基于PBL教學模式的“DNA的復制”教學設計

◇云南師范大學生命學科學院 張躍文 李娟

基于PBL教學模式，以問題為導向，以學生為中心對高中生物學中“DNA的復制”這一節內容進行教學設計，通過假說-演繹法、建構模型、小組合作等方法，培養學生科學思維，掌握基本科學探究思路和方法，落實生物學核心素養的培養。

PBL（Problem-based learning）是一種以問題為導向的教學模式[1]。與傳統教學模式最大的不同是該教學模式倡導以學生為教學中心，不在是以教材為主的教本教學，而是以學生為中心的生本教學，是通過提前設計好的問題鏈引導學生主動的探索，積極參與課堂教學，主動的獲取知識。

1 教材分析及設計思路

“DNA的復制”是人教版普通高中生物學教材（2019年版）必修2 《遺傳與進化》第3章第3節內容。《普通高中生物學課程標準》（2017年版 2020年修訂）對本節內容的要求是“概述DNA分子通過半保留方式進行復制”。學好這一課時，有利于學生對有絲分裂、減數分裂、遺傳規律等知識的理解和鞏固，對于學生深刻認識遺傳的本質非常重要。學生在學習這部分內容之前，已經掌握了有絲分裂、減數分裂、基因是具有遺傳效應的DNA片段、DNA雙螺旋結構等知識，具有一定認知基礎，學習本節內容，不僅可以讓學生對DNA有更深一步的認識，更重要的是可以促進學生形成“結構與功能觀”的生命觀念和科學的自然觀和世界觀，以及演繹、推理、分析、歸納、概括等科學思維，并且掌握科學探究的基本思路和方法。

2 教學目標

基于教材分析、學情分析，以及課程標準內容要求，并圍繞生物學核心素養，制定了如下教學目標。

（1）生命觀念：通過對DNA復制方式的推測和驗證，能夠用結構和功能觀解釋DNA復制過程與復制特點。

（2）科學思維：通過假說-演繹法推理DNA復制方式，表格歸納DNA復制過程，發展歸納總結、演繹推理的科學思維。

（3）科學探究：通過用同位素標記法、密度梯度離心法設計實驗，驗證DNA復制方式是半保留復制，提高實驗探究能力以及團隊合作能力。

（4）社會責任：通過對DNA復制方式、過程、意義的學習，能夠關注DNA復制的應用，比如PCR擴增、核酸檢測、親子鑒定等。

3 教學過程

3.1 創設情境，引入新課

用沃森和克里克論文節選《核酸的分子結構》導入，在論文結尾有這樣一句話“值得注意的是，我們提出的這樣堿基特異性配對方式，暗示著遺傳物質進行復制的一種可能機制。”以此為材料提出問題：①堿基互補配對原則暗示DNA的復制機制可能是怎樣的呢？②這句話中為什么要用“可能”二字，反應了科學研究具有什么特點？

設計意圖：以沃森和克里克在論文中的推測提出問題，引導學生像科學家一樣從DNA結構思考DNA復制方式，既與前一節有效銜接，順其自然引導學生推測DNA復制方式，又有利于培養學生結構與功能相適應的生命觀念。第二個問題從科學本質角度提問，培養學生嚴謹務實的求知態度。

3.2 假說-演繹，探究DNA復制方式

a、提出問題，作出假設。從DNA復制的的概念入手提出問題，DNA復制是指以親代DNA為模板合成子代DNA的過程，即一個DNA變成兩個DNA，一個DNA分子有兩條鏈，那么兩個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新的DNA分子呢？

引導學生做出兩種不同的假設，“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。”這兩種假設分別對應半保留復制和全保留復制。

設計意圖：由DNA復制概念提出問題，基于學生熟悉知識提出的問題，降低學生畏難情緒，提高課堂參與性，層層遞進引導學生由淺入深，完成合理假設。通過提問四條鏈如何組合，引導學生得出半保留和全保留兩種假設，問題指向性明確，避免學生思維過于發散，進而將問題集中于本節教學重點。

b、演繹推理，實驗檢驗。讓學生小組合作，對兩種不同的假設進行演繹推理，推理DNA復制兩次的結果，并用不同顏色的卡紙分別表示母鏈和子鏈，建構模型。邀請學生展示并解釋小組的推理過程和結果。

圖1 半保留復制推理結果

圖2 全保留復制推理結果

僅靠演繹推理不足以證明哪種假設正確，因此需要進行實驗檢驗，提出如下問題，引導學生完成實驗檢驗：

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

（2）DNA肉眼不可見，應該怎么辦？此前學習DNA是主要遺傳物質一節時，用到“同位素標記法”標記DNA和蛋白質，此處同樣可用“同位素標記法”標記DNA。

（3）是否需要區別標記DNA？觀察模型可看出，采用不同顏色卡紙代表母鏈和子鏈，有意區分了母鏈和子鏈，因此，實驗過程中也需要區別標記母鏈和子鏈。

（4）如何區別標記DNA？標記DNA中的穩定同位素，比如用15N標記母鏈，14N標記子鏈，15N密度比14N大。

（5）用15N14N標記的DNA單鏈有幾種組合方式呢？每個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DNA標記好以后如何區分開？標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，會在試管中出現不同的帶狀分布，密度最大的15N15N標記DNA會出現在試管下部，叫做重帶，其他兩種標記組合的DNA離心后會呈現在試管的什么區域呢？15N14N出現在試管中部，叫中帶，14N14N最輕，出現在試管上部，叫輕帶。

季羨林教授“偷”時間最為辛苦。他曾長期兼任大學系主任和副校長職務，不得不出席很多會議，這對于一個惜時如金的學者來說是很痛苦的。但他也有自己的辦法，除了早起晚睡、加班加點，他還在一些無關緊要的會議期間想自己的學問，為文章打腹稿，列提綱，就利用這偷出來的時間，他寫出了好幾本膾炙人口的散文集。

（9）將大腸桿菌放在含有15NH4Cl的培養液中生長若干代，提取DNA并離心，試管中的帶狀分布是怎樣的呢？因為生長若干代以后提取出的DNA都是含有15N15N標記，因此離心后試管結果為只有重帶。

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

（11）若細胞分裂一次，提取DNA并離心，試管中結果如何？若細胞再分裂一次，提取DNA并離心，試管中結果又是怎樣的呢？請根據模型推測兩種不同復制方式實驗得到的結果。

設計意圖：小組合作建構模型，既可以促進學生之間的合作交流，培養團結合作精神，又能將抽象復雜的知識點具體化形象化，利于學生理解。問題層層遞進，環環相扣，引導學生完成實驗檢驗，培養學生科學思維，掌握基本的科學探究思路和方法。

c、得出結論。將學生推測出的兩種實驗結果與科學家所做實驗結果進行對比，從而得出結論“DNA分子通過半保留方式進行復制”，請學生根據剛才的實驗和模型用語言歸納半保留復制概念。

設計意圖：通過自己實驗探究得出的結論，更容易獲得學生認同和理解，半保留復制的概念也不是由教師給出，而是學生經過實驗探究以后自己用語言概括，這使概念的形成經過形象化感知、外部言語、再到內部言語這樣一個過程，符合概念教學基本途徑，利于學生理解和掌握新概念。

3.3 問題探討，探究DNA復制過程

DNA復制過程具體是怎樣的呢，閱讀教材以后回答下列問題：

（2）DNA復制的時間是什么時候？

（3）DNA復制過程中雙鏈是否需要打開？

（4）雙鏈是如何打開的呢？

（5）雙鏈打開過程中破壞了什么鍵？

（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復制視頻，找出DNA復制過程的特點是什么？

（10）跟著DNA復制的無聲視頻，回答DNA復制過程是怎樣的？

設計意圖：上述問題主要圍繞雙鏈打開和子鏈合成兩個方向，以問題拆分的方式將知識點細化，引導學生主動思考DNA復制過程中的關鍵點，并從教材、模型和視頻素材中找到答案，培養學生獲取信息和篩選信息的能力。根據視頻解說DNA復制過程，將內在的理解轉換為外顯的語言，加深學生理解的同時，幫助學生再次理清DNA復制過程，將知識點完全內化，同時更正學生解說過程中的遺漏或錯誤知識點，做到查漏補缺，及時鞏固。

3.4 課堂小結，歸納建構

利用表格對本節課所學知識點進行歸納鞏固，引導學生根據此前所學內容以及生活經驗思考DNA復制的生物學意義和社會應用。

（1）DNA能夠精確復制的原因是什么？

（2）結合有絲分裂和減數分裂思考DNA半保留精確復制的生物學意義是什么？

（3）請用所學內容解釋親子間相似性的原因是什么？

（4）思考DNA復制在當今社會有哪些應用？

設計意圖：表格歸納總結，建構知識框架，不僅幫助學生厘清知識之間的邏輯關系，也培養學生歸納總結的科學思維和良好習慣。結合所學知識，思考DNA復制生物學意義，結合生活經驗和社會熱點話題，思考DNA復制的社會應用，不僅是在引導學生將所學習的知識點串聯起來，主動建構、完善知識框架，同時也是在引導學生將課堂知識與社會生活相聯系，能夠學以致用，落實生物學核心素養中的社會責任。

4 教學反思

本節教學設計基于課程標準中的內容要求和生物學核心素養落實要求，采用PBL教學法，以問題為導向，以學生為中心[2]，引導學生主動學習，提高學生課堂積極性、主動性的同時，對學生邏輯思維、合作探究能力進行培養。教學過程中創設真實探究情景，激發學生興趣，感受學習快樂，根據假說演繹法的五個步驟探究DNA復制方式，引導學生掌握科學探究基本方法，培養科學思維。課堂中引導學生建構模型，提高動手動腦實踐操作能力的同時，將復雜抽象的知識形象化、直觀化，利于學生理解。