“DNA的复制”教学设计

杨术芹

(内蒙古赤峰学院附属中学 赤峰 024000)

1 教材分析和设计思路

“DNA的复制”是人教版高中生物学教材《遗传与进化》第3章第3节的内容。本节内容包括对DNA分子复制的推测、DNA半保留复制的实验证据(选学)和DNA分子复制的过程3部分内容。DNA分子复制的推测，旨在使学生了解沃森和克里克在制作DNA模型后，推测了DNA分子的自我复制的机制这一事实，更重要的是使学生理解结构与功能的内在联系。DNA半保留复制的实验证据很好地揭示生物学研究必须源于实证，并体现了假说—演绎法的科学研究方法，但由于证明DNA半保留复制实验的难度较大，教材将这部分内容安排为选学。按就近发展区原则，可增加一个密度梯度离心的模拟实验作为铺垫，再引出半保留复制和全保留复制方式，然后引导学生设计实验，演绎推理实验结果，最终理解DNA半保留复制的实验验证。DNA分子的复制过程是本节教学的重点，学生已经了解了复制方式，为促使学生“做中学”，在“做”中理解知识，组织学生利用卡纸制作的DNA分子模型和游离的脱氧核苷酸模拟DNA分子的复制过程。让学生在模型构建的活动中发现问题，师生合作解决问题。

2 教学目标

基于课程标准并围绕培养学生核心素养的要求,制订了如下教学目标：

(1) 通过DNA分子的半保留复制的实验证据和DNA分子复制的时间、过程、特点、条件的学习和掌握，形成结构与功能统一的观点。

(2) 通过密度梯度离心模拟实验降低实验难度，引导学生演绎实验结果，体会假说—演绎法的科学研究方法及生物学的实证特征。通过用模型模拟DNA分子的复制过程的活动，学会模型构建的科学研究方法，并在活动中培养发现问题、解决问题的能力。

(3) 通过本节课的学习与癌症原因的分析相联系，关注科学发展并形成健康的生命观。

3 教学过程

3.1 创设情境，导入新课 提问：癌症是困扰人类健康的一个难题，罹患癌症的原因到底是什么呢？出示新闻报道资料：美国科学家利用数学模型对32种癌症进行了分析，结果表明：约66%的致癌突变要归咎于DNA复制时随机出现的错误，DNA复制错误可谓是“罪魁祸首”，那么DNA是怎样复制的呢？引出本节学习的内容。

设计意图：利用最新科技成果导入，激发学生学习兴趣，养成关注科学发展的习惯。

3.2 对DNA分子复制的推测 沃森和克里克在发表DNA双螺旋结构模型后提出了DNA的自我复制的假说。出示该模型图并让学生依图解释沃森和克里克提出的半保留复制假说。

设计意图：了解科学发展史，培养学生图文信息转化能力。

3.3 DNA半保留复制的实验证据 从假说到模拟实验，再到实验验证来让学生逐渐理解半保留复制的验证过程。

3.3.1 DNA复制的假说 出示科学家提出的DNA全保留和半保留复制的两种假说图解，提示学生全保留复制是指母链DNA分开，分别复制形成两条子链DNA，此后两条母链DNA彼此结合，恢复原状，新合成的两条子链彼此互补结合形成一条新的双链DNA分子。提出问题：“怎样证明DNA复制方式是半保留复制还是全保留复制呢？”

图1 分子梯度模拟实验

3.3.2 密度梯度模拟实验 教师拿出依次装有四氯化碳、水、大豆油的烧杯，再将图1中左侧所示的穿插有不同数目钢钉的三种泡沫条结构a、 b、 c放入烧杯，可出现图1右侧所示结果。让学生观察并思考为什么会出现这种现象？学生观察后很容易发现穿有钢钉数目少的a在最上层，钢钉数目最多的c在最下层，钢钉数目居中的位于中间层。再引导学生明白钢钉数目多少可代表分子量大小。然后教师提示：四氯化碳、水、大豆油的密度依次降低，即烧杯中的液体从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，从该实验结果可说明：分子量较小的DNA分子可漂浮在密度较低的液体中，分子量较大的DNA分子可漂浮在密度较大的液体中。

3.3.3 密度梯度离心实验验证 教师提出问题：“如果亲代DNA的两条链均为N15的重链，将含这种DNA分子的大肠杆菌放在仅含N14的培养基上，让其繁殖2代。按照半保留复制假说和全保留复制假说，分别写出其子代DNA分子的组成及含量。”学生分组讨论预测结果，教师巡回指导。(按全保留复制，则F1的DNA分子为N15N15占1/2， N14N14占1/2， F2的DNA为N15N15占1/4， N14N14占3/4；按半保留复制，则F1的DNA分子全为N15N14， F2的DNA为N14N15占1/2， N14N14占1/2。)

然后教师以多媒体出示：已知将氯化铯溶液离心，溶液中的铯离子会向离心管底部运动，随着铯离子浓度增大，底部密度也增大，即形成了密度梯度溶液。提出问题：“如果将上述大肠杆菌亲代、子一代和子二代DNA提取出来，在氯化铯溶液中离心，则会出现怎样的结果？”请学生图解该结果，教师点评。最后指出科学家Meselson和Stahl就做了上述实验，实验结果与半保留复制一致，故DNA分子复制方式为半保留复制。

设计意图：通过密度梯度离心模拟实验降低实验难度，引导学生演绎实验结果，体会假说演绎法的科学研究方法及生物学的实证特征。

3.4 DNA分子的复制 通过模型构建和资料分析来学习该部分内容。

3.4.1 利用模型构建的方法学习DNA复制过程 动手活动：各小组利用上节课所制作的DNA分子模型和脱氧核苷酸卡纸模型等模拟DNA的半保留复制的过程。教师巡回指导。学生在模拟活动过程中都懂得首先由解旋酶利用能量将DNA分子两条链解旋开，形成模板，然后按照碱基互补配对原则将相应的核苷酸连接上去，再形成磷酸二酯键合成子链。但是也暴露了两个问题：①DNA分子的两条链是否需要完全分开成单链才能开始复制？②子链合成方向是从5′端到3′端，还是从3′端到5′端？请学生观察教材54页图3-13可知，在解旋的同时就开始复制了，并非两条链完全分开后才开始复制。第②个问题主要取决于DNA聚合酶，DNA聚合酶只能催化前一个核苷酸3′碳上羟基中的氢与后一个核苷酸5′碳上磷酸基团中的羟基之间发生脱水聚合反应，形成3′，5′-磷酸二酯键，故子链合成方向只能是从5′端到3′端。请学生代表在黑板上用这些模型模拟一下DNA复制过程。教师总结DNA复制过程为：解旋→合成子链→螺旋化。

设计意图：使学生体验模型建构在科学研究中的魅力，锻炼学生动手操作能力，体验在实践中发现问题解决问题的能力，培养学生合作学习能力。

3.4.2 识图、分析资料，学习DNA复制的特点 展示教材54页图3-13，请观察DNA复制的特点——边解旋边复制；展示材料：“研究发现，人类瘤细胞中最长的DNA分子达36000μm， DNA复制速度约为4μm/min，按此计算，完成瘤细胞该DNA分子复制需9000min，但实际仅40min即完成。”说明DNA复制还有什么特点？引导学生明白多起点复制的特点。

设计意图：通过识图和分析资料，来学习DNA“多起点复制”的特点，培养资料分析能力。

3.4.3 讨论填表 同桌间讨论，完成表1，教师巡回指导。最后提出问题：DNA复制通常是准确的，但也会出错，出错后有什么利害呢？学生讨论回答。(利：产生变异，有利于生物的进化；害：发生如本节课开始所报道的细胞癌变。)

表1 DNA复制的总结

表1 DNA复制的总结

复制的时期有丝分裂间期或减数第一次分裂前的间期复制的场所主要在细胞核复制的基本条件模板、ATP、四种脱氧核苷酸和酶复制的特点边解旋边复制,多起点复制准确性原因独特的双螺旋模板和碱基互补配对原则复制准确的意义 将亲代的遗传信息传递给子代并保持了遗传信息的连续性