指向學生科學思維發展的“DNA的復制”教學設計

摘要：在“DNA的復制”一節的教學中，學生基于DNA的結構，提出DNA復制的猜想，小組合作歷經材料選擇、方法設計、預期結果、得出結論等科學探究過程尋找實驗證據，發展演繹推理的科學思維；通過構建模型動態模擬、體驗DNA復制的過程，化抽象為直觀。

關鍵詞：科學思維；模型構建；實驗設計；演繹推理

文章編號：1003-7586（2024）02-0053-04 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

1教材分析及設計思路

“DNA的復制”是人教版《普通高中教科書生物學必修2遺傳與進化》第3章第3節的內容。本章內容是學生在理解遺傳的細胞學基礎后，對于遺傳物質化學本質的探究。經過前兩節課的學習，學生明白DNA之所以能儲存遺傳信息與其獨特的雙螺旋結構密不可分。本節內容從DNA的結構出發，探究DNA的復制方式，有助于學生理解遺傳信息穩定傳遞的意義，進而建立相應的生命觀念，也為學生理解DNA與基因的關系以及基因是如何發揮作用的做鋪墊。本節內容包含“對DNA復制的推測”“DNA半保留復制的實驗證據”以及“DNA復制的過程”三部分，本節內容浸透了科學家的思維智慧，是發展學生科學思維，提升核心素養的絕佳素材，也對學生結構和功能觀、遺傳和進化觀的形成與發展有著重要意義。

高中生物課堂中，教師對科學史素材處理不當就會落入“紙上談兵”的境地，因而教師要盡可能創造真實的科學探究情境，讓學生經歷做出假說－材料選擇－方法設計－流程總結的實驗流程，設計有思維梯度和深度的問題，積極思考實驗中面臨的各種問題，預期實驗結果，得出實驗結論，從而培養學生高階思維能力。與此同時，教師借助簡單明了的模型，呈現DNA復制的動態過程，幫助學生實現思維可視化。

2教學目標

基于《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》的內容要求、學業要求及學業質量標準，圍繞培養學生核心素養的要求，制訂了如下教學目標：

（1）結合DNA的雙螺旋結構，對DNA復制的方式做出假設，設計實驗探究DNA復制的方式，認同DNA復制方式與其結構相適應，發展歸納與概括的科學思維，提升小組合作進行科學探究的能力。

（2）基于假說預期實驗結果，發展演繹與推理的科學思維，培養解決科學問題的能力。

（3）小組合作，嘗試構建DNA半保留復制的動態模型，認同DNA的復制需要物質和能量以及半保留復制對于親子代間遺傳物質一致性的重要意義，發展模型構建的能力。

（4）關注不健康的生活方式對DNA復制的不良影響，促進健康生活基本觀念的形成與發展。

3教學過程

3.1溫故知新，提出猜想

學生根據教師發放的如圖1所示的DNA雙螺旋結構平面模型，回憶DNA雙螺旋結構的主要特點。教師總結，DNA能儲存遺傳信息與其獨特的雙螺旋結構密不可分。提出問題：DNA是如何傳遞遺傳信息的？教師呈現資料：沃森和克里克在發表的DNA雙螺旋結構的那篇著名短文的結尾處寫道“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進行復制的一種可能機理。”根據DNA的結構，結合堿基互補配對原則猜測DNA的復制機制可能是怎樣的？

隨后，教師出示紅色和藍色軟磁鐵代表DNA的母鏈和子鏈，引導學生根據猜想，模擬構建子代DNA兩條鏈的組成情況。基于學生的構建情況，提出DNA半保留復制和全保留復制兩種假說，引導學生分析兩種假說的區別在于母鏈和子鏈的組合情況不同。

設計思路：回憶DNA雙螺旋結構的相關知識，通過舊知導新知，引入DNA復制方式的兩種假說。此時并不要求學生推測出正確的復制方式，只需要引導學生從結構出發思考問題，激發學生的求知欲。

3.2實驗設計，尋找證據

推測可以大膽，但得出結論需要建立在確鑿的證據之上。具體教學設計思路如圖2所示。

教師提供四種可供選擇的材料；噬菌體、人口腔上皮細胞、大腸桿菌、小鼠胚胎干細胞。學生討論問題1，比較分析各材料的特點。高度分化的口腔上皮細胞無法繼續分裂，DNA無法復制。其余三種材料都能進行DNA的復制，但噬菌體和大腸桿菌結構簡單，遺傳物質含量少，更利于研究。教師呈現資料l，學生認同大腸桿菌是更加恰當的選材。

結合赫爾希和蔡斯實驗，學生討論問題2，得出可以采用同位素標記法。教師呈現資料2，進一步引導學生討論問題3。學生結合教師引導得出：用含15N的培養液培養大腸桿菌，更換培養液，用含14N的培養液再培養大腸桿菌。由于蛋白質也含有N，故除了DNA，還有蛋白質等物質被標記，因而需要破碎細胞提取DNA。在此基礎上，學生討論問題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量差異較大的物質效果較好，而被同位素標記的DNA分子質量差異較小，因而需要一種新的分離技術。教師呈現資料3。學生結合資料，分析得出分離DNA的方法：密度梯度離心技術。教師總結：同學們的設計與梅塞爾森與斯塔爾的實驗設計思路不謀而合，并呈現梅塞爾森與斯塔爾的實驗設計流程。

設計思路：教師通過設計遞進的問題串，引導學生層層深入地進行材料選擇與方法設計，最后總結設計思路，提升運用假說演繹法分析和解決問題的能力，同時感悟科學探究的魅力。

3.3演繹推理，預測結果

若DNA半保留復制的假說正確，子一代和子二代會出現怎樣的實驗現象？學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標記情況（紅色表示含15N的脫氧核苷酸鏈，藍色表示含14N的脫氧核苷酸鏈）。學生小組展示，如圖3所示，并進行組間評價。教師展示梅塞爾森與斯塔爾實驗結果，如圖4所示。

學生比較實驗結果發現，與半保留復制方式的預期結果相符，得出結論：大腸桿菌DNA的復制方式是半保留復制。結果分析發現，子三代與子四代輕帶顏色加深。教師引導學生嘗試解釋：為什么隨著分裂次數的增多，輕帶的占比越來越多呢？教師追問：實驗結果能夠排除DNA的全保留復制假說嗎？為何在研究子一代之后還要進一步研究子二代的DNA組成情況呢？學生討論得出答案，培養學生對科學研究的嚴謹性與科學性。

設計思路：梅塞爾森與斯塔爾的實驗被某些科學家稱為生物學最美麗的實驗，其巧妙地將同位素標記法與密度梯度離心技術相結合，用看似簡單的實驗設計呈現出最直觀的實驗證據。與此同時，對于DNA復制方式的研究過程歷經提出問題、做出假說、設計實驗、演繹推理、進行實驗與結果分析，是學生理解假說－演繹法、發展學生科學思維的又一例良好素材。問題串的設計充分調動學生的思維，讓學生跨時空與科學家進行思維的碰撞。

3.4建模模擬，體驗過程

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合到延伸中的已有脫氧核苷酸鏈的3’端。學生結合資料歸納DNA復制的條件，分析子鏈延伸的方向。結合分析，利用教師提供的模具，小組合作，用模型建構，模擬DNA半保留復制的過程，如圖5所示。

教師觀察各小組構建情況，小組結合模型說出DNA復制的過程，學生組間點評，發現問題：子鏈的延伸方向是什么？兩條子鏈是同時開始延伸的嗎？教師引導學生進一步分析資料，確定兩條子鏈同時延伸，子鏈的延伸方向都是由5'-3'。學生觀察最終出現的子代DNA，討論問題5：為什么DNA能精確地將遺傳信息傳遞給子代？認同DNA的兩條鏈充當模板，依靠堿基互補配對合成子鏈，這樣的方式使得遺傳信息能夠精確傳遞。

設計思路：注重對子鏈延伸方向的理解，結合學生的模型構建過程，引導學生理解DNA復制的特點與過程，認同DNA的雙螺旋結構和堿基互補配對原則保證了DNA復制的精確性。

3.5資料補充，深化理解

生物體內DNA復制的情況要遠比我們模擬的更加復雜。教師呈現果蠅DNA復制的電鏡照片，如圖6所示。學生結合圖片思考：DNA復制的過程還具有怎樣的特點？推測果蠅DNA形成多個復制泡的原因。

學生討論得出：DNA復制還具有邊解旋邊復制以及多起點復制的特點，多個復制泡的形成提高了DNA復制的效率。

3.6聯系生活，啟示自身

教師呈現資料：雖然DNA復制通過堿基互補配對在很大程度上保證了復制的準確性，但是，DNA平均每復制10個堿基對，就會產生1個錯誤。提問：熬夜、經常吃油炸食品會增大DNA復制出錯的概率，由此你得到了什么啟示？

設計思路：結合資料，關注不健康的生活方式對DNA復制的不良影響，促進健康生活基本觀念的形成與發展。

4教學反思

本節課程蘊含著科學家的探究智慧，適當挖掘實驗中的細節能夠進一步調動學生的探究熱情，啟發學生深入思考，認同實驗設計的精巧，加強小組合作的能力。與此同時，軟磁鐵、白板以及DNA模具的使用使學生思維可視化，在深化理解的基礎上便于教師發現學生存在的思維誤區。在教學實施中，要注意觀察學生小組討論的狀態與結果、模型構建的情況，捕捉學生問題的生成，更能夠激發課堂活力，讓學生思維更加活躍。