“DNA半保留復制”的模型制作及在教學中的應用

吳銀峰 馬明

摘要 介紹了在課堂教學中學生利用紙張、剪刀、回形針等工具進行“DNA半保留復制”模型制作。應用該模型可突破學習的重難點，提高課堂教學的有效性，同時有助于激發學生探究學習的興趣。教師可根據此模型做出相關拓展，使學生在學習活動中提升科學思維能力，發展學生的生物學學科核心素養。

關鍵詞 DNA 半保留復制 模型制作 課堂教學

中圖分類號 G633.91? ???? 文獻標志碼 B

DNA通過半保留復制將遺傳信息傳遞給下一代。由于DNA分子結構的空間復雜性和組成要素的多樣性，以及DNA分子復制過程的抽象性和動態性等特征，學生對DNA復制的認知和理解具有一定的難度。DNA半保留復制是以DNA雙螺旋結構為基礎的復雜酶促反應過程，具有微觀屬性，因此在課堂教學實踐中，學生無法通過觀察真實情景實現有效學習。在關于DNA半保留復制的學習過程中，學生因知識抽象導致理解困難，甚至會出現認知錯誤的現象。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》明確提出，本課程高度關注學生學習過程中的實踐經歷，強調學生學習過程是主動參與的過程，讓學生積極參與動手和動腦的活動，通過探究性學習活動或完成工程學任務，加深對生物學概念的理解，提升應用知識的能力，培養創新精神......為了讓學生更好地理解與掌握教學內容，教學中要高度重視學生的實踐環節，力求為學生提供更多的動手實踐機會。教師可開展創新性教學活動，促進抽象知識形象化，以糾正學生學習的認知偏差。在教學實踐的探索中，筆者采用以學生構建模型為主、教師引導為輔的形式。由于DNA分子復制過程包含多個步驟，且每個步驟涉及不同的酶類，過程復雜，通過構建DNA分子復制動態模型，可幫助學生準確描述DNA分子復制的細節過程，深刻理解并科學解釋DNA分子半保留復制方式。

1“DNA半保留復制”模型制作的準備

1.1材料用具

DNA雙螺旋結構的平面模式圖（圖1）、4種脫氧核苷酸模式圖（圖2）、A4打印紙、回形針、固體膠水、筆和剪刀等工具。

1.2制作模型

“DNA半保留復制”模型制作主要包括：DNA模板鏈模型的制作打印;游離脫氧核苷酸模型的制作打印。

1.2.1DNA模板鏈模型制作

將圖1經過加工、剪切，并用A4紙打印，形成DNA模板鏈模型的雛形（圖3），并沿折疊線折疊成圖4，即為DNA平面模板鏈模型。

1.2.2制作游離脫氧核苷酸模型

將圖2所示的四種脫氧核苷酸平面模式圖打印后用剪刀剪切成4種脫氧核苷酸，在模擬過程中可作為足夠數量的游離脫氧核苷酸粘貼使用。

2在教學中進行“DNA半保留復制”模型制作

2.1制作的過程

2.1.1模擬解旋過程

學生獲得圖4所示的DNA模板鏈模型的折疊版教具后，教師要使學生明確為了簡化模型，沒有給出立體雙螺旋結構，而是以平面圖代替。教師可用問題串引導模擬過程，其過程見表1。

2.1.2模擬游離脫氧核苷酸的結合

該模擬過程分為對游離脫氧核苷酸的正確粘貼和成果展示與評價兩個階段。

粘貼過程：學生將圖4打開后，得到了圖3的狀態，再利用游離的脫氧核苷酸模型教具，按照堿基互補配對原則，使用固體膠將脫氧核苷酸模型教具粘貼上去。這個過程教師的問題串引導特別關鍵，見表2。

展示和評價：粘貼完畢后，教師要對學生的成果進行及時展示和評價，有利于及時糾正學生在模擬過程中發生的某些錯誤，如配對錯誤和雙鏈的方向性錯誤，提高對DNA雙螺旋結構的正確認識。評價階段主要利用生生互評糾錯，教師評價以鼓勵和正面評價為主。

2.1.3模擬子鏈的合成

該過程分為磷酸二酯鍵的形成和成果展示與評價兩個階段。磷酸二酯鍵的形成：在學生上一步的成果基礎上，用彩筆將磷酸基團和脫氧核糖通過劃線連接并標注母鏈和子鏈，模擬子鏈的合成過程。該過程教師的問題串引導見表3。

成果展示和評價：連線完成后，教師要對學習小組的成果進行展示和評價，及時糾正學生的模擬過程發生的連線錯誤。評價階段仍是主要通過生生互評糾錯，教師評價以鼓勵和正面評價為主。

2.2知識延伸和拓展

利用模型制作進行知識延伸和拓展，可以有效提高課堂教學的深度和廣度。

2.2.1DNA多點復制的拓展教師提出問題：每位同學模擬一小段DNA的復制需要耗費一段時間。但在正常細胞周期中，幾個小時內要完成“天量”的復制任務。如何模擬以提高DNA復制的速率？

學生回答：每位同學負責一小段的復制任務，很多同學同時操作模擬復制過程。

教師點評：對，其實DNA的復制可以有多個DNA聚合酶從多個起點分段同時復制，以提高DNA復制的速率。例如，女性子宮瘤細胞中最長的DNA分子可達36mm，DNA復制速度為4μm/min，但復制過程僅需40min左右完成。

2.2.2放射性同位素示蹤的變式拓展

如果教師把模型的母鏈和子鏈涂上不同顏色，即可模擬放射性同位素示蹤DNA的復制過程，可以引導學生進一步分析細胞增殖過程中子代細胞中姐妹染色單體的放射性分布。教師利用此模型進行變式拓展，可提高學生在復雜情景下的知識遷移和分析能力。

2.2.3關于基因突變的拓展

教師提出問題：如果有同學在模擬DNA半保留復制的過程中，使用游離的脫氧核苷酸配對錯誤。這將會發生什么？

學生回答：遺傳信息的改變。

教師點評：對，這其實就是變異中基因突變的一種來源，我們會在后續的學習中拓展。

2.2.4關于DNA復制原料的計算

教師提出問題：按照模型制作的復制模式推演，假如復制n代后，形成512條完全相同的DNA分子，其中含有最初母鏈的分子有幾個？一共要消耗多少游離的胞嘧啶脫氧核苷酸？經歷過模型制作過程的學生有了感性體驗，對此問題的分析有了想象的空間和對象，不難得出答案。

2.4.5關于PCR的相關問題

對進行PCR的必要條件的推導，教師可以根據模型演示過程，引導學生得出需要模板、四種游離的脫氧核苷酸、DNA聚合酶等條件，實現有效知識的遷移、鞏固和拓展。

3教學反思

本模型制作所需材料普通、成本低廉、獲取容易、制作簡單、直觀形象，可重復性使用及多知識點教學使用等。教師在教學活動過程中應充分利用該模型進行拓展和延伸，以引導學生進行深度學習。

從知識層面來看，教師借助模型制作模擬DNA半保留復制，使學生不僅理解了DNA復制過程，鞏固了對DNA分子結構的相關知識的再認知，還為細胞增殖和可遺傳變異的學習奠定了分子學知識基礎。模型制作過程把微觀問題表觀形象化、可操作動態化，不僅可以展示DNA半保留動態復制過程，還可以此為基礎多方面拓展和延伸，實現教具的多樣化使用，如對基因突變的初步認識和理解等。

從認識論的角度來說，該模型制作實現了從感性認識向理性認識的轉變，使學生逐步形成科學思維能力，并學會運用科學的思維和方法認識事物、解決實際問題。在課堂教學實踐中，學生對DNA的半保留復制很感興趣，但由于該過程涉及DNA分子的雙螺旋結構和晦澀難懂的化學分子的名詞，所以在“模糊”的前概念基礎上建構新知識，其學習效果并不理想。因此，教師如果用模型制作的體驗建構過程替代閱讀和概念灌輸過程，將DNA半保留復制過程變為模型制作的動手動腦過程，可以大大提高學習效率和有效性。

從合作學習來看，DNA半保留復制的模型制作要求學生在小組合作的基礎上完成的。這是由于個體動手和思維的局限性，通過學習小組合作共同完成學習活動，可起到事半功倍的作用。學生通過團隊的操作體驗，發揮“頭腦風暴”的優勢，將抽象復雜的分子水平的知識呈現為實踐操作過程，再通過團體的智慧實現知識的遷移，將知識有效地內化，不僅豐富了學生學習的體驗過程，也提高了課堂教學的有效性。

建模教學策略作為近幾年全球教育領域的研究熱點之一，其讓學生通過建模活動深入理解知識形成過程的核心理念，成為當前課堂上生物學學科核心素養，尤其是科學思維能力提升的重要教學策略之一。因此，在課堂教學中教師通過適當指導學生的模型制作活動，在優化相關認知過程、有效降低學習難度的基礎上，引導學生通過類比推理思考相關問題，并對這些問題進行小組的討論、分析和交流，在理論和實踐不斷碰撞過程中，不僅有效促進了學生主動獲取知識的能動性，不斷發展了學生的科學思維，還提高了課堂教學的深度和廣度。總之，開展動手類的物理模型模擬和演示實驗，特別有利于課堂教學中探究性學習情境創設，有助于學科核心素養的達成。

參考文獻：

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