DNA分子的復(fù)制教學(xué)設(shè)計(jì)

尹慧

中學(xué)生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為生物科學(xué)作為由眾多生物學(xué)事實(shí)和理論組成的知識(shí)體系，是在人們不斷探究的過(guò)程中逐步發(fā)展起來(lái)的。通過(guò)倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與探究過(guò)程、勤于動(dòng)手和動(dòng)腦，逐步培養(yǎng)學(xué)生搜集和處理科學(xué)信息的能力、獲取新知識(shí)的能力。下面以DNA復(fù)制一節(jié)為例，采用假說(shuō)-演繹分析DNA復(fù)制的方式，以小組為單位合作模擬DNA復(fù)制過(guò)程的教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生興趣，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展探究性學(xué)習(xí)。

1 設(shè)置情境引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

教師展示西伯利亞凍土層中發(fā)現(xiàn)的猛犸象的照片，并提出問(wèn)題：科學(xué)家們正在研究如何使滅絕的猛犸象再生，如果你是科學(xué)家應(yīng)該怎么做才可能使猛犸象復(fù)活？教師引導(dǎo)學(xué)生思考要想克隆成功必須將現(xiàn)代大象細(xì)胞和猛犸象的DNA結(jié)合在一起。而前提是能夠獲得結(jié)構(gòu)完整的猛犸象DNA，復(fù)制DNA，并轉(zhuǎn)入活體大象的基因組。猛犸象生活在西伯利亞的凍土中，天然的低溫很有可能保證獲得含有完整DNA結(jié)構(gòu)的活細(xì)胞，而如何讓DNA成功的復(fù)制，開(kāi)啟細(xì)胞分裂進(jìn)程則是科學(xué)家面臨的重大難題，這也是這節(jié)課的學(xué)習(xí)重點(diǎn)。學(xué)生帶著強(qiáng)烈的興趣與探索的欲望進(jìn)入本節(jié)課的學(xué)習(xí)。

2 采用假說(shuō)-演繹法進(jìn)行DNA復(fù)制模式探究

2.1 做出DNA復(fù)制的三種模型假設(shè)

教師引導(dǎo)學(xué)生思考DNA復(fù)制的三種可能模式。類(lèi)比復(fù)印機(jī)復(fù)印白紙的例子，學(xué)生提出DNA復(fù)制的全保留復(fù)制假設(shè)。結(jié)合DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，學(xué)生根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)的原則提出半保留復(fù)制假設(shè)。根據(jù)沒(méi)有規(guī)律可循的假設(shè)，教師引導(dǎo)學(xué)生提出DNA復(fù)制的隨機(jī)假設(shè)。教師對(duì)學(xué)生做出假設(shè)及依據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，讓學(xué)生感受科學(xué)假說(shuō)的提出是建立在一定的科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)之上的。

2.2 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證DNA復(fù)制模型，并預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在學(xué)生假設(shè)的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生思考如何驗(yàn)證假說(shuō)的正確性？教師可以引導(dǎo)學(xué)生共同思考問(wèn)題：DNA復(fù)制的核心是區(qū)別親代和子代DNA分子，采用何種技術(shù)可以追蹤親代和子代DNA？根據(jù)已學(xué)噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)中將DNA和蛋白質(zhì)分別采用32P和35S分別標(biāo)記的方法，學(xué)生會(huì)想到放射性同位素示蹤技術(shù)。

教師進(jìn)一步提問(wèn)：選擇哪種生物材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)？對(duì)DNA分子中的哪種元素進(jìn)行標(biāo)記？如何將標(biāo)記的親代與子代DNA分子區(qū)別開(kāi)？這樣引導(dǎo)學(xué)生選擇合適的實(shí)驗(yàn)材料——大腸桿菌，進(jìn)而設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，大腸桿菌DNA中C、H、O、N、P元素均可以作為同位素示蹤的對(duì)象，采用密度梯度離心的方法將親代與子代DNA分子分離。

教師展示科學(xué)家的研究思路，以15N標(biāo)記NH4Cl培養(yǎng)大腸桿菌若干代，然后將大腸桿菌轉(zhuǎn)移到14N培養(yǎng)液中，每隔20 min收集大腸桿菌并采用CSCl（氯化銫）密度梯度離心，記錄離心后試管中DNA的位置。讓學(xué)生以小組為單位預(yù)測(cè)并畫(huà)出三種不同的DNA復(fù)制方式得到的DNA位置條帶。

2.3 驗(yàn)證假設(shè)，得出DNA復(fù)制模型

教師展示科學(xué)家實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并引導(dǎo)學(xué)生思考：① 復(fù)制一代后，根據(jù)科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以排除哪種復(fù)制模型？② 復(fù)制二代后，可以排除哪種DNA復(fù)制模型？③ 嘗試畫(huà)出復(fù)制三代后DNA的分布圖。學(xué)生通過(guò)將預(yù)測(cè)的試驗(yàn)結(jié)果與科學(xué)家真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，排除了DNA全保留和隨機(jī)復(fù)制模型，確定了DNA半保留復(fù)制的模式。

3 DNA復(fù)制過(guò)程模擬操作及DNA復(fù)制的意義

學(xué)生理解了DNA的半保留復(fù)制模式后，對(duì)具體的復(fù)制過(guò)程產(chǎn)生了濃厚的興趣。教師在充分鼓勵(lì)學(xué)生探究熱情的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生結(jié)合教材DNA復(fù)制過(guò)程的描述，嘗試用簡(jiǎn)易材料模擬DNA復(fù)制過(guò)程。學(xué)生提前用不同顏色的紙做出一系列模型，如一段DNA雙螺旋平面紙質(zhì)結(jié)構(gòu)，四種不同的脫氧核苷酸結(jié)構(gòu)若干。在模擬DNA復(fù)制過(guò)程之前，教師可以給學(xué)生介紹模擬DNA復(fù)制過(guò)程涉及到的用具，如用一段藍(lán)色DNA分子的紙質(zhì)片段代表親代DNA分子，剪刀上貼有解旋酶，用橢圓形綠色紙片代表DNA聚合酶，而且強(qiáng)調(diào)DNA聚合酶的作用只能催化5′-3′方向的脫氧核苷酸的添加，這意味著在延伸DNA的單鏈上總是由5′端向3′端延伸。學(xué)生以小組為單位，在閱讀教材相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，按照解螺旋、形成互補(bǔ)子鏈、延伸、形成子代DNA的步驟，模擬DNA復(fù)制的過(guò)程。教師挑選1個(gè)學(xué)習(xí)小組為例上臺(tái)展示，其他小組對(duì)其展示結(jié)果質(zhì)疑、補(bǔ)充，師生共同總結(jié)DNA復(fù)制過(guò)程具體步驟。

在進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)DNA復(fù)制的步驟后，教師提出以下問(wèn)題讓學(xué)生共同思考。

① 總結(jié)DNA復(fù)制的時(shí)間，發(fā)生的部位，合成DNA所需要的原料。DNA復(fù)制過(guò)程中用到的酶有哪些？通過(guò)這一系列問(wèn)題的回答，學(xué)生將會(huì)對(duì)DNA復(fù)制過(guò)程有系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

② 一個(gè)DNA分子經(jīng)過(guò)一次復(fù)制后產(chǎn)生幾個(gè)DNA分子？復(fù)制完成后，親代DNA分子還存在嗎？親代與子代DNA分子的關(guān)系怎樣？通過(guò)思考回答這一系列問(wèn)題，學(xué)生將建立DNA復(fù)制后親代與子代的DNA分子完全相同的概念。

③ DNA復(fù)制后為什么親代與子代保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏?zhǔn)確性？DNA復(fù)制過(guò)程中遵循的原則是什么？通過(guò)此問(wèn)題的回答，學(xué)生對(duì)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則在DNA分子復(fù)制準(zhǔn)確性的重要作用有深刻的理解。

④ 總結(jié)DNA分子復(fù)制的意義。通過(guò)對(duì)以上問(wèn)題串的進(jìn)一步分析討論，學(xué)生加深對(duì)DNA復(fù)制過(guò)程各個(gè)階段的理解，并通過(guò)對(duì)親子代DNA分子結(jié)構(gòu)的比較，歸納出DNA復(fù)制對(duì)于生物遺傳的重要意義。同時(shí)，在本節(jié)的結(jié)尾可以給學(xué)生提出更開(kāi)放的問(wèn)題：DNA復(fù)制的過(guò)程一定是100%的正確嗎？會(huì)不會(huì)有復(fù)制過(guò)程中的錯(cuò)誤出現(xiàn)，對(duì)生物是件好事還是壞事？從而引發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考，同時(shí)也為以后學(xué)習(xí)遺傳物質(zhì)的變異相關(guān)內(nèi)容鋪墊。

4 DNA復(fù)制原理在實(shí)際生活中應(yīng)用實(shí)例

在學(xué)習(xí)了DNA復(fù)制的過(guò)程及意義后，學(xué)生重新思考如何復(fù)活猛犸象計(jì)劃，科學(xué)家如何在體外將猛犸象DNA進(jìn)行復(fù)制，從而引出現(xiàn)代生物技術(shù)——PCR技術(shù)的應(yīng)用。通過(guò)動(dòng)畫(huà)展示PCR技術(shù)的原理，學(xué)生直觀(guān)的感受到，科學(xué)家在一個(gè)小小的試管中，在短短的2 h內(nèi)可以將猛犸象的基因進(jìn)行上萬(wàn)次的復(fù)制，從而形成肉眼可見(jiàn)的DNA片段，深刻理解科學(xué)理論對(duì)生物技術(shù)發(fā)展的巨大指導(dǎo)與推動(dòng)作用。DNA復(fù)制技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用非常廣泛，通過(guò)介紹DNA指紋技術(shù)可以準(zhǔn)確對(duì)遇難者身份鑒定和準(zhǔn)確進(jìn)行親子鑒定，使學(xué)生深切體會(huì)生物學(xué)的科學(xué)理論回歸生活的重大作用。