基于“情境—猜想—論證”模式的 “DNA的復制”教學設計

摘 要：本文通過創設情境，引發學生思維動機，通過模型構建、演繹推理、資料分析等方法，引導學生自主探究并論證DNA的復制方式，自主構建概念，切實提高學生的生物學學科核心素養。

關鍵詞：DNA復制；高中生物學教學設計

文章編號：1003-7586（2024）10-0032-04

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，在《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）中對該部分內容的要求是“概述DNA分子通過半保留方式進行復制”。本節內容包括“對DNA復制的推測”“DNA半保留復制的實驗證據”和“DNA復制的過程”三部分，既是對“DNA的結構”內容的延續，也是對后續“基因的定義”“基因的表達”等內容的鋪墊。本節內容對于鍛煉學生運用“假說—演繹”法、發展學生科學思維和科學探究能力具有重要意義。但由于該部分內容知識點較多，在教學實踐中容易變成知識點的簡單堆砌，不能充分挖掘經典實驗的育人價值，從而難以充分培養學生的核心素養。

《課程標準》在實施建議中提出“組織以探究為特點的主動學習是落實生物學學科核心素養的關鍵”，“教師應充分利用科學史要素開展教學，教師需要向學生提供各種豐富的、有代表性的事實來為學生的概念形成提供支撐”。因此，本節課基于“情境—猜想—論證”模式開展教學實踐（見圖1），以科學史要素創設教學情境，設計漸進式的問題驅動教學。教師引導學生利用多種科學方法進行猜想和論證，幫助學生進行探究式學習，促進學生自主構建相關概念，聚焦學生的推理論證能力，在提升其思維品質的同時引導學生關注科研進展，提高其社會責任意識，逐步發展學科核心素養。

2 教學目標

（1）能夠分析赫爾希和蔡斯實驗插圖，自主提出DNA復制方式的猜想；通過模型構建，理解半保留及全保留復制的特點，發展模型與建模的科學思維。

（2）能夠運用演繹推理法，模擬密度梯度離心實驗，體驗科學探究過程，論證DNA是以半保留的方式進行復制的，提升科學探究能力。

（3）能夠基于科學史情境，在問題的驅動下分析科學史資料，尋找證據，推演并概述DNA復制的過程、特點和條件；基于概念構建物理模型，闡明DNA分子可以通過復制傳遞遺傳信息并保持遺傳信息的連續性；同時通過學習生物科學史，培養求證意識，弘揚科學精神，發展社會責任意識。

3 教學過程

3.1 創設情境，對DNA復制方式出猜想

教師展示教材赫爾希和蔡斯實驗結果：被³²P標記DNA的實驗組，在新形成的部分噬菌體中檢測到了³²P。這說明在DNA復制過程中，被標記的DNA被保留。教師據此提出問題：DNA的復制過程是怎樣發生的？并由此引出課題。教師引導學生觀察教材中噬菌體侵染大腸桿菌實驗示意圖：被³²P標記的DNA雙鏈均用紅色表示，而新合成的DNA有的兩條單鏈全為藍色，有的包含一條紅色單鏈和一條藍色單鏈。學生據此提出有關DNA復制方式的猜想，多數學生基于圖示分析認為DNA的復制方式是半保留復制。

教師出示任務一：利用白板、磁條（黑色表示具有放射性，灰色表示無放射性），小組合作構建DNA的半保留復制模型［見圖2（a）］，并在模型解釋環節自主構建DNA半保留復制的概念。之后，教師帶領學生學習全保留復制的概念并引導其根據概念構建相應物理模型［見圖2（b）］。

設計意圖：教師合理運用教材插圖，深挖教材隱性知識，并以此創設情境，提高學生發現問題、獲取信息的能力。學生通過構建DNA復制的物理模型，將抽象知識具體化，將內隱邏輯外顯化，更好地理解兩種復制方式的內涵，同時為后續論證DNA的半保留復制奠定基礎，并且在建模及模型解釋過程中提升自身的科學思維能力。

3.2 演繹推理，論證DNA以半保留方式進行復制

區分親代DNA和子代DNA是論證DNA兩種復制方式的關鍵。教師提供同位素標記技術的相關背景知識：¹⁵N和¹⁴N是氮元素的兩種穩定同位素，這兩種同位素的相對原子質量不同。教師引導學生分析不同類型DNA分子的密度大小，學生得出可用離心技術分離含有不同相對原子質量的氮元素的DNA，即CsCl（氯化銫）密度梯度離心法。教師播放興趣小組制作的氯化銫密度梯度離心實驗原理視頻。

教師出示任務二：根據圖2中的物理模型演繹推理半保留復制和全保留復制對應的親代DNA、子一代DNA及子二代DNA離心后在試管中的位置，并將預期結果記錄在表中（見表1）。學生小組分組討論并展示結果后，教師及時評價。教師展示梅塞爾森和斯塔爾實驗過程及實驗結果^［1］，引導學生分析親代DNA、轉移培養后子一代至子四代DNA條帶的位置（種類）及寬度。通過分析實驗結果，學生得出：離心處理后親代DNA只有一條帶，密度最大；子一代DNA也只有一條帶，密度居中；子二至子四代DNA均含兩條帶，一條密度居中，另一條密度較小，且隨著代數增加，輕帶寬度逐漸增加。該論證表明：DNA的復制是以半保留的方式進行的。

設計意圖：任務二是任務一的思維進階，學生基于任務一中的猜想及物理模型，運用演繹推理法論證DNA復制的方式。這一過程展示了“假說—演繹”法這一科學方法的具體應用，有助于學生科學思維及科學探究能力的提升。教師通過還原真實的密度梯度超速離心實驗結果，幫助學生提高分析處理科研數據的能力。在此過程中，學生學會基于事實和證據分析實驗結果，并通過邏輯推理闡明個人觀點，進而主動構建知識概念框架，最終讓自身的科學思維得以發展。

3.3 實證引領，推演DNA半保留復制的特點、過程及意義

教師需要遵循“情境—猜想—論證”的思維路徑，利用生物科學史創設真實的學習情境，通過問題串驅動學生小組合作完成相關任務，明確DNA復制的概念，結合細胞分裂知識引導學生闡明DNA復制的場所、時期、結果及意義，進而自主推演DNA復制的特點、過程。

3.3.1 構建概念，闡明DNA復制的意義

教師創設情境一：1958年，泰勒以蠶豆根尖細胞作為實驗材料，利用3H標記DNA，之后將細胞轉移到不含3H的培養液中使細胞進行有絲分裂，并用放射自顯影技術觀察染色體的標記情況。^［2］

教師出示任務三：①真核生物的DNA以半保留方式進行復制，推測泰勒實驗中轉移培養后子一代DNA與子二代DNA每條染色體的姐妹染色單體有無標記，并將結果以模型的形式呈現（見圖3）；②構建DNA復制的概念，闡明DNA復制的場所、時期及意義。

學生可以根據有絲分裂知識預測實驗結果，并能夠依據圖3自主構建DNA復制的相關概念，在解釋模型的過程中闡明DNA分子通過復制將遺傳信息從親代細胞傳遞給子代細胞，從而保持遺傳信息的連續性。

教師提供資料一：泰勒發現蠶豆根尖有絲分裂第一個周期中期的細胞內，每條染色體的兩條染色單體均有放射性；而第二個周期中期的細胞內，每條染色體只有一條染色單體具有放射性。學生通過分析資料，印證猜想并得出結論。

3.3.2 分析資料，探究DNA復制的特點

教師創設情境二：1963年，凱恩斯用放射自顯影技術第一次觀察到了完整的正在復制的大腸桿菌的環狀DNA（見圖4）。^［3］

教師創設情境三：某DNA分子長30mm，DNA復制速度約為4μm/min，但完成整個復制過程僅需30min左右。

教師創設情境四：迄今發現的DNA聚合酶只能催化子鏈從5′向3′延伸。

教師出示任務四：①結合情境二思考，DNA的兩條鏈是徹底解旋后再復制還是邊解旋邊復制？圖4是否能說明DNA復制的方向？②結合情境三，推測DNA為何可以高效復制？③結合情境四，思考DNA的兩條鏈是否都是連續復制？④結合DNA雙螺旋結構特點，推測DNA的復制需要哪些條件？在分析上述情境的基礎上，大多數學生做出如下猜想：①圖4中環狀DNA部分解螺旋，由此猜測DNA邊解旋邊復制；復制的方向可能是從中間分別向a、b兩個方向進行，即雙向復制，也可能是單向復制，例如從a到b或從b到a；②DNA可能有多個部位同時解螺旋并復制；③DNA中5′向3′方向延伸的子鏈是連續復制的，另一條子鏈不連續復制；④DNA復制需要模板、原料、酶等材料。

教師提供資料二、三、四，為學生搭建學習支架，輔助學生對猜想進行論證。

資料二：枯草芽孢桿菌先在有弱放射性DNA前體的培養基上短暫培養，然后轉接到有強放射性DNA前體的培養基上短暫培養，標記前體均為3H-胸腺嘧啶，得到DNA的自顯影圖像，新合成子鏈的兩端具有較高放射性，中間具有較低放射性。

資料三：果蠅DNA電鏡照片中的泡狀結構被稱為DNA復制泡，是DNA上正在進行DNA復制的部分。

資料四：1968年，岡崎等人用3H-脫氧胸苷短時間脈沖標記進行噬菌體DNA復制的大腸桿菌，然后分離標記的DNA產物，發現短時間內首先合成的是較短的DNA片段，之后很快出現較大的DNA分子。學生通過分析資料，確定DNA為雙向復制，有多個復制起點，且為半不連續復制。最后，師生共同總結歸納DNA的復制特點。

3.3.3 觀看微課，明晰DNA的復制過程

學生觀看DNA半保留復制微課，教師出示任務五：①描述DNA復制過程；②觀察DNA聚合酶催化子鏈的延伸方向；③闡述DNA能準確復制的原因。最后，教師回扣課前問題，引導學生解釋為何³²P實驗組中子代只有部分噬菌體中能檢測到³²P。

設計意圖：對科研文獻的解讀可提升學生閱讀非連續文本、獲取有關信息、轉換圖文并用語言表達的能力。教師適當引入精選的生物科學史資料，加工簡化科研過程，用簡明的語言及圖形創設符合高中生認知體系、真實且科學的探究性學習情境，促使學生自主思考并提問，在提出猜想的基礎上進行探究活動方案的設計和實施，運用必備的基礎知識，在新穎、復雜、真實的情境中分析、論證、解決問題。同時，教師引導學生關注科研，參與生物學相關問題的討論，提高其社會責任意識。

4 教學反思

教師在教學過程中適當引入科學史要素創設情境或設計探究活動，可以增加教學的彈性和靈活性。科學史學習是培養學生科學素養的重要路徑，因此本節課基于科學史要素，采取“情境—猜想—論證”模式開展探究式教學，引導學生運用演繹與推理、模型與建模等科學方法分析資料、提出猜想、獲取事實并進行科學論證，最終解決核心問題。學生在探究式學習過程中，自主構建新知識，靈活解決新情境下的生物學問題，實現對知識的深入思考、深刻理解、深度學習。通過這樣的學習方式，教師能夠培養學生探索創新的科學精神、實事求是的科學態度以及終身學習的能力，學生在收集事實證據、分析論證的過程中可以有效提升自身的生物學學科核心素養。

值得注意的是，教師要抓住學生在回答展示環節存在的邏輯思維漏洞及思維鏈條缺失的情況，并以此為契機提升學生的科學思維。科學史在表述時要轉化為符合高中生思維和閱讀習慣的文字或圖表，與生物學學科基礎知識進行有機融合。情境的創設要真實、有效，教師在引用科學史實、科技成果及生活見聞等作為情境素材時，不能為了適配教學內容而斷章取義，要還原真實的科學史故事，同時在引用數據時也不能按需杜撰，而是應該保證數據的真實性。

參考文獻

［1］羅伯特·韋弗.分子生物學［M］.鄭用璉，馬紀，李玉花，等譯.北京：科學出版社，2013：664.

［2］楊建雄.分子生物學［M］.北京：科學出版社，2017：73.

［3］艾伯茨.細胞的分子生物學［M］.張新躍，錢萬強，等譯.北京：科學出版社，2008：262.