基于模型建構的“DNA的復制”教學設計

婁冰凝 王保艷

1 ?教材、課標分析及設計思路

“DNA 的復制”是人教版高中生物《必修2·遺傳與進化》第三章第三節，包括對 DNA 復制的推測、DNA 半保留復制的實驗證據、DNA 復制的過程三部分內容。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）強調發展學生的生物學學科核心素 養，重視模型建構能力及科學思維的培養，要求學生 通過本節課程的學習，能夠“概述DNA分子通過半保 留方式進行復制”。筆者結合課程內容、《課程標準》要求及學生學情，設計如圖1所示的教學思路。

2 ?教學目標

①利用拼圖模型，結合DNA 結構特點推測DNA復制方式，形成結構與功能觀。

②通過密度梯度離心模擬實驗降低實驗難度，演繹實驗結果，得出結論，體驗假說—演繹法的科學研究方法，形成科學探究能力。

③通過模型模擬 DNA 分子的復制過程，體驗模型構建的科學研究方法，并在活動中形成發現問題、解決問題的能力。

④通過查閱資料，舉例說出DNA 復制在社會生活中的應用，養成社會責任感。

3 ?教學過程

3.1 復習導入，引出模型

教師帶領學生回顧DNA 結構特點，并提供資料：沃森和克里克在《核酸的分子結構——脫氧核糖核酸的結構》中寫道，“我們已經注意到，上述假設的特異性堿基配對理論直接提出了遺傳物質復制的可能性”。堿基互補配對原則暗示DNA 的復制機制可能是怎樣的？教師展示DNA平面結構圖片與泡沫板制作的拼圖模型（圖2），引導學生以拼圖之間的互補配對模擬DNA 分子堿基之間的互補配對，展開本節課的探究。

設計意圖：與傳統“DNA結構模型”相比，“拼圖模型”更貼近學生生活，有助于激發學生原有經驗。該模型簡化了脫氧核糖核苷酸結構，突出表現了DNA雙鏈之間的堿基互補配對，以減輕學生認知負荷，提高教學效果。

3.2 拼圖模擬，提煉假說

3.2.1 動手操作，論述結果

教師以拼圖的復制模擬DNA 的復制，組織學生展開動手活動：“在已擁有一套完好拼圖的情況下，如何又快又準確地拼出另一幅同樣的拼圖？”學生以黑色拼圖為模板，嘗試復制出白色拼圖，并組織語言，嘗試用一句話講述自己的操作過程和操作結果。

學生通過班級交流、分享，可以發現組裝的拼圖呈現兩種結果：大部分學生“以黑色拼圖為模板，完成白色拼圖的拼接，黑色拼圖保持不變”，如圖2復制結果A所示;少部分學生通過課前預習，“將兩列黑色拼圖分開，分別作為模板進行拼接，得到的拼圖一列為黑色，另一列為白色”，如圖2復制結果B所示。

3.2.2 類比推理，作出假設

結合拼圖的操作過程，教師引導學生類比推測 ?DNA 復制可能采取的方式。學生提出：“DNA 的復制 ?方式存在兩種可能。①?DNA 以親代為模板，復制后 ?形成全新的子鏈，而親代保持原樣;②?親代的兩條鏈 ?解開，每條鏈作為新鏈的模板，復制形成的兩個子代 ?DNA分子中，均包含一條親代鏈和一條新合成的鏈。”教師總結，點明這兩種可能分別叫做DNA復制的半保 ?留復制假說和全保留復制假說，并提出問題：“怎樣證 ?明 DNA 復制方式是半保留復制，還是全保留復制呢？”

設計意圖：學生動手復制拼圖的結果分別與全保留復制假說和半保留復制假說相對應，這為“作出假設”搭建起學習支架。學生總結并敘述模型的操作思路和結果，從中提煉得出兩種假說。在這個過程中，學生參與了科學知識的構建，認識到科學知識不是科學家的專利，有助于科學本質觀的形成。

3.3 模型搭架，實驗驗證

3.3.1 模擬實驗，搭建支架

學生進行密度梯度模擬實驗：用黑、白拼圖分別模擬親、子代DNA單鏈，在黑色拼圖上夾4個小鐵夾、白色拼圖上夾2 個小鐵夾，組成 a、b、c 三種不同的 DNA雙鏈模型（圖3）。拿出依次裝有四氯化碳、水、大豆油的燒杯，將 a、b、c 放入其中，呈現如圖3 所示現象。通過觀察思考，學生很容易發現模型所處的位置與夾子數目有關：夾子數目少的在上層，數目多的在下層，數目居中的位于中層。教師引導學生：①?夾子數目不同造成模型質量不同，在DNA分子中可以通過改變元素相對原子質量來實現。②四氯化碳、水和大豆油密度不同，在燒杯中形成了密度梯度溶液。學生討論、總結得出：改變DNA 中元素相對原子質量，將其放入密度梯度溶液中離心，然后根據DNA分子所處位置，即可判斷組成DNA分子的單鏈類型。

3.3.2 實驗驗證，得出結論

教師請學生結合梅塞爾森實驗過程思考：“如果用15N 標記大腸桿菌親代 DNA 的兩條鏈，再將放在僅含14N 的培養基上，繁殖2 代。按照半保留復制假說和全保留復制假說，分別寫出其子代 DNA 分子的組成及比例。”學生交流討論，教師巡回指導。學生分析實驗結果，得出結論： DNA 的復制方式是半保留復制。

設計意圖：教師利用梅塞爾森實驗進行實驗驗證，旨在使學生體會“假說—演繹法”的過程，認識到生物學結論的得出必須由實證支撐，形成科學的思維方法。其中，有關密度梯度離心的背景知識為學生首次接觸，且比較抽象，因此教師引導學生利用模型展開密度梯度模擬實驗，搭建學習支架，幫助學生理解實驗原理，引導學生設計實驗，驗證假說。

3.4 模型模擬，總結過程

3.4.1 動態模擬，發現問題

多個小組合作，將各小組的黑色拼圖模型組成長鏈，模擬 DNA 分子的半保留復制過程，教師巡回指導。學生在模擬長鏈復制的過程中，暴露出關鍵問題： DNA雙鏈是完全分離之后再復制，還是邊解旋邊復制？

教師展示復制泡圖片，學生交流得出： DNA在解旋的同時開始復制，這樣不僅能提高復制的效率，還能保證復制的準確性。師生共同總結DNA 的復制過程為：解旋→子鏈合成→螺旋化。

設計意圖： DNA 的復制是一個動態過程，若僅通過講授法教學，學生掌握較困難。學生通過模型模擬、動手操作，親自體會DNA 復制過程的動態性與連續性，不僅實現了抽象概念的直觀化，也能順勢引出 DNA復制過程中“邊解旋邊復制”的關鍵性問題，使教學過程更順暢，更具有邏輯性。

3.4.2 歸納小結，升華提高

小組學生交流討論，填寫表1，教師巡回指導。師生共同總結。

教師提供資料，引導學生思考：雖然DNA 復制通過堿基互補配對在很大程度上保證了復制的準確性，但是，平均每復制109個堿基對，就會產生一個錯誤。 DNA復制錯誤，可能產生什么影響？這種影響會傳遞給子代嗎？

設計意圖：學生分析資料，感受遺傳信息的準確傳遞對保持生物前后代遺傳穩定性和連續性的重要意義，為后續學習基因突變埋下伏筆。

3.5 知識拓展

課后，教師組織學生查閱 PCR 技術及其應用，了解基因克隆、DNA 測序、腫瘤檢測、分析突變、犯罪現場標本分析等DNA復制的應用。

設計意圖：學生自主探究學習，培養搜集信息和處理信息的能力，同時也體會到DNA 復制原理在科學研究及社會實踐中有著重要的應用價值。

4 ?教學評價

教學評價應倡導多元化評價、過程性評價和終結性評價相結合。在過程性評價中，教師采用學生自評、組內互評、教師評價相結合的評價方法，關注學生在課堂中自主學習、同伴合作、師生互動的表現及探究、思考的過程;在終結性評價中，則主要采用紙筆測驗和作業練習的形式，圍繞教學目標設計試題，以檢測學生的目標達成情況。另外，教師應將評價結果及時反饋給學生，以保證評價的時效性。

5 ?教學反思

模型建構是現代生物學中重要的研究方法之一，在《課程標準》中也被多次強調。教師在中學課堂中運用模型，目的是使學生通過研究科學模型推知原型的某種特征或規律，借助模型來獲取、拓展和深化對原型的認識，掌握模型建構的科學方法。本節課所采用的模型服務于本節課的教學內容，突出DNA堿基互補配對的主要特征，對DNA雙鏈進行抽象和簡化，并貫穿課程始終，在多個知識點數次發揮作用。學生在教師的引導下對該模型進行研究，從中獲取DNA復制的信息，體驗科學探究過程，促進生物學學科核心素養的發展。

模型模擬活動固然可以激發學生學習興趣，但這不是最終目的。模型設計應符合教學活動實際需要，在形象化的基礎上重視對學生思維的促進作用，推動教學順利進行。在模型設計和使用過程中，教師如何避免“模型低效化”“模型低齡化”，是值得進一步探討的問題。

參考文獻：

J. D .沃森，F.H.C.克里克，朱玉賢.核酸的分子結構——脫氧核糖核酸的結構[J].物理，2003，32（11）：742-744.