“遺傳信息的傳遞”一節的科學探究式教學設計

陳旭

摘 要：教師提供資料素材，為學生搭建知識支架，以“問題式導學”方式激發學生對DNA復制方式與機理的研究學習，提高科學探究素養。

關鍵詞：半保留復制科學探究染色體分配

1.教材分析及設計思路

“遺傳信息的傳遞”是浙科版生物學教材必修2第三章第三節內容，主要包括DNA半保留復制機理、DNA復制方式的科學探究實驗、真核細胞分裂與DNA復制的綜合分析、以及DNA復制的意義等。

其中DNA半保留復制機理、和DNA復制方式的科學探究實驗是這節內容的重點，真核細胞分裂與DNA復制的綜合分析是難點。在新課教學中要注意引導學生觀察對比文字、靜圖、視頻等素材，理解“半保留復制”過程，鼓勵動手繪制細胞分裂中染色體復制和分配模型，并嘗試站在實驗設計者的角度體會探究實驗的目的和過程。

為此，筆者在教學中以“問題導學法”為指引，以教材圖片及文字為基礎，以科學史資料和視頻為輔助，將“遺傳信息傳遞”的核心知識設置成形式多樣的問題與求解過程，實現以學生為主體的揭秘式學習，深化知識理解。

2.教學目標

2.1生命觀念目標：掌握DNA半保留復制方式，為中心法則的理解做好鋪墊。

2.2理性思維目標：構建DNA半保留復制的圖像模型，應用模型分析染色體的復制與分配。

2.3科學探究目標：分析DNA復制方式的探究實驗中不同假設下可能的結果，挖掘問題。

2.4社會責任目標：能科學解釋生物界普遍存在的遺傳現象。

3.教學過程

3.1創設情境，導入課題

抓取每個人都與其父母長相相似的生活情境，引起學生對DNA復制意義的關注，激起對DNA復制方式與機理的興趣，從而去探尋、去思考：DNA是以什么樣的方式實現精確復制的？

3.2探究猜想，揭秘課題

3.2.1提出問題，驗證假設遵循科學史發展邏輯，筆者先利用圖文資料介紹當時科學界對DNA復制方式的3種假說——半保留復制、全保留復制、彌散復制（圖1），再介紹密度梯度離心技術以及含有不同氮元素的DNA分子在離心管中的位置（圖2），最后交代在15NH4Cl或14NH4Cl溶液中培養大腸桿菌、研究DNA的實驗流程。

在以實驗為依據推斷復制方式時，設置以下幾個問題：你認為哪種復制方式的猜想最可能符合實際？實驗中將大腸桿菌轉移到14NH4Cl中培養到第1代時，3種猜想下的預測結果分別是怎樣的？需要培養到第幾代，可最終確定復制方式？若改為對DNA解旋后再離心分析，可以確定復制方式嗎？

通過上述一系列問題串的設置、資料呈現的方法，解決了對DNA復制方式的討論。過程中更是鼓勵、引導學生嘗試用實驗邏輯思維解決科學問題，并了解技術是推動科學發展的基本保障。然后再設置相應習題，加深理解。

3.2.2探明機理，呈現核心筆者預先準備有半保留復制動畫視頻、多起點復制和半不連續復制（岡崎片段）靜圖，和一些DNA復制有關的數據資料。通過系列素材為學生搭建支架，引導學生主動發現、走近DNA復制的底層機理中。

在解決DNA復制基本過程這一問題時，以視頻資料（圖3）輔助，設置以下幾個問題：DNA半保留復制的模板、原料是什么？主要涉及哪幾種酶？分別催化哪些反應？DNA復制的關鍵環節有哪些？DNA復制可能發生在細胞何處、何時？

在解決DNA復制特點這一問題時，拋出DNA長度（36mm）、子鏈延伸速率（4μm/min）、實際時間（40min）三個數據，激發學生思考快速復制的可能機制，然后借助經典的復制模式圖（圖4）進行討論。學生的討論圍繞著以下幾個問題：如何判斷復制起點和模板DNA解旋方向？為什么子鏈會進行半不連續復制？DNA能精確復制的原因是什么？

上述一系列問題的解決，除了對半不連續復制這一特點，需要筆者加以適當說明外，其他不需要筆者贅述，學生根據所給資料和動畫，即較容易理解復制過程和基本條件。上述從直觀到抽象的學習環節設置，符合一般的知識學習邏輯，有利于提高學生的學習熱情和課堂參與度，培養其理性思維能力。

3.2.3遷移應用，提升能力針對DNA半保留復制與DNA分子結構、細胞分裂中染色體行為整合為一體的問題解決，是對DNA復制機理的提升應用。前者基于對DNA結構的分析理解，較直觀易懂，后者對細胞分裂的理解提出了較高要求。

在解決這一教學難點時，設立情境如下：某細胞（15N標記其DNA）在僅含14N的培養液中完成2次有絲分裂、或1次減數分裂的過程中，復制所形成的各條染色單體所含DNA分子含有幾條15N標記的單鏈？一次分裂結束子細胞中有幾條染色體帶標記？有幾個子細胞含有帶標記的染色體？欲解決上述問題，須借助“圖像模型法”來進行分析（圖5）。要求學生自行動筆繪制DNA復制前后情況，而不是被動等待接受教師思路。而教師要充分允許學生在試錯、討論后，主動得出正確的結論。

第三代細胞可能有2種結果，即結果1、結果2。

這部分任務對學生要求較高，教師需要給予必要的且清晰的素材背景，更要“引誘”學生暴露出一些源自定式思維和易混淆概念的分析錯點，才能觸發學生對問題的思考和辨析。此后，學生便可基于相同思路順利解決“BrdU色差染色體”觀察實驗中的相關問題。

3.3巧用知識網絡，總結課題

知識網絡圖可以將整節課的眾多核心概念及遞進關系以直觀形式表達出來。在本節課結束時，要求學生以小組為單位，構建以“遺傳信息傳遞——DNA復制”為核心的知識網絡圖，借此完成對這節課題內容的梳理總結。

參考文獻：

【1】謝兆輝.基因概念的演繹[J]. 遺傳. 2010（05）