題如何解決的兩個假說[1]

學生分組討論： 科研人員將帶有四膜蟲端粒(序列為TTGGGG)的人工染色體導入酵母(端粒序列為TTGGGG)中，若假說①成立，請預測四膜蟲端粒后面加上的序列是什么？若假說②成立，預測四膜蟲端粒后面加上的序列是什么？學生討論后可知，若同源重組假說成立，則四膜蟲端粒后面加上的應該是高度相似的四膜蟲本身的端粒序列；若假說②成立，則酶可從無到有合成端粒，四膜蟲端粒后面加上的可能是酵母的端粒序列。科學家在操作了該實驗之后，發現四膜蟲端粒后面實際加上的是酵母端粒序列，該實驗結果支持假說②，即酵母中存在專門的酶來復制端粒DNA，該類酶后被命名為端粒酶。

如圖4所示，端粒酶由RNA組分和蛋白質組分構成。請學生據圖觀察： ①端粒酶的RNA部分具有什么序列特征？②推測端粒酶的蛋白質組分具有什么功能？③請畫出端粒酶補齊真核生物染色體末端的主要步驟。學生討論后教師總結： 端粒酶的RNA與染色體末端的較長鏈互補，蛋白質組分為逆轉錄酶，由此，端粒酶補齊染色體末端的步驟為： 逆轉錄酶以RNA作為模板將端粒較長鏈繼續延伸，RNA引物結合于延伸后的較長鏈，DNA聚合酶在RNA引物后延伸新鏈，補齊端粒。

圖4 端粒酶的結構[2]

3.3 推理： DNA末端復制問題與細胞衰老、癌變的關系 科研人員發現，人體生殖細胞和干細胞中具有端粒酶活性，因此端粒長度可維持在一定水平；在人體正常體細胞中，端粒酶幾乎無活性，因此端粒長度逐漸縮短；若在體細胞中檢測到端粒酶活性，則該細胞將轉變為癌細胞(圖5)。由此請學生推測，DNA末端復制問題與細胞衰老、癌變之間的關系。

圖5 不同細胞中的端粒酶活性

學生討論后教師總結，真核生物存在的DNA末端復制問題，導致正常體細胞在沒有端粒酶活性的情況下，端粒長度隨分裂次數增加而縮短。由此，正常細胞具有海弗里克極限，即細胞至多分裂50代即走向衰老。若正常細胞的原癌基因和抑癌基因同時突變，則導致細胞內端粒酶活性增加，DNA末端復制問題得以解決，因此細胞可以無限分裂，轉變為不死的癌細胞(圖6)。

圖6 DNA末端復制問題與細胞衰老、癌變間的關系[3]

3.4 設計： 從DNA復制角度提出可能的腫瘤治療方案 學生分組，請學生從端粒酶的角度提出兩條具體的腫瘤治療方案。學生回答后，教師總結： 若從端粒酶RNA的角度考慮，可將RNA模板的堿基突變掉，或者引入與端粒末端長鏈互補的反義核苷酸鏈，阻斷端粒酶中RNA的模板作用。若從端粒酶蛋白的角度考慮，可用競爭性抑制劑或非競爭性抑制劑抑制端粒酶蛋白的逆轉錄功能(圖7)。

圖7 從DNA復制角度提出的可能的腫瘤治療方案

3.5 歸因： 從生物進化的角度看DNA復制有何生物學意義 最后請學生思考： 原核生物有末端復制問題嗎？據此推測，真核生物進化出現的DNA復制方式有什么生物學意義？教師總結： 原核生物DNA為環狀，無線性染色體及端粒結構導致原核生物無末端復制問題。真核生物多為多細胞生物，個體的生存與繁衍需要細胞的代謝和死亡，群體的進化需要個體的死亡，由此例總結核心素養中適應與進化的生命觀念。

4 教學反思

核心素養導向下的高三復習課，教師需要更多地考慮學生在本節復習后是否能夠將高中課程中的相關內容進行整體串聯，認識到不同知識之間的內在聯系，從而令知識具有宏觀性和系統性，增加學生在復習課中的實際所得。本節基于課程整合的自主探究式教學實施之后，發現此方式可讓學生自己探索并歸納出不同知識內容之間的內在邏輯關系，利于學生形成知識系統性。該教學方式的進一步改善方向為： 設置更加具體的問題串，循循善誘，給學生充足的時間思考，總結出具體的邏輯推理思路和過程。

將培養學生科學思維和科學探究的生物學學科核心素養的目標落實。