摘要：本節(jié)課通過展示科學(xué)史資料和構(gòu)建模型，引導(dǎo)學(xué)生探究DNA分子的半保留復(fù)制和半不連續(xù)復(fù)制兩種復(fù)制方式，并闡述DNA分子復(fù)制過程。學(xué)生結(jié)合DNA復(fù)制過程總結(jié)復(fù)制所需的條件，從結(jié)構(gòu)和功能觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀分析DNA能精確復(fù)制的原因，討論DNA復(fù)制的意義，在此過程中發(fā)展生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：DNA復(fù)制；科學(xué)史資料；模型構(gòu)建

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

1教學(xué)背景分析

1.1教學(xué)內(nèi)容分析

本節(jié)課內(nèi)容位于人教版普通高中教科書《生物學(xué)·必修2·遺傳與進(jìn)化》第3章第3節(jié)。本節(jié)課內(nèi)容在DNA結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步闡明DNA具有通過復(fù)制傳遞遺傳信息的功能，DNA分子的結(jié)構(gòu)和復(fù)制是遺傳學(xué)的重要知識基礎(chǔ)，認(rèn)識DNA分子復(fù)制的過程及特點等，有利于學(xué)生進(jìn)一步理解和鞏固有絲分裂、減數(shù)分裂、遺傳規(guī)律等知識，從而認(rèn)識遺傳的本質(zhì)。同時，“DNA分子的復(fù)制”為后續(xù)學(xué)生理解基因突變、基因重組、生物進(jìn)化、基因工程等內(nèi)容奠定了基礎(chǔ)。

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

1.2學(xué)情分析

在進(jìn)行本節(jié)課學(xué)習(xí)前，學(xué)生已經(jīng)掌握了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)、有絲分裂、減數(shù)分裂等相關(guān)基礎(chǔ)知識，對放射性同位素示蹤技術(shù)有一定了解，尚未接觸密度梯度離心技術(shù)。本節(jié)課將從分子水平探討生命的本質(zhì)，具有較高的抽象性和學(xué)習(xí)難度。因此在教學(xué)中，教師除了引導(dǎo)學(xué)生自主探索、構(gòu)建模型、合作學(xué)習(xí)外，還需要運用啟發(fā)式教學(xué)，通過創(chuàng)設(shè)問題情境激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)他們分析、歸納、概括的能力，落實生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)。

1.3教學(xué)總體思路

本節(jié)教學(xué)主要聚焦在DNA半保留復(fù)制方式的探究上。在實踐中，筆者發(fā)現(xiàn)當(dāng)學(xué)生根據(jù)DNA半保留復(fù)制方式、DNA聚合酶催化子鏈延伸方向和邊解旋邊復(fù)制的特點等知識構(gòu)建DNA復(fù)制過程時，會遇到思維上的難點，即其中一條子鏈?zhǔn)遣豢赡苓B續(xù)復(fù)制下去，使學(xué)生不能充分理解DNA分子的復(fù)制過程。

因此，本節(jié)課除了探究DNA半保留復(fù)制方式外，還引入“DNA半不連續(xù)復(fù)制”的探究活動。教師設(shè)置該教學(xué)環(huán)節(jié)不是為了擴(kuò)展學(xué)生知識，設(shè)計的主要目的是幫助學(xué)生全面深刻理解DNA復(fù)制過程，為后續(xù)基因工程等知識學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)；同時也是希望在探究活動中提升學(xué)生理解、應(yīng)用、思辨和創(chuàng)新的生物學(xué)學(xué)科能力，發(fā)展科學(xué)思維和科學(xué)探究。

2學(xué)習(xí)目標(biāo)

（1）根據(jù)已有知識對DNA復(fù)制方式做出假設(shè)，設(shè)計實驗方案并預(yù)期實驗結(jié)果；對科學(xué)實證進(jìn)行分析和討論，得出DNA半保留復(fù)制的結(jié)論，訓(xùn)練科學(xué)探究的基本思路和方法，提高實踐能力。

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

（3）能從結(jié)構(gòu)和功能觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀分析出DNA分子能精確復(fù)制和高效復(fù)制的機(jī)制，認(rèn)識DNA復(fù)制的獨特性和復(fù)雜性，理解并闡述遺傳信息傳遞的意義。

3教學(xué)流程

教學(xué)流程如圖1所示。

4教學(xué)過程與實施

4.1創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)興趣

教師介紹某刑事案件中，法醫(yī)通過檢測現(xiàn)場殘留的血漬很快破案。通過核心問題“法醫(yī)最可能分析了血液中的什么化學(xué)物質(zhì)？”驅(qū)動學(xué)生思考并得出結(jié)論，DNA是遺傳物質(zhì)，不同個體的遺傳物質(zhì)不同，DNA分子具有特異性。

4.2探究DNA分子的復(fù)制方式（一）——半保留復(fù)制

4.2.1提出問題，作出假設(shè)

結(jié)合DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的特點，教師引導(dǎo)學(xué)生思考在細(xì)胞分裂間期，DNA可能會采取什么方式來復(fù)制一個與其一模一樣的DNA分子？學(xué)生運用知識思考并作出假設(shè)。

4.2.2演繹推理，設(shè)計實驗方案，預(yù)期結(jié)果

教師介紹科學(xué)家關(guān)于DNA復(fù)制方式的兩種推測（即半保留和全保留復(fù)制）和密度梯度離心的方法，通過兩個關(guān)鍵問題“這兩種復(fù)制方式有何不同？用什么方法來區(qū)分親代和子代DNA？”組織學(xué)生小組討論，設(shè)計出探究DNA分子復(fù)制方式的實驗方案并預(yù)測出實驗結(jié)果。

4.2.3分析實驗數(shù)據(jù)，驗證推測，得出結(jié)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(dǎo)學(xué)生分析實驗數(shù)據(jù)，得出結(jié)論，表達(dá)交流。

本探究性學(xué)習(xí)活動的設(shè)計，旨在加深學(xué)生對DNA半保留復(fù)制和全保留復(fù)制區(qū)別的理解，培養(yǎng)學(xué)生推理、比較的能力，發(fā)展科學(xué)思維和科學(xué)探究。

4.3探究DNA分子復(fù)制特點

首先，教師引導(dǎo)學(xué)生從DNA分子的穩(wěn)定性和復(fù)制精細(xì)、高效的角度，分析DNA分子在復(fù)制過程中是邊解旋邊復(fù)制還是兩條鏈都解開后再開始復(fù)制。其次，教師講解復(fù)制過程需要DNA聚合酶，并結(jié)合該酶特點介紹引物，從結(jié)構(gòu)功能觀引導(dǎo)學(xué)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(xué)生嘗試分析科學(xué)史資料，得出結(jié)論，驗證假說。

本環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生從生物進(jìn)化和DNA分子穩(wěn)定性的角度推理出DNA分子邊解旋、邊復(fù)制的特點和DNA聚合酶催化子鏈延伸的方向，發(fā)展學(xué)生結(jié)構(gòu)功能觀、進(jìn)化適應(yīng)觀和穩(wěn)態(tài)平衡觀的生命觀念，鍛煉科學(xué)思維，同時為探究DNA半不連續(xù)復(fù)制奠定基礎(chǔ)。

4.4探究DNA分子的復(fù)制方式（二）——半不連續(xù)復(fù)制

4.4.1提出問題，作出假設(shè)

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

4.4.2分析科學(xué)史資料，得出結(jié)論

教師展示Okazaki脈沖標(biāo)記實驗，引導(dǎo)學(xué)生對實驗結(jié)果進(jìn)行分析并得出結(jié)論。DNA復(fù)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?zāi)芊衽袛郉NA子鏈的不連續(xù)合成只發(fā)生在一條鏈上，還是兩條鏈都如此？通過創(chuàng)設(shè)矛盾沖突，激發(fā)學(xué)生探究興趣。

教師組織學(xué)生閱讀學(xué)案中“探測尿嘧啶片段實驗”的科學(xué)史資料。通過層層深入的核心問題串，驅(qū)動學(xué)生分析出DNA分子半不連續(xù)的復(fù)制方式。

教師呈現(xiàn)科學(xué)史：在大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)，存在dUTP和dTTP，其比例約為1：300。DNA聚合酶無法區(qū)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(jìn)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(jìn)入DNA。細(xì)胞內(nèi)還存在另一種修復(fù)機(jī)制，即尿嘧啶-N-糖苷酶切除DNA中的尿嘧啶，并由AP內(nèi)切核酸酶切除無嘌呤嘧啶部位，最后由DNA聚合酶填補(bǔ)缺口，完成修復(fù)（見圖3）。但尿嘧啶-N-糖苷酶無法區(qū)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(jìn)行切除和修復(fù)。這一過程非常緩慢，會導(dǎo)致新合成的DNA以短片段的形式存在，不論是連續(xù)還是不連續(xù)復(fù)制。研究人員利用dUTPase和尿嘧啶-N-糖苷酶缺失突變體進(jìn)行了實驗。結(jié)果表明，在dUTPase缺失的突變株中，dUTP大量摻入導(dǎo)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(xiàn)。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(shè)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(jī)體如何解決這兩種不同情況產(chǎn)生的錯誤？該實驗的結(jié)果說明什么？科學(xué)家是如何設(shè)計實驗進(jìn)行探究的？

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生通過模擬DNA復(fù)制的過程，提出疑問，作出假設(shè)，分析科學(xué)史資料等探究性學(xué)習(xí)活動得出DNA半不連續(xù)的復(fù)制方式。主要目的是幫助學(xué)生科學(xué)全面地理解DNA復(fù)制過程，并在此過程中培養(yǎng)獲取信息、邏輯思維能力，發(fā)展科學(xué)思維和科學(xué)探究。

4.5概述DNA分子復(fù)制的過程和意義

首先，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)DNA分子半保留和半不連續(xù)的復(fù)制方式及邊解旋邊復(fù)制的特點，通過構(gòu)建物理模型展開小組討論，團(tuán)隊協(xié)作，概述出DNA分子復(fù)制過程；并根據(jù)復(fù)制過程，運用結(jié)構(gòu)功能觀、穩(wěn)態(tài)平衡觀分析DNA精準(zhǔn)復(fù)制的原因及意義。

其次，教師展示DNA分子復(fù)制過程的模擬動畫，請學(xué)生根據(jù)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(shè)計

教師通過問題引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建DNA分子復(fù)制模型，并在板書上總結(jié)本書課的思維導(dǎo)圖。板書設(shè)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(gòu)建，通過追問引導(dǎo)學(xué)生理解磷脂分子排列，最終得出細(xì)胞膜基本骨架是磷脂雙分子層。

在活動中還能讓學(xué)生理解科學(xué)探究的不易和科學(xué)家為追蹤真理不懈努力的科學(xué)精神，引導(dǎo)學(xué)生努力學(xué)習(xí)并為科學(xué)發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量，從而落實社會責(zé)任。

6教學(xué)反思

6.1運用科學(xué)史，有效落實生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

本節(jié)課將課堂教學(xué)和科學(xué)史有機(jī)地結(jié)合起來，為學(xué)生鋪設(shè)了符合其認(rèn)知規(guī)律的思維軌道，讓學(xué)生體驗了科學(xué)探究的過程。教師同時創(chuàng)設(shè)情境，設(shè)計核心問題驅(qū)動學(xué)生積極思考，主動參與課堂活動，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提升自主學(xué)習(xí)和合作交流的能力。如從結(jié)構(gòu)功能觀、穩(wěn)態(tài)平衡觀、進(jìn)化適應(yīng)觀等方面歸納概括出DNA復(fù)制的過程，分析DNA復(fù)制所需要的條件及精確復(fù)制的原因；通過探究DNA的復(fù)制方式，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗方案、預(yù)測實驗結(jié)果，掌握科學(xué)探究的一般思路和方法等。

6.2構(gòu)建模型，將抽象問題具體化

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