“DNA的復(fù)制”教學(xué)設(shè)計(jì)

楊術(shù)芹

(內(nèi)蒙古赤峰學(xué)院附屬中學(xué) 赤峰 024000)

1 教材分析和設(shè)計(jì)思路

“DNA的復(fù)制”是人教版高中生物學(xué)教材《遺傳與進(jìn)化》第3章第3節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容包括對(duì)DNA分子復(fù)制的推測(cè)、DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)證據(jù)(選學(xué))和DNA分子復(fù)制的過程3部分內(nèi)容。DNA分子復(fù)制的推測(cè)，旨在使學(xué)生了解沃森和克里克在制作DNA模型后，推測(cè)了DNA分子的自我復(fù)制的機(jī)制這一事實(shí)，更重要的是使學(xué)生理解結(jié)構(gòu)與功能的內(nèi)在聯(lián)系。DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)證據(jù)很好地揭示生物學(xué)研究必須源于實(shí)證，并體現(xiàn)了假說—演繹法的科學(xué)研究方法，但由于證明DNA半保留復(fù)制實(shí)驗(yàn)的難度較大，教材將這部分內(nèi)容安排為選學(xué)。按就近發(fā)展區(qū)原則，可增加一個(gè)密度梯度離心的模擬實(shí)驗(yàn)作為鋪墊，再引出半保留復(fù)制和全保留復(fù)制方式，然后引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，演繹推理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終理解DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。DNA分子的復(fù)制過程是本節(jié)教學(xué)的重點(diǎn)，學(xué)生已經(jīng)了解了復(fù)制方式，為促使學(xué)生“做中學(xué)”，在“做”中理解知識(shí)，組織學(xué)生利用卡紙制作的DNA分子模型和游離的脫氧核苷酸模擬DNA分子的復(fù)制過程。讓學(xué)生在模型構(gòu)建的活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)問題，師生合作解決問題。

2 教學(xué)目標(biāo)

基于課程標(biāo)準(zhǔn)并圍繞培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的要求,制訂了如下教學(xué)目標(biāo)：

(1) 通過DNA分子的半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)證據(jù)和DNA分子復(fù)制的時(shí)間、過程、特點(diǎn)、條件的學(xué)習(xí)和掌握，形成結(jié)構(gòu)與功能統(tǒng)一的觀點(diǎn)。

(2) 通過密度梯度離心模擬實(shí)驗(yàn)降低實(shí)驗(yàn)難度，引導(dǎo)學(xué)生演繹實(shí)驗(yàn)結(jié)果，體會(huì)假說—演繹法的科學(xué)研究方法及生物學(xué)的實(shí)證特征。通過用模型模擬DNA分子的復(fù)制過程的活動(dòng)，學(xué)會(huì)模型構(gòu)建的科學(xué)研究方法，并在活動(dòng)中培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

(3) 通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)與癌癥原因的分析相聯(lián)系，關(guān)注科學(xué)發(fā)展并形成健康的生命觀。

3 教學(xué)過程

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課 提問：癌癥是困擾人類健康的一個(gè)難題，罹患癌癥的原因到底是什么呢？出示新聞報(bào)道資料：美國(guó)科學(xué)家利用數(shù)學(xué)模型對(duì)32種癌癥進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：約66%的致癌突變要?dú)w咎于DNA復(fù)制時(shí)隨機(jī)出現(xiàn)的錯(cuò)誤，DNA復(fù)制錯(cuò)誤可謂是“罪魁禍?zhǔn)住保敲碊NA是怎樣復(fù)制的呢？引出本節(jié)學(xué)習(xí)的內(nèi)容。

設(shè)計(jì)意圖：利用最新科技成果導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，養(yǎng)成關(guān)注科學(xué)發(fā)展的習(xí)慣。

3.2 對(duì)DNA分子復(fù)制的推測(cè) 沃森和克里克在發(fā)表DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型后提出了DNA的自我復(fù)制的假說。出示該模型圖并讓學(xué)生依圖解釋沃森和克里克提出的半保留復(fù)制假說。

設(shè)計(jì)意圖：了解科學(xué)發(fā)展史，培養(yǎng)學(xué)生圖文信息轉(zhuǎn)化能力。

3.3 DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)證據(jù) 從假說到模擬實(shí)驗(yàn)，再到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來讓學(xué)生逐漸理解半保留復(fù)制的驗(yàn)證過程。

3.3.1 DNA復(fù)制的假說 出示科學(xué)家提出的DNA全保留和半保留復(fù)制的兩種假說圖解，提示學(xué)生全保留復(fù)制是指母鏈DNA分開，分別復(fù)制形成兩條子鏈DNA，此后兩條母鏈DNA彼此結(jié)合，恢復(fù)原狀，新合成的兩條子鏈彼此互補(bǔ)結(jié)合形成一條新的雙鏈DNA分子。提出問題：“怎樣證明DNA復(fù)制方式是半保留復(fù)制還是全保留復(fù)制呢？”

圖1 分子梯度模擬實(shí)驗(yàn)

3.3.2 密度梯度模擬實(shí)驗(yàn) 教師拿出依次裝有四氯化碳、水、大豆油的燒杯，再將圖1中左側(cè)所示的穿插有不同數(shù)目鋼釘?shù)娜N泡沫條結(jié)構(gòu)a、 b、 c放入燒杯，可出現(xiàn)圖1右側(cè)所示結(jié)果。讓學(xué)生觀察并思考為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象？學(xué)生觀察后很容易發(fā)現(xiàn)穿有鋼釘數(shù)目少的a在最上層，鋼釘數(shù)目最多的c在最下層，鋼釘數(shù)目居中的位于中間層。再引導(dǎo)學(xué)生明白鋼釘數(shù)目多少可代表分子量大小。然后教師提示：四氯化碳、水、大豆油的密度依次降低，即燒杯中的液體從上到下密度依次增大，即形成了密度梯度。如果a、 b、 c代表分子量大小不等的DNA分子，從該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可說明：分子量較小的DNA分子可漂浮在密度較低的液體中，分子量較大的DNA分子可漂浮在密度較大的液體中。

3.3.3 密度梯度離心實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 教師提出問題：“如果親代DNA的兩條鏈均為N15的重鏈，將含這種DNA分子的大腸桿菌放在僅含N14的培養(yǎng)基上，讓其繁殖2代。按照半保留復(fù)制假說和全保留復(fù)制假說，分別寫出其子代DNA分子的組成及含量。”學(xué)生分組討論預(yù)測(cè)結(jié)果，教師巡回指導(dǎo)。(按全保留復(fù)制，則F1的DNA分子為N15N15占1/2， N14N14占1/2， F2的DNA為N15N15占1/4， N14N14占3/4；按半保留復(fù)制，則F1的DNA分子全為N15N14， F2的DNA為N14N15占1/2， N14N14占1/2。)

然后教師以多媒體出示：已知將氯化銫溶液離心，溶液中的銫離子會(huì)向離心管底部運(yùn)動(dòng)，隨著銫離子濃度增大，底部密度也增大，即形成了密度梯度溶液。提出問題：“如果將上述大腸桿菌親代、子一代和子二代DNA提取出來，在氯化銫溶液中離心，則會(huì)出現(xiàn)怎樣的結(jié)果？”請(qǐng)學(xué)生圖解該結(jié)果，教師點(diǎn)評(píng)。最后指出科學(xué)家Meselson和Stahl就做了上述實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與半保留復(fù)制一致，故DNA分子復(fù)制方式為半保留復(fù)制。

設(shè)計(jì)意圖：通過密度梯度離心模擬實(shí)驗(yàn)降低實(shí)驗(yàn)難度，引導(dǎo)學(xué)生演繹實(shí)驗(yàn)結(jié)果，體會(huì)假說演繹法的科學(xué)研究方法及生物學(xué)的實(shí)證特征。

3.4 DNA分子的復(fù)制 通過模型構(gòu)建和資料分析來學(xué)習(xí)該部分內(nèi)容。

3.4.1 利用模型構(gòu)建的方法學(xué)習(xí)DNA復(fù)制過程 動(dòng)手活動(dòng)：各小組利用上節(jié)課所制作的DNA分子模型和脫氧核苷酸卡紙模型等模擬DNA的半保留復(fù)制的過程。教師巡回指導(dǎo)。學(xué)生在模擬活動(dòng)過程中都懂得首先由解旋酶利用能量將DNA分子兩條鏈解旋開，形成模板，然后按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則將相應(yīng)的核苷酸連接上去，再形成磷酸二酯鍵合成子鏈。但是也暴露了兩個(gè)問題：①DNA分子的兩條鏈?zhǔn)欠裥枰耆珠_成單鏈才能開始復(fù)制？②子鏈合成方向是從5′端到3′端，還是從3′端到5′端？請(qǐng)學(xué)生觀察教材54頁(yè)圖3-13可知，在解旋的同時(shí)就開始復(fù)制了，并非兩條鏈完全分開后才開始復(fù)制。第②個(gè)問題主要取決于DNA聚合酶，DNA聚合酶只能催化前一個(gè)核苷酸3′碳上羥基中的氫與后一個(gè)核苷酸5′碳上磷酸基團(tuán)中的羥基之間發(fā)生脫水聚合反應(yīng)，形成3′，5′-磷酸二酯鍵，故子鏈合成方向只能是從5′端到3′端。請(qǐng)學(xué)生代表在黑板上用這些模型模擬一下DNA復(fù)制過程。教師總結(jié)DNA復(fù)制過程為：解旋→合成子鏈→螺旋化。

設(shè)計(jì)意圖：使學(xué)生體驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?gòu)在科學(xué)研究中的魅力，鍛煉學(xué)生動(dòng)手操作能力，體驗(yàn)在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生合作學(xué)習(xí)能力。

3.4.2 識(shí)圖、分析資料，學(xué)習(xí)DNA復(fù)制的特點(diǎn) 展示教材54頁(yè)圖3-13，請(qǐng)觀察DNA復(fù)制的特點(diǎn)——邊解旋邊復(fù)制；展示材料：“研究發(fā)現(xiàn)，人類瘤細(xì)胞中最長(zhǎng)的DNA分子達(dá)36000μm， DNA復(fù)制速度約為4μm/min，按此計(jì)算，完成瘤細(xì)胞該DNA分子復(fù)制需9000min，但實(shí)際僅40min即完成。”說明DNA復(fù)制還有什么特點(diǎn)？引導(dǎo)學(xué)生明白多起點(diǎn)復(fù)制的特點(diǎn)。

設(shè)計(jì)意圖：通過識(shí)圖和分析資料，來學(xué)習(xí)DNA“多起點(diǎn)復(fù)制”的特點(diǎn)，培養(yǎng)資料分析能力。

3.4.3 討論填表 同桌間討論，完成表1，教師巡回指導(dǎo)。最后提出問題：DNA復(fù)制通常是準(zhǔn)確的，但也會(huì)出錯(cuò)，出錯(cuò)后有什么利害呢？學(xué)生討論回答。(利：產(chǎn)生變異，有利于生物的進(jìn)化；害：發(fā)生如本節(jié)課開始所報(bào)道的細(xì)胞癌變。)

表1 DNA復(fù)制的總結(jié)

表1 DNA復(fù)制的總結(jié)

復(fù)制的時(shí)期有絲分裂間期或減數(shù)第一次分裂前的間期復(fù)制的場(chǎng)所主要在細(xì)胞核復(fù)制的基本條件模板、ATP、四種脫氧核苷酸和酶復(fù)制的特點(diǎn)邊解旋邊復(fù)制,多起點(diǎn)復(fù)制準(zhǔn)確性原因獨(dú)特的雙螺旋模板和堿基互補(bǔ)配對(duì)原則復(fù)制準(zhǔn)確的意義 將親代的遺傳信息傳遞給子代并保持了遺傳信息的連續(xù)性