楊術芹

(內蒙古赤峰學院附屬中學 赤峰 024000)

1 教材分析和設計思路

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

2 教學目標

基于課程標準并圍繞培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的要求,制訂了如下教學目標：

(1) 通過DNA分子的半保留復制的實驗證據(jù)和DNA分子復制的時間、過程、特點、條件的學習和掌握，形成結構與功能統(tǒng)一的觀點。

(2) 通過密度梯度離心模擬實驗降低實驗難度，引導學生演繹實驗結果，體會假說—演繹法的科學研究方法及生物學的實證特征。通過用模型模擬DNA分子的復制過程的活動，學會模型構建的科學研究方法，并在活動中培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

(3) 通過本節(jié)課的學習與癌癥原因的分析相聯(lián)系，關注科學發(fā)展并形成健康的生命觀。

3 教學過程

3.1 創(chuàng)設情境，導入新課 提問：癌癥是困擾人類健康的一個難題，罹患癌癥的原因到底是什么呢？出示新聞報道資料：美國科學家利用數(shù)學模型對32種癌癥進行了分析，結果表明：約66%的致癌突變要歸咎于DNA復制時隨機出現(xiàn)的錯誤，DNA復制錯誤可謂是“罪魁禍首”，那么DNA是怎樣復制的呢？引出本節(jié)學習的內容。

設計意圖：利用最新科技成果導入，激發(fā)學生學習興趣，養(yǎng)成關注科學發(fā)展的習慣。

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

設計意圖：了解科學發(fā)展史，培養(yǎng)學生圖文信息轉化能力。

3.3 DNA半保留復制的實驗證據(jù) 從假說到模擬實驗，再到實驗驗證來讓學生逐漸理解半保留復制的驗證過程。

3.3.1 DNA復制的假說 出示科學家提出的DNA全保留和半保留復制的兩種假說圖解，提示學生全保留復制是指母鏈DNA分開，分別復制形成兩條子鏈DNA，此后兩條母鏈DNA彼此結合，恢復原狀，新合成的兩條子鏈彼此互補結合形成一條新的雙鏈DNA分子。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？”

圖1 分子梯度模擬實驗

3.3.2 密度梯度模擬實驗 教師拿出依次裝有四氯化碳、水、大豆油的燒杯，再將圖1中左側所示的穿插有不同數(shù)目鋼釘?shù)娜N泡沫條結構a、 b、 c放入燒杯，可出現(xiàn)圖1右側所示結果。讓學生觀察并思考為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象？學生觀察后很容易發(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。再引導學生明白鋼釘數(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，從該實驗結果可說明：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 密度梯度離心實驗驗證 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分子的組成及含量。”學生分組討論預測結果，教師巡回指導。(按全保留復制，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，溶液中的銫離子會向離心管底部運動，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，則會出現(xiàn)怎樣的結果？”請學生圖解該結果，教師點評。最后指出科學家Meselson和Stahl就做了上述實驗，實驗結果與半保留復制一致，故DNA分子復制方式為半保留復制。

設計意圖：通過密度梯度離心模擬實驗降低實驗難度，引導學生演繹實驗結果，體會假說演繹法的科學研究方法及生物學的實證特征。

3.4 DNA分子的復制 通過模型構建和資料分析來學習該部分內容。

3.4.1 利用模型構建的方法學習DNA復制過程 動手活動：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的半保留復制的過程。教師巡回指導。學生在模擬活動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，然后按照堿基互補配對原則將相應的核苷酸連接上去，再形成磷酸二酯鍵合成子鏈。但是也暴露了兩個問題：①DNA分子的兩條鏈是否需要完全分開成單鏈才能開始復制？②子鏈合成方向是從5′端到3′端，還是從3′端到5′端？請學生觀察教材54頁圖3-13可知，在解旋的同時就開始復制了，并非兩條鏈完全分開后才開始復制。第②個問題主要取決于DNA聚合酶，DNA聚合酶只能催化前一個核苷酸3′碳上羥基中的氫與后一個核苷酸5′碳上磷酸基團中的羥基之間發(fā)生脫水聚合反應，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。請學生代表在黑板上用這些模型模擬一下DNA復制過程。教師總結DNA復制過程為：解旋→合成子鏈→螺旋化。

設計意圖：使學生體驗模型建構在科學研究中的魅力，鍛煉學生動手操作能力，體驗在實踐中發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，培養(yǎng)學生合作學習能力。

3.4.2 識圖、分析資料，學習DNA復制的特點 展示教材54頁圖3-13，請觀察DNA復制的特點——邊解旋邊復制；展示材料：“研究發(fā)現(xiàn)，人類瘤細胞中最長的DNA分子達36000μm， DNA復制速度約為4μm/min，按此計算，完成瘤細胞該DNA分子復制需9000min，但實際僅40min即完成。”說明DNA復制還有什么特點？引導學生明白多起點復制的特點。

設計意圖：通過識圖和分析資料，來學習DNA“多起點復制”的特點，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。最后提出問題：DNA復制通常是準確的，但也會出錯，出錯后有什么利害呢？學生討論回答。(利：產(chǎn)生變異，有利于生物的進化；害：發(fā)生如本節(jié)課開始所報道的細胞癌變。)

表1 DNA復制的總結

表1 DNA復制的總結

復制的時期有絲分裂間期或減數(shù)第一次分裂前的間期復制的場所主要在細胞核復制的基本條件模板、ATP、四種脫氧核苷酸和酶復制的特點邊解旋邊復制,多起點復制準確性原因獨特的雙螺旋模板和堿基互補配對原則復制準確的意義 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