基于科學史和模型構建發展學生核心素養的教學設計與實踐

摘要：本節課通過展示科學史資料和構建模型，引導學生探究DNA分子的半保留復制和半不連續復制兩種復制方式，并闡述DNA分子復制過程。學生結合DNA復制過程總結復制所需的條件，從結構和功能觀、穩態與平衡觀分析DNA能精確復制的原因，討論DNA復制的意義，在此過程中發展生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任的生物學學科核心素養。

關鍵詞：DNA復制；科學史資料；模型構建

文章編號：1003-7586（2024）05-0015-04 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

1教學背景分析

1.1教學內容分析

本節課內容位于人教版普通高中教科書《生物學·必修2·遺傳與進化》第3章第3節。本節課內容在DNA結構的基礎上，進一步闡明DNA具有通過復制傳遞遺傳信息的功能，DNA分子的結構和復制是遺傳學的重要知識基礎，認識DNA分子復制的過程及特點等，有利于學生進一步理解和鞏固有絲分裂、減數分裂、遺傳規律等知識，從而認識遺傳的本質。同時，“DNA分子的復制”為后續學生理解基因突變、基因重組、生物進化、基因工程等內容奠定了基礎。

DNA復制方式的發現過程對學生的科學探究能力和科學思維有很大幫助，有利于提高學生的分析和解決問題的能力。對DNA復制過程的研究，蘊含著科學研究的過程和方法，具有重要的教育意義。DNA復制的過程具有微觀、動態、連續、抽象等特點，因此對DNA復制過程的探討既是本節課的教學重點，也是教學難點。

1.2學情分析

在進行本節課學習前，學生已經掌握了DNA雙螺旋結構、有絲分裂、減數分裂等相關基礎知識，對放射性同位素示蹤技術有一定了解，尚未接觸密度梯度離心技術。本節課將從分子水平探討生命的本質，具有較高的抽象性和學習難度。因此在教學中，教師除了引導學生自主探索、構建模型、合作學習外，還需要運用啟發式教學，通過創設問題情境激發學生的學習興趣，培養他們分析、歸納、概括的能力，落實生物學學科核心素養目標。

1.3教學總體思路

本節教學主要聚焦在DNA半保留復制方式的探究上。在實踐中，筆者發現當學生根據DNA半保留復制方式、DNA聚合酶催化子鏈延伸方向和邊解旋邊復制的特點等知識構建DNA復制過程時，會遇到思維上的難點，即其中一條子鏈是不可能連續復制下去，使學生不能充分理解DNA分子的復制過程。

因此，本節課除了探究DNA半保留復制方式外，還引入“DNA半不連續復制”的探究活動。教師設置該教學環節不是為了擴展學生知識，設計的主要目的是幫助學生全面深刻理解DNA復制過程，為后續基因工程等知識學習奠定基礎；同時也是希望在探究活動中提升學生理解、應用、思辨和創新的生物學學科能力，發展科學思維和科學探究。

2學習目標

（1）根據已有知識對DNA復制方式做出假設，設計實驗方案并預期實驗結果；對科學實證進行分析和討論，得出DNA半保留復制的結論，訓練科學探究的基本思路和方法，提高實踐能力。

（2）在模擬DNA復制過程時，能運用演繹與推理提出存在不連續復制的假說；通過對科學史資料的分析和討論得出結論，培養獲取信息的能力，鍛煉演繹、推理、分析等科學思維。

（3）能從結構和功能觀、進化與適應觀分析出DNA分子能精確復制和高效復制的機制，認識DNA復制的獨特性和復雜性，理解并闡述遺傳信息傳遞的意義。

3教學流程

教學流程如圖1所示。

4教學過程與實施

4.1創設情境，激發興趣

教師介紹某刑事案件中，法醫通過檢測現場殘留的血漬很快破案。通過核心問題“法醫最可能分析了血液中的什么化學物質？”驅動學生思考并得出結論，DNA是遺傳物質，不同個體的遺傳物質不同，DNA分子具有特異性。

4.2探究DNA分子的復制方式（一）——半保留復制

4.2.1提出問題，作出假設

結合DNA雙螺旋結構的特點，教師引導學生思考在細胞分裂間期，DNA可能會采取什么方式來復制一個與其一模一樣的DNA分子？學生運用知識思考并作出假設。

4.2.2演繹推理，設計實驗方案，預期結果

教師介紹科學家關于DNA復制方式的兩種推測（即半保留和全保留復制）和密度梯度離心的方法，通過兩個關鍵問題“這兩種復制方式有何不同？用什么方法來區分親代和子代DNA？”組織學生小組討論，設計出探究DNA分子復制方式的實驗方案并預測出實驗結果。

4.2.3分析實驗數據，驗證推測，得出結論

教師展示梅塞爾森（M.Meselson）和斯塔爾（F.Stahl）以大腸桿菌為實驗材料的實驗方案，引導學生分析實驗數據，得出結論，表達交流。

本探究性學習活動的設計，旨在加深學生對DNA半保留復制和全保留復制區別的理解，培養學生推理、比較的能力，發展科學思維和科學探究。

4.3探究DNA分子復制特點

首先，教師引導學生從DNA分子的穩定性和復制精細、高效的角度，分析DNA分子在復制過程中是邊解旋邊復制還是兩條鏈都解開后再開始復制。其次，教師講解復制過程需要DNA聚合酶，并結合該酶特點介紹引物，從結構功能觀引導學生演繹推理出DNA聚合酶只能按5’至3’方向合成子鏈DNA。第三，學生嘗試分析科學史資料，得出結論，驗證假說。

本環節引導學生從生物進化和DNA分子穩定性的角度推理出DNA分子邊解旋、邊復制的特點和DNA聚合酶催化子鏈延伸的方向，發展學生結構功能觀、進化適應觀和穩態平衡觀的生命觀念，鍛煉科學思維，同時為探究DNA半不連續復制奠定基礎。

4.4探究DNA分子的復制方式（二）——半不連續復制

4.4.1提出問題，作出假設

教師引導學生根據已有知識（復制方式半保留、復制過程需要引物、DNA聚合酶催化子鏈延伸方向等）嘗試在學案上繪制DNA分子復制簡圖（見圖2）。通過繪圖，學生提出問題，并嘗試作出假設。

4.4.2分析科學史資料，得出結論

教師展示Okazaki脈沖標記實驗，引導學生對實驗結果進行分析并得出結論。DNA復制時，子鏈會先形成短片段，然后再連接成長片段。同時教師提出新的疑問：該實驗能否判斷DNA子鏈的不連續合成只發生在一條鏈上，還是兩條鏈都如此？通過創設矛盾沖突，激發學生探究興趣。

教師組織學生閱讀學案中“探測尿嘧啶片段實驗”的科學史資料。通過層層深入的核心問題串，驅動學生分析出DNA分子半不連續的復制方式。

教師呈現科學史：在大腸桿菌細胞內，存在dUTP和dTTP，其比例約為1：300。DNA聚合酶無法區分這兩種底物，因此部分dUTP會被錯誤地引入到新合成的DNA中，形成A-U配對。為了避免這一問題，大腸桿菌進化出dUTPase酶，能夠水解dUTP生成dUMP和PPi，從而減少dUTP作為底物被摻人DNA。盡管如此，仍有部分dUTP未被完全水解而進入DNA。細胞內還存在另一種修復機制，即尿嘧啶-N-糖苷酶切除DNA中的尿嘧啶，并由AP內切核酸酶切除無嘌呤嘧啶部位，最后由DNA聚合酶填補缺口，完成修復（見圖3）。但尿嘧啶-N-糖苷酶無法區分由胞嘧啶脫氨形成的尿嘧啶和由dUTP錯誤引入的尿嘧啶，因此會對后者也進行切除和修復。這一過程非常緩慢，會導致新合成的DNA以短片段的形式存在，不論是連續還是不連續復制。研究人員利用dUTPase和尿嘧啶-N-糖苷酶缺失突變體進行了實驗。結果表明，在dUTPase缺失的突變株中，dUTP大量摻入導致DNA片段變短；而在尿嘧啶-N-糖苷酶缺失的突變株中，由于無法切除尿嘧啶，DNA片段并未出現。但即使在這些突變株中，仍有約50％的新合成DNA以短片段形式存在。

教師設計層層深入的問題串：本材料中提到了幾種情況會使DNA分子中摻人尿嘧啶脫氧核苷酸？機體如何解決這兩種不同情況產生的錯誤？該實驗的結果說明什么？科學家是如何設計實驗進行探究的？

設計意圖：本環節引導學生通過模擬DNA復制的過程，提出疑問，作出假設，分析科學史資料等探究性學習活動得出DNA半不連續的復制方式。主要目的是幫助學生科學全面地理解DNA復制過程，并在此過程中培養獲取信息、邏輯思維能力，發展科學思維和科學探究。

4.5概述DNA分子復制的過程和意義

首先，教師引導學生根據DNA分子半保留和半不連續的復制方式及邊解旋邊復制的特點，通過構建物理模型展開小組討論，團隊協作，概述出DNA分子復制過程；并根據復制過程，運用結構功能觀、穩態平衡觀分析DNA精準復制的原因及意義。

其次，教師展示DNA分子復制過程的模擬動畫，請學生根據動畫配音，將抽象微觀過程再次形象化，加深對核心概念和過程的理解。

5板書設計

教師通過問題引導學生構建DNA分子復制模型，并在板書上總結本書課的思維導圖。板書設計如圖5所示。維的閃光點，突破重難點，如磷脂雙分子層模型的構建，通過追問引導學生理解磷脂分子排列，最終得出細胞膜基本骨架是磷脂雙分子層。

在活動中還能讓學生理解科學探究的不易和科學家為追蹤真理不懈努力的科學精神，引導學生努力學習并為科學發展貢獻自己的力量，從而落實社會責任。

6教學反思

6.1運用科學史，有效落實生物學學科核心素養

本節課將課堂教學和科學史有機地結合起來，為學生鋪設了符合其認知規律的思維軌道，讓學生體驗了科學探究的過程。教師同時創設情境，設計核心問題驅動學生積極思考，主動參與課堂活動，培養學生的創新意識，提升自主學習和合作交流的能力。如從結構功能觀、穩態平衡觀、進化適應觀等方面歸納概括出DNA復制的過程，分析DNA復制所需要的條件及精確復制的原因；通過探究DNA的復制方式，引導學生設計實驗方案、預測實驗結果，掌握科學探究的一般思路和方法等。

6.2構建模型，將抽象問題具體化

DNA分子復制的過程是微觀抽象的，導致學生理解存在一定難度。本節課采用構建模型的方式將抽象問題具體化，如請學生在學案上以局部解旋的DNA分子為材料，結合已有知識繪制出DNA復制過程圖。在模擬復制的過程中，學生會遇到問題、提出疑問、分析問題并做出假設。此方法可有效地把微觀、抽象問題具體化、形象化，有效發展學生的科學思維和科學探究的同時，幫助學生深刻理解知識。