“DNA的復制”(第一課時)的教學設計

張樹虎

(北方交通大學附屬中學 北京 100081)

1 教學內(nèi)容分析

人教版高中生物學教材《遺傳與進化》第3章第3節(jié)“DNA的復制”(第一課時)“探究DNA的復制方式”主要闡述遺傳信息傳遞的方式，是“DNA分子的結(jié)構(gòu)”內(nèi)容的延續(xù)，是遺傳分子基礎部分的重點內(nèi)容之一，是繼續(xù)學習遺傳信息表達和遺傳信息在生物學大分子間的流動(中心法則)，以及遺傳信息傳遞規(guī)律的必要基礎。教學內(nèi)容包括對DNA分子復制的推測、DNA半保留復制的實驗證據(jù)。其中DNA半保留復制的實驗證據(jù)列為選學內(nèi)容，但作為體驗生物學實驗思想和進行科學研究方法教育的良好載體，在教學中不容忽略。可通過引導學生層層探究，從而得出實驗結(jié)論，同時感受科學探究的魅力，并再次體驗“假說—演繹法”的應用。

2 教學目標

2.1 知識目標 概述DNA分子復制的條件、方式；認同 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型對探究 DNA分子復制方式的指導意義。

2.2 能力目標 能夠運用“假說-演繹法”分析探究DNA復制方式的實驗過程和思路。

2.3 情感態(tài)度與價值觀目標 體驗科學家嚴謹?shù)奶骄克季S和科學研究的方法，培養(yǎng)積極探索的精神和科學嚴謹?shù)膽B(tài)度。

3 教學過程

3.1 導入 在1953年以前，基因的物質(zhì)本性一直是困擾著全世界生物學家的問題。1953年4月25日英國《自然》雜志發(fā)表了沃森和克里克“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”，闡述了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，反映了DNA分子可能具有的無窮多樣性。在這篇文章的結(jié)尾處提出了DNA分子復制的可能機制，使生物學家一下子接受了基因的物質(zhì)本質(zhì)就是DNA。那么DNA果真是一種能自我復制的分子嗎？請同學們根據(jù)資料提出你想解決的問題。

教師預設問題：沃森和克里克認為DNA能復制是基于眾多實驗結(jié)果為依據(jù)嗎？(DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型是以眾多的實驗結(jié)果為依據(jù)，而DNA的復制僅僅是根據(jù)DNA分子的結(jié)構(gòu)特點對DNA能夠復制一種推測，并沒有實驗證據(jù)的支持)

設計意圖：以講故事的形式導入，抓住學生的思維，使他們順利進入科學探究的狀態(tài)。讓學生根據(jù)資料發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并解答問題。學生通過學習能夠認識到生物學的探究是由問題需求緣起的；能夠基于生命現(xiàn)象提出可以探究的問題。教師依據(jù)材料引出本節(jié)的學習內(nèi)容和學習目標，告知學生學習的重點難點。

3.2 確立探究課題——提出問題 確立探究課題要想探究DNA分子的復制方式，必須先了解DNA可能有哪些復制方式。教師首先創(chuàng)設情境：1953 年沃森和克里克又發(fā)表了第2篇論文，提出了DNA復制的假說。文中有這樣一段話：“我們的 DNA 模型實際上是一對模板，每一模板與另一個互補。我們設想：在復制前氫鍵斷開，兩條鏈松開、分離，然后每條鏈作為形成自己新鏈的模板，最后我們從原先僅有的一對鏈得到了兩對鏈，而且準確地復制了堿基序列?！眴栴}：你能根據(jù)沃森和克里克的“假說”將DNA復制1次后的結(jié)果畫出來嗎？分組畫圖，小組推選代表展示。

這真是個天才的預測！這個模型曾被人們懷疑(沃森和克里克自己也懷疑)，因為最大問題就是“雙鏈是如何打開的？”。研究者為了避開“如何打開雙鏈”這個難題，提出了全保留復制和彌散(分散)復制(即親代的雙鏈被切成雙鏈片段，復制完成后，“新舊”DNA 同時存在于同一條鏈中，這種復制機制被認為可以避免雙鏈 DNA 解旋的問題。)2個模型。請同學們大膽猜想并分組討論，嘗試畫出示意圖(彌散復制方式也可以暫時不提)。

結(jié)合學生的討論結(jié)果，教師PPT展示(或者小組推選代表到黑板上畫，或者投影展示各小組最佳圖案)DNA可能的復制方式，學生判斷是哪一種復制方式。

尋找證據(jù)，小組討論實驗設計的思路。預設問題：①半保留復制方式與另外兩種復制方式的區(qū)別關鍵在哪里？(母鏈是否與子鏈“結(jié)合”構(gòu)成DNA分子)②DNA分子是肉眼看不見的，那么通過哪種方法可以直觀區(qū)別母鏈或子鏈？(同位素標記法，如15N )。③同位素標記會使由不同鏈組成的DNA分子在密度上有一些差異，如何將組成不同的DNA分子區(qū)分開?學生討論后，提出用“密度梯度離心”的方法。

利用原核生物證明DNA的復制是半保留復制的實驗，師生共同分析科學家梅塞爾森(M.Meselson)和斯特爾(F.W .Stahl)的實驗思路：將已被15N標記的大腸桿菌置于14N的培養(yǎng)液中培養(yǎng)，在細胞分裂第1次和第2次之后分別提取DNA進行密度梯度離心，觀察子代DNA在離心管中的分布情況。

教師引導學生分析，親代DNA的母鏈只含有15N，新合成的DNA子鏈只含有14N，所以15N鏈代表母鏈，14N鏈代表子鏈。提取大腸桿菌DNA后進行密度梯度離心，可將不同鏈組成的DNA分開。

為了更好地理解實驗過程，教師以標記DNA分子中的N元素為例，分析用重帶、中帶、輕帶表示DNA分子的雙鏈構(gòu)成，觀察密度梯度離心后的實驗結(jié)果。若DNA兩條鏈都被15N標記(用15N/15N表示)，密度最大，離心后最靠近試管底部；若DNA只有一條鏈被15N標記(用15N/14N表示)，其密度居中，位置也居中；若兩條鏈都未被15N標記(用14N/14N表示)，密度最小，離心后離試管底部最遠。

設計意圖：根據(jù)問題設計探究方案，并認識不同類型的問題有不同的探究方法，正確解讀科學史上的經(jīng)典實驗。

3.3 作出假設，演繹推理，判斷預期結(jié)果 教師引導學生分析，DNA分子如果進行半保留復制，則15N鏈(母鏈)會與14N鏈(子鏈)結(jié)合構(gòu)成14N/15N-DNA；如果進行的是全保留復制，則只出現(xiàn)15N/15N-DNA和14N/14N-DNA，而不會出現(xiàn)14N/15N-DNA。密度梯度離心后，由于2條鏈都含有15N的DNA密度較大，分布在離心管底部；只有一條鏈含有15N的DNA密度稍小，分布在離心管中部；2條鏈都含有14N的DNA密度最小，分布在離心管的上部[1]。

根據(jù)提出的假說，采取小組討論的方法，小組推選代表展示討論結(jié)果(表1)。教師根據(jù)學生的實際情況，可指導學生先畫圖，隨后教師PPT分步展示“演繹”過程。

表1 DNA的復制方式假說-演繹與預期結(jié)果

3.4 實驗檢驗，觀察、比較實驗結(jié)果，得出結(jié)論 視頻展示資料一：1958年，梅塞爾森和斯特爾的大腸桿菌DNA密度梯度離心實驗。學生觀看視頻；教師設問：①為什么選用大腸桿菌為實驗材料？(分裂快，結(jié)構(gòu)簡單、DNA易提取)②為何選擇15N 作為 DNA 分子的標記元素？32P 和14C是否也可以作為標記元素？(15N 標記位置的是含氮堿基這樣使15N-DNA和14N-DNA及15N14N-DNA的密度不同)③復制后的DNA分子通常是隨機混合在一起的，不易分離。梅塞爾森和斯特爾如何解決這個難題？(通過密度梯度離心將親本鏈和子代鏈區(qū)分開來)④使用CsCl進行密度梯度離心能夠?qū)⒉煌芏鹊?DNA 分子分離開，為什么？(6 mol/L的氯化銫溶液密度約1.7 g/mL，與DNA密度最接近)⑤氯化銫密度梯度是如何形成？(氯化銫離心液形成1.65～1.75 g/mL的密度梯度。原因：重金屬鹽的沉降作用與擴散作用達到動態(tài)平衡)⑥不同密度的DNA分離的原理是什么？[不同密度的DNA(15N，14N)在離心液中進入與自身密度梯度最接近的區(qū)域，形成不同的區(qū)帶，從而將微小差異的DNA很明顯的區(qū)分開]⑦梅塞爾森-斯特爾用什么方法檢測到實驗結(jié)果？(用紫外光源照射離心管，透過離心管在感光膠片上記錄DNA帶的位置，顯示離心管內(nèi)不同密度的DNA帶)

教師先播放梅塞爾森和斯特爾的“大腸桿菌DNA密度梯度離心實驗”視頻，展示實驗過程和實驗結(jié)果。出示問題，師生共同討論。最后由學生觀察比較并作出判斷，實驗結(jié)果與預期結(jié)果一致，得出DNA復制的實驗結(jié)論:DNA分子以半保留方式進行復制。

設計意圖：教師設計有效的“問題串”幫助學生理解實驗的過程，體會科學探究中科學研究方法與科學思維方法；基于一定的信息及理論知識，進行問題的邏輯推理的能力培養(yǎng)，提高學生對數(shù)據(jù)的分析能力。在問題驅(qū)動下，讓學生在小組合作中親身經(jīng)歷實驗探究的整個過程，為學生的終身發(fā)展奠定良好的基礎。

視頻展示資料二：半保留復制進一步的實驗證椐。為了進一步確認DNA是半保留復制，梅塞爾森和斯特爾在密度梯度離心之前用熱變性處理CsCl溶液中DNA樣品(100℃下30 min)。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雜交DNA分成了重密度帶(15N-DNA)及低密度帶(14N-DNA)兩條帶。而變性前的雜交分子為一條中密度帶。15N DNA、14N DNA雜交分子經(jīng)加熱變性，對于變性前后的DNA分別進行CsCl密度梯度離心。設問：①子一代(雜交帶)的DNA通過熱變性后能夠排除哪種復制方式？(分散復制)。②實驗組、對照組分別是哪一組？(B；A、C)

設計意圖：還原史實，以有深度的探究性學習，拓展學生的探究層次，開發(fā)學生的智力，力圖通過探究引導學生學會學習和掌握科學探究的方法，為學生的終身學習奠定基礎。

視頻展示資料三：利用真核生物為實驗材料。1958年，赫伯特泰勒(Herbert Taylar)用蠶豆(2N=12)根尖細胞作為實驗材料，證明了真核細胞染色體DNA的復制也符合半保留復制模型。他先用放射性同位素3H標記細胞染色體DNA(標記雙鏈)，然后讓細胞在不含3H的培養(yǎng)液中進行有絲分裂，經(jīng)放射自顯影顯示實驗結(jié)果。

該實驗方法的優(yōu)勢在于可觀察到染色體被標記的情況。設問：①在第1細胞周期的中期染色體中，每個染色體的2條單體被標記的情況如何？(在第1周期的中期染色體中，每個染色體的2條單體都被標記)②第2細胞周期的中期染色體中，每個染色體的2條單體被標記的情況如何？(第2周期的中期染色體中，每個染色體僅1條單體被標記。這一結(jié)果和預期的情況完全符合，證明了真核細胞的染色體DNA復制也符合半保留模型)

小組活動：由學生根據(jù)染色體標記情況，將染色體中的DNA分子標記情況畫出來。

3.5 課堂小結(jié) 小組總結(jié)，每小組選派學生匯報：科學探究中的科學研究方法——假說演繹法的步驟，證明DNA的復制是半保留方式的實驗材料，研究技術手段等。