DNA分子的复制教学设计

尹慧

中学生物学课程标准认为生物科学作为由众多生物学事实和理论组成的知识体系，是在人们不断探究的过程中逐步发展起来的。通过倡导探究性学习，引导学生主动参与探究过程、勤于动手和动脑，逐步培养学生搜集和处理科学信息的能力、获取新知识的能力。下面以DNA复制一节为例，采用假说-演绎分析DNA复制的方式，以小组为单位合作模拟DNA复制过程的教学方式，激发学生兴趣，引导学生开展探究性学习。

1 设置情境引发学生学习兴趣

教师展示西伯利亚冻土层中发现的猛犸象的照片，并提出问题：科学家们正在研究如何使灭绝的猛犸象再生，如果你是科学家应该怎么做才可能使猛犸象复活？教师引导学生思考要想克隆成功必须将现代大象细胞和猛犸象的DNA结合在一起。而前提是能够获得结构完整的猛犸象DNA，复制DNA，并转入活体大象的基因组。猛犸象生活在西伯利亚的冻土中，天然的低温很有可能保证获得含有完整DNA结构的活细胞，而如何让DNA成功的复制，开启细胞分裂进程则是科学家面临的重大难题，这也是这节课的学习重点。学生带着强烈的兴趣与探索的欲望进入本节课的学习。

2 采用假说-演绎法进行DNA复制模式探究

2.1 做出DNA复制的三种模型假设

教师引导学生思考DNA复制的三种可能模式。类比复印机复印白纸的例子，学生提出DNA复制的全保留复制假设。结合DNA双螺旋结构的特点，学生根据碱基互补配对的原则提出半保留复制假设。根据没有规律可循的假设，教师引导学生提出DNA复制的随机假设。教师对学生做出假设及依据进行评价，让学生感受科学假说的提出是建立在一定的科学基础知识之上的。

2.2 设计实验验证DNA复制模型，并预测实验结果

在学生假设的基础上，教师引导学生思考如何验证假说的正确性？教师可以引导学生共同思考问题：DNA复制的核心是区别亲代和子代DNA分子，采用何种技术可以追踪亲代和子代DNA？根据已学噬菌体侵染细菌的实验中将DNA和蛋白质分别采用32P和35S分别标记的方法，学生会想到放射性同位素示踪技术。

教师进一步提问：选择哪种生物材料进行实验？对DNA分子中的哪种元素进行标记？如何将标记的亲代与子代DNA分子区别开？这样引导学生选择合适的实验材料——大肠杆菌，进而设计实验步骤，大肠杆菌DNA中C、H、O、N、P元素均可以作为同位素示踪的对象，采用密度梯度离心的方法将亲代与子代DNA分子分离。

教师展示科学家的研究思路，以15N标记NH4Cl培养大肠杆菌若干代，然后将大肠杆菌转移到14N培养液中，每隔20 min收集大肠杆菌并采用CSCl（氯化铯）密度梯度离心，记录离心后试管中DNA的位置。让学生以小组为单位预测并画出三种不同的DNA复制方式得到的DNA位置条带。

2.3 验证假设，得出DNA复制模型

教师展示科学家实验结果，并引导学生思考：① 复制一代后，根据科学家的实验结果可以排除哪种复制模型？② 复制二代后，可以排除哪种DNA复制模型？③ 尝试画出复制三代后DNA的分布图。学生通过将预测的试验结果与科学家真实实验结果的比较，排除了DNA全保留和随机复制模型，确定了DNA半保留复制的模式。

3 DNA复制过程模拟操作及DNA复制的意义

学生理解了DNA的半保留复制模式后，对具体的复制过程产生了浓厚的兴趣。教师在充分鼓励学生探究热情的基础上，让学生结合教材DNA复制过程的描述，尝试用简易材料模拟DNA复制过程。学生提前用不同颜色的纸做出一系列模型，如一段DNA双螺旋平面纸质结构，四种不同的脱氧核苷酸结构若干。在模拟DNA复制过程之前，教师可以给学生介绍模拟DNA复制过程涉及到的用具，如用一段蓝色DNA分子的纸质片段代表亲代DNA分子，剪刀上贴有解旋酶，用椭圆形绿色纸片代表DNA聚合酶，而且强调DNA聚合酶的作用只能催化5′-3′方向的脱氧核苷酸的添加，这意味着在延伸DNA的单链上总是由5′端向3′端延伸。学生以小组为单位，在阅读教材相关内容的基础上，按照解螺旋、形成互补子链、延伸、形成子代DNA的步骤，模拟DNA复制的过程。教师挑选1个学习小组为例上台展示，其他小组对其展示结果质疑、补充，师生共同总结DNA复制过程具体步骤。

在进一步深入学习DNA复制的步骤后，教师提出以下问题让学生共同思考。

① 总结DNA复制的时间，发生的部位，合成DNA所需要的原料。DNA复制过程中用到的酶有哪些？通过这一系列问题的回答，学生将会对DNA复制过程有系统的认识。

② 一个DNA分子经过一次复制后产生几个DNA分子？复制完成后，亲代DNA分子还存在吗？亲代与子代DNA分子的关系怎样？通过思考回答这一系列问题，学生将建立DNA复制后亲代与子代的DNA分子完全相同的概念。

③ DNA复制后为什么亲代与子代保持严谨的准确性？DNA复制过程中遵循的原则是什么？通过此问题的回答，学生对碱基互补配对原则在DNA分子复制准确性的重要作用有深刻的理解。

④ 总结DNA分子复制的意义。通过对以上问题串的进一步分析讨论，学生加深对DNA复制过程各个阶段的理解，并通过对亲子代DNA分子结构的比较，归纳出DNA复制对于生物遗传的重要意义。同时，在本节的结尾可以给学生提出更开放的问题：DNA复制的过程一定是100%的正确吗？会不会有复制过程中的错误出现，对生物是件好事还是坏事？从而引发学生进一步思考，同时也为以后学习遗传物质的变异相关内容铺垫。

4 DNA复制原理在实际生活中应用实例

在学习了DNA复制的过程及意义后，学生重新思考如何复活猛犸象计划，科学家如何在体外将猛犸象DNA进行复制，从而引出现代生物技术——PCR技术的应用。通过动画展示PCR技术的原理，学生直观的感受到，科学家在一个小小的试管中，在短短的2 h内可以将猛犸象的基因进行上万次的复制，从而形成肉眼可见的DNA片段，深刻理解科学理论对生物技术发展的巨大指导与推动作用。DNA复制技术在现实生活中应用非常广泛，通过介绍DNA指纹技术可以准确对遇难者身份鉴定和准确进行亲子鉴定，使学生深切体会生物学的科学理论回归生活的重大作用。