吳銀峰 馬明

摘要 介紹了在課堂教學(xué)中學(xué)生利用紙張、剪刀、回形針等工具進(jìn)行“DNA半保留復(fù)制”模型制作。應(yīng)用該模型可突破學(xué)習(xí)的重難點(diǎn)，提高課堂教學(xué)的有效性，同時(shí)有助于激發(fā)學(xué)生探究學(xué)習(xí)的興趣。教師可根據(jù)此模型做出相關(guān)拓展，使學(xué)生在學(xué)習(xí)活動(dòng)中提升科學(xué)思維能力，發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 DNA 半保留復(fù)制 模型制作 課堂教學(xué)

中圖分類號(hào) G633.91? ???? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

DNA通過半保留復(fù)制將遺傳信息傳遞給下一代。由于DNA分子結(jié)構(gòu)的空間復(fù)雜性和組成要素的多樣性，以及DNA分子復(fù)制過程的抽象性和動(dòng)態(tài)性等特征，學(xué)生對(duì)DNA復(fù)制的認(rèn)知和理解具有一定的難度。DNA半保留復(fù)制是以DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的復(fù)雜酶促反應(yīng)過程，具有微觀屬性，因此在課堂教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生無法通過觀察真實(shí)情景實(shí)現(xiàn)有效學(xué)習(xí)。在關(guān)于DNA半保留復(fù)制的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生因知識(shí)抽象導(dǎo)致理解困難，甚至?xí)霈F(xiàn)認(rèn)知錯(cuò)誤的現(xiàn)象?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確提出，本課程高度關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的實(shí)踐經(jīng)歷，強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)過程是主動(dòng)參與的過程，讓學(xué)生積極參與動(dòng)手和動(dòng)腦的活動(dòng)，通過探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)或完成工程學(xué)任務(wù)，加深對(duì)生物學(xué)概念的理解，提升應(yīng)用知識(shí)的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神......為了讓學(xué)生更好地理解與掌握教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)中要高度重視學(xué)生的實(shí)踐環(huán)節(jié)，力求為學(xué)生提供更多的動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)。教師可開展創(chuàng)新性教學(xué)活動(dòng)，促進(jìn)抽象知識(shí)形象化，以糾正學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知偏差。在教學(xué)實(shí)踐的探索中，筆者采用以學(xué)生構(gòu)建模型為主、教師引導(dǎo)為輔的形式。由于DNA分子復(fù)制過程包含多個(gè)步驟，且每個(gè)步驟涉及不同的酶類，過程復(fù)雜，通過構(gòu)建DNA分子復(fù)制動(dòng)態(tài)模型，可幫助學(xué)生準(zhǔn)確描述DNA分子復(fù)制的細(xì)節(jié)過程，深刻理解并科學(xué)解釋DNA分子半保留復(fù)制方式。

1“DNA半保留復(fù)制”模型制作的準(zhǔn)備

1.1材料用具

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)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(fù)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(jīng)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(shù)量的游離脫氧核苷酸粘貼使用。

2在教學(xué)中進(jìn)行“DNA半保留復(fù)制”模型制作

2.1制作的過程

2.1.1模擬解旋過程

學(xué)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(xué)生明確為了簡化模型，沒有給出立體雙螺旋結(jié)構(gòu)，而是以平面圖代替。教師可用問題串引導(dǎo)模擬過程，其過程見表1。

2.1.2模擬游離脫氧核苷酸的結(jié)合

該模擬過程分為對(duì)游離脫氧核苷酸的正確粘貼和成果展示與評(píng)價(jià)兩個(gè)階段。

粘貼過程：學(xué)生將圖4打開后，得到了圖3的狀態(tài)，再利用游離的脫氧核苷酸模型教具，按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，使用固體膠將脫氧核苷酸模型教具粘貼上去。這個(gè)過程教師的問題串引導(dǎo)特別關(guān)鍵，見表2。

展示和評(píng)價(jià)：粘貼完畢后，教師要對(duì)學(xué)生的成果進(jìn)行及時(shí)展示和評(píng)價(jià)，有利于及時(shí)糾正學(xué)生在模擬過程中發(fā)生的某些錯(cuò)誤，如配對(duì)錯(cuò)誤和雙鏈的方向性錯(cuò)誤，提高對(duì)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的正確認(rèn)識(shí)。評(píng)價(jià)階段主要利用生生互評(píng)糾錯(cuò)，教師評(píng)價(jià)以鼓勵(lì)和正面評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)兩個(gè)階段。磷酸二酯鍵的形成：在學(xué)生上一步的成果基礎(chǔ)上，用彩筆將磷酸基團(tuán)和脫氧核糖通過劃線連接并標(biāo)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(dǎo)見表3。

成果展示和評(píng)價(jià)：連線完成后，教師要對(duì)學(xué)習(xí)小組的成果進(jìn)行展示和評(píng)價(jià)，及時(shí)糾正學(xué)生的模擬過程發(fā)生的連線錯(cuò)誤。評(píng)價(jià)階段仍是主要通過生生互評(píng)糾錯(cuò)，教師評(píng)價(jià)以鼓勵(lì)和正面評(píng)價(jià)為主。

2.2知識(shí)延伸和拓展

利用模型制作進(jìn)行知識(shí)延伸和拓展，可以有效提高課堂教學(xué)的深度和廣度。

2.2.1DNA多點(diǎn)復(fù)制的拓展教師提出問題：每位同學(xué)模擬一小段DNA的復(fù)制需要耗費(fèi)一段時(shí)間。但在正常細(xì)胞周期中，幾個(gè)小時(shí)內(nèi)要完成“天量”的復(fù)制任務(wù)。如何模擬以提高DNA復(fù)制的速率？

學(xué)生回答：每位同學(xué)負(fù)責(zé)一小段的復(fù)制任務(wù)，很多同學(xué)同時(shí)操作模擬復(fù)制過程。

教師點(diǎn)評(píng)：對(duì)，其實(shí)DNA的復(fù)制可以有多個(gè)DNA聚合酶從多個(gè)起點(diǎn)分段同時(shí)復(fù)制，以提高DNA復(fù)制的速率。例如，女性子宮瘤細(xì)胞中最長的DNA分子可達(dá)36mm，DNA復(fù)制速度為4μm/min，但復(fù)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(fù)制過程，可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步分析細(xì)胞增殖過程中子代細(xì)胞中姐妹染色單體的放射性分布。教師利用此模型進(jìn)行變式拓展，可提高學(xué)生在復(fù)雜情景下的知識(shí)遷移和分析能力。

2.2.3關(guān)于基因突變的拓展

教師提出問題：如果有同學(xué)在模擬DNA半保留復(fù)制的過程中，使用游離的脫氧核苷酸配對(duì)錯(cuò)誤。這將會(huì)發(fā)生什么？

學(xué)生回答：遺傳信息的改變。

教師點(diǎn)評(píng)：對(duì)，這其實(shí)就是變異中基因突變的一種來源，我們會(huì)在后續(xù)的學(xué)習(xí)中拓展。

2.2.4關(guān)于DNA復(fù)制原料的計(jì)算

教師提出問題：按照模型制作的復(fù)制模式推演，假如復(fù)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(gè)？一共要消耗多少游離的胞嘧啶脫氧核苷酸？經(jīng)歷過模型制作過程的學(xué)生有了感性體驗(yàn)，對(duì)此問題的分析有了想象的空間和對(duì)象，不難得出答案。

2.4.5關(guān)于PCR的相關(guān)問題

對(duì)進(jìn)行PCR的必要條件的推導(dǎo)，教師可以根據(jù)模型演示過程，引導(dǎo)學(xué)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(shí)現(xiàn)有效知識(shí)的遷移、鞏固和拓展。

3教學(xué)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(fù)性使用及多知識(shí)點(diǎn)教學(xué)使用等。教師在教學(xué)活動(dòng)過程中應(yīng)充分利用該模型進(jìn)行拓展和延伸，以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。

從知識(shí)層面來看，教師借助模型制作模擬DNA半保留復(fù)制，使學(xué)生不僅理解了DNA復(fù)制過程，鞏固了對(duì)DNA分子結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識(shí)的再認(rèn)知，還為細(xì)胞增殖和可遺傳變異的學(xué)習(xí)奠定了分子學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)。模型制作過程把微觀問題表觀形象化、可操作動(dòng)態(tài)化，不僅可以展示DNA半保留動(dòng)態(tài)復(fù)制過程，還可以此為基礎(chǔ)多方面拓展和延伸，實(shí)現(xiàn)教具的多樣化使用，如對(duì)基因突變的初步認(rèn)識(shí)和理解等。

從認(rèn)識(shí)論的角度來說，該模型制作實(shí)現(xiàn)了從感性認(rèn)識(shí)向理性認(rèn)識(shí)的轉(zhuǎn)變，使學(xué)生逐步形成科學(xué)思維能力，并學(xué)會(huì)運(yùn)用科學(xué)的思維和方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問題。在課堂教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生對(duì)DNA的半保留復(fù)制很感興趣，但由于該過程涉及DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)和晦澀難懂的化學(xué)分子的名詞，所以在“模糊”的前概念基礎(chǔ)上建構(gòu)新知識(shí)，其學(xué)習(xí)效果并不理想。因此，教師如果用模型制作的體驗(yàn)建構(gòu)過程替代閱讀和概念灌輸過程，將DNA半保留復(fù)制過程變?yōu)槟Ｐ椭谱鞯膭?dòng)手動(dòng)腦過程，可以大大提高學(xué)習(xí)效率和有效性。

從合作學(xué)習(xí)來看，DNA半保留復(fù)制的模型制作要求學(xué)生在小組合作的基礎(chǔ)上完成的。這是由于個(gè)體動(dòng)手和思維的局限性，通過學(xué)習(xí)小組合作共同完成學(xué)習(xí)活動(dòng)，可起到事半功倍的作用。學(xué)生通過團(tuán)隊(duì)的操作體驗(yàn)，發(fā)揮“頭腦風(fēng)暴”的優(yōu)勢，將抽象復(fù)雜的分子水平的知識(shí)呈現(xiàn)為實(shí)踐操作過程，再通過團(tuán)體的智慧實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移，將知識(shí)有效地內(nèi)化，不僅豐富了學(xué)生學(xué)習(xí)的體驗(yàn)過程，也提高了課堂教學(xué)的有效性。

建模教學(xué)策略作為近幾年全球教育領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，其讓學(xué)生通過建?；顒?dòng)深入理解知識(shí)形成過程的核心理念，成為當(dāng)前課堂上生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，尤其是科學(xué)思維能力提升的重要教學(xué)策略之一。因此，在課堂教學(xué)中教師通過適當(dāng)指導(dǎo)學(xué)生的模型制作活動(dòng)，在優(yōu)化相關(guān)認(rèn)知過程、有效降低學(xué)習(xí)難度的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生通過類比推理思考相關(guān)問題，并對(duì)這些問題進(jìn)行小組的討論、分析和交流，在理論和實(shí)踐不斷碰撞過程中，不僅有效促進(jìn)了學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)的能動(dòng)性，不斷發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維，還提高了課堂教學(xué)的深度和廣度?？傊_展動(dòng)手類的物理模型模擬和演示實(shí)驗(yàn)，特別有利于課堂教學(xué)中探究性學(xué)習(xí)情境創(chuàng)設(shè)，有助于學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成。

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