指向学生科学思维发展的“DNA的复制”教学设计

摘要：在“DNA的复制”一节的教学中，学生基于DNA的结构，提出DNA复制的猜想，小组合作历经材料选择、方法设计、预期结果、得出结论等科学探究过程寻找实验证据，发展演绎推理的科学思维；通过构建模型动态模拟、体验DNA复制的过程，化抽象为直观。

关键词：科学思维；模型构建；实验设计；演绎推理

文章编号：1003-7586（2024）02-0053-04 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

1教材分析及设计思路

“DNA的复制”是人教版《普通高中教科书生物学必修2遗传与进化》第3章第3节的内容。本章内容是学生在理解遗传的细胞学基础后，对于遗传物质化学本质的探究。经过前两节课的学习，学生明白DNA之所以能储存遗传信息与其独特的双螺旋结构密不可分。本节内容从DNA的结构出发，探究DNA的复制方式，有助于学生理解遗传信息稳定传递的意义，进而建立相应的生命观念，也为学生理解DNA与基因的关系以及基因是如何发挥作用的做铺垫。本节内容包含“对DNA复制的推测”“DNA半保留复制的实验证据”以及“DNA复制的过程”三部分，本节内容浸透了科学家的思维智慧，是发展学生科学思维，提升核心素养的绝佳素材，也对学生结构和功能观、遗传和进化观的形成与发展有着重要意义。

高中生物课堂中，教师对科学史素材处理不当就会落入“纸上谈兵”的境地，因而教师要尽可能创造真实的科学探究情境，让学生经历做出假说－材料选择－方法设计－流程总结的实验流程，设计有思维梯度和深度的问题，积极思考实验中面临的各种问题，预期实验结果，得出实验结论，从而培养学生高阶思维能力。与此同时，教师借助简单明了的模型，呈现DNA复制的动态过程，帮助学生实现思维可视化。

2教学目标

基于《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》的内容要求、学业要求及学业质量标准，围绕培养学生核心素养的要求，制订了如下教学目标：

（1）结合DNA的双螺旋结构，对DNA复制的方式做出假设，设计实验探究DNA复制的方式，认同DNA复制方式与其结构相适应，发展归纳与概括的科学思维，提升小组合作进行科学探究的能力。

（2）基于假说预期实验结果，发展演绎与推理的科学思维，培养解决科学问题的能力。

（3）小组合作，尝试构建DNA半保留复制的动态模型，认同DNA的复制需要物质和能量以及半保留复制对于亲子代间遗传物质一致性的重要意义，发展模型构建的能力。

（4）关注不健康的生活方式对DNA复制的不良影响，促进健康生活基本观念的形成与发展。

3教学过程

3.1温故知新，提出猜想

学生根据教师发放的如图1所示的DNA双螺旋结构平面模型，回忆DNA双螺旋结构的主要特点。教师总结，DNA能储存遗传信息与其独特的双螺旋结构密不可分。提出问题：DNA是如何传递遗传信息的？教师呈现资料：沃森和克里克在发表的DNA双螺旋结构的那篇著名短文的结尾处写道“在提出碱基特异性配对的看法后，我们立即叉提出了遗传物质进行复制的一种可能机理。”根据DNA的结构，结合碱基互补配对原则猜测DNA的复制机制可能是怎样的？

随后，教师出示红色和蓝色软磁铁代表DNA的母链和子链，引导学生根据猜想，模拟构建子代DNA两条链的组成情况。基于学生的构建情况，提出DNA半保留复制和全保留复制两种假说，引导学生分析两种假说的区别在于母链和子链的组合情况不同。

设计思路：回忆DNA双螺旋结构的相关知识，通过旧知导新知，引入DNA复制方式的两种假说。此时并不要求学生推测出正确的复制方式，只需要引导学生从结构出发思考问题，激发学生的求知欲。

3.2实验设计，寻找证据

推测可以大胆，但得出结论需要建立在确凿的证据之上。具体教学设计思路如图2所示。

教师提供四种可供选择的材料；噬菌体、人口腔上皮细胞、大肠杆菌、小鼠胚胎干细胞。学生讨论问题1，比较分析各材料的特点。高度分化的口腔上皮细胞无法继续分裂，DNA无法复制。其余三种材料都能进行DNA的复制，但噬菌体和大肠杆菌结构简单，遗传物质含量少，更利于研究。教师呈现资料l，学生认同大肠杆菌是更加恰当的选材。

结合赫尔希和蔡斯实验，学生讨论问题2，得出可以采用同位素标记法。教师呈现资料2，进一步引导学生讨论问题3。学生结合教师引导得出：用含15N的培养液培养大肠杆菌，更换培养液，用含14N的培养液再培养大肠杆菌。由于蛋白质也含有N，故除了DNA，还有蛋白质等物质被标记，因而需要破碎细胞提取DNA。在此基础上，学生讨论问题4，提出使用差速离心法。教师解释：差速离心法对于分离相对分子质量差异较大的物质效果较好，而被同位素标记的DNA分子质量差异较小，因而需要一种新的分离技术。教师呈现资料3。学生结合资料，分析得出分离DNA的方法：密度梯度离心技术。教师总结：同学们的设计与梅塞尔森与斯塔尔的实验设计思路不谋而合，并呈现梅塞尔森与斯塔尔的实验设计流程。

设计思路：教师通过设计递进的问题串，引导学生层层深入地进行材料选择与方法设计，最后总结设计思路，提升运用假说演绎法分析和解决问题的能力，同时感悟科学探究的魅力。

3.3演绎推理，预测结果

若DNA半保留复制的假说正确，子一代和子二代会出现怎样的实验现象？学生用不同颜色的软磁铁在白板上表示出子一代和子二代DNA标记情况（红色表示含15N的脱氧核苷酸链，蓝色表示含14N的脱氧核苷酸链）。学生小组展示，如图3所示，并进行组间评价。教师展示梅塞尔森与斯塔尔实验结果，如图4所示。

学生比较实验结果发现，与半保留复制方式的预期结果相符，得出结论：大肠杆菌DNA的复制方式是半保留复制。结果分析发现，子三代与子四代轻带颜色加深。教师引导学生尝试解释：为什么随着分裂次数的增多，轻带的占比越来越多呢？教师追问：实验结果能够排除DNA的全保留复制假说吗？为何在研究子一代之后还要进一步研究子二代的DNA组成情况呢？学生讨论得出答案，培养学生对科学研究的严谨性与科学性。

设计思路：梅塞尔森与斯塔尔的实验被某些科学家称为生物学最美丽的实验，其巧妙地将同位素标记法与密度梯度离心技术相结合，用看似简单的实验设计呈现出最直观的实验证据。与此同时，对于DNA复制方式的研究过程历经提出问题、做出假说、设计实验、演绎推理、进行实验与结果分析，是学生理解假说－演绎法、发展学生科学思维的又一例良好素材。问题串的设计充分调动学生的思维，让学生跨时空与科学家进行思维的碰撞。

3.4建模模拟，体验过程

教师提供资料：解旋酶是一类解开氢键的酶，是由ATP水解供给能量来解开DNA双链的酶。DNA聚合酶能催化游离的脱氧核苷酸结合到延伸中的已有脱氧核苷酸链的3’端。学生结合资料归纳DNA复制的条件，分析子链延伸的方向。结合分析，利用教师提供的模具，小组合作，用模型建构，模拟DNA半保留复制的过程，如图5所示。

教师观察各小组构建情况，小组结合模型说出DNA复制的过程，学生组间点评，发现问题：子链的延伸方向是什么？两条子链是同时开始延伸的吗？教师引导学生进一步分析资料，确定两条子链同时延伸，子链的延伸方向都是由5'-3'。学生观察最终出现的子代DNA，讨论问题5：为什么DNA能精确地将遗传信息传递给子代？认同DNA的两条链充当模板，依靠碱基互补配对合成子链，这样的方式使得遗传信息能够精确传递。

设计思路：注重对子链延伸方向的理解，结合学生的模型构建过程，引导学生理解DNA复制的特点与过程，认同DNA的双螺旋结构和碱基互补配对原则保证了DNA复制的精确性。

3.5资料补充，深化理解

生物体内DNA复制的情况要远比我们模拟的更加复杂。教师呈现果蝇DNA复制的电镜照片，如图6所示。学生结合图片思考：DNA复制的过程还具有怎样的特点？推测果蝇DNA形成多个复制泡的原因。

学生讨论得出：DNA复制还具有边解旋边复制以及多起点复制的特点，多个复制泡的形成提高了DNA复制的效率。

3.6联系生活，启示自身

教师呈现资料：虽然DNA复制通过碱基互补配对在很大程度上保证了复制的准确性，但是，DNA平均每复制10个碱基对，就会产生1个错误。提问：熬夜、经常吃油炸食品会增大DNA复制出错的概率，由此你得到了什么启示？

设计思路：结合资料，关注不健康的生活方式对DNA复制的不良影响，促进健康生活基本观念的形成与发展。

4教学反思

本节课程蕴含着科学家的探究智慧，适当挖掘实验中的细节能够进一步调动学生的探究热情，启发学生深入思考，认同实验设计的精巧，加强小组合作的能力。与此同时，软磁铁、白板以及DNA模具的使用使学生思维可视化，在深化理解的基础上便于教师发现学生存在的思维误区。在教学实施中，要注意观察学生小组讨论的状态与结果、模型构建的情况，捕捉学生问题的生成，更能够激发课堂活力，让学生思维更加活跃。