基于科学史和模型构建发展学生核心素养的教学设计与实践

摘要：本节课通过展示科学史资料和构建模型，引导学生探究DNA分子的半保留复制和半不连续复制两种复制方式，并阐述DNA分子复制过程。学生结合DNA复制过程总结复制所需的条件，从结构和功能观、稳态与平衡观分析DNA能精确复制的原因，讨论DNA复制的意义，在此过程中发展生命观念、科学思维、科学探究和社会责任的生物学学科核心素养。

关键词：DNA复制；科学史资料；模型构建

文章编号：1003-7586（2024）05-0015-04 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

1教学背景分析

1.1教学内容分析

本节课内容位于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。本节课内容在DNA结构的基础上，进一步阐明DNA具有通过复制传递遗传信息的功能，DNA分子的结构和复制是遗传学的重要知识基础，认识DNA分子复制的过程及特点等，有利于学生进一步理解和巩固有丝分裂、减数分裂、遗传规律等知识，从而认识遗传的本质。同时，“DNA分子的复制”为后续学生理解基因突变、基因重组、生物进化、基因工程等内容奠定了基础。

DNA复制方式的发现过程对学生的科学探究能力和科学思维有很大帮助，有利于提高学生的分析和解决问题的能力。对DNA复制过程的研究，蕴含着科学研究的过程和方法，具有重要的教育意义。DNA复制的过程具有微观、动态、连续、抽象等特点，因此对DNA复制过程的探讨既是本节课的教学重点，也是教学难点。

1.2学情分析

在进行本节课学习前，学生已经掌握了DNA双螺旋结构、有丝分裂、减数分裂等相关基础知识，对放射性同位素示踪技术有一定了解，尚未接触密度梯度离心技术。本节课将从分子水平探讨生命的本质，具有较高的抽象性和学习难度。因此在教学中，教师除了引导学生自主探索、构建模型、合作学习外，还需要运用启发式教学，通过创设问题情境激发学生的学习兴趣，培养他们分析、归纳、概括的能力，落实生物学学科核心素养目标。

1.3教学总体思路

本节教学主要聚焦在DNA半保留复制方式的探究上。在实践中，笔者发现当学生根据DNA半保留复制方式、DNA聚合酶催化子链延伸方向和边解旋边复制的特点等知识构建DNA复制过程时，会遇到思维上的难点，即其中一条子链是不可能连续复制下去，使学生不能充分理解DNA分子的复制过程。

因此，本节课除了探究DNA半保留复制方式外，还引入“DNA半不连续复制”的探究活动。教师设置该教学环节不是为了扩展学生知识，设计的主要目的是帮助学生全面深刻理解DNA复制过程，为后续基因工程等知识学习奠定基础；同时也是希望在探究活动中提升学生理解、应用、思辨和创新的生物学学科能力，发展科学思维和科学探究。

2学习目标

（1）根据已有知识对DNA复制方式做出假设，设计实验方案并预期实验结果；对科学实证进行分析和讨论，得出DNA半保留复制的结论，训练科学探究的基本思路和方法，提高实践能力。

（2）在模拟DNA复制过程时，能运用演绎与推理提出存在不连续复制的假说；通过对科学史资料的分析和讨论得出结论，培养获取信息的能力，锻炼演绎、推理、分析等科学思维。

（3）能从结构和功能观、进化与适应观分析出DNA分子能精确复制和高效复制的机制，认识DNA复制的独特性和复杂性，理解并阐述遗传信息传递的意义。

3教学流程

教学流程如图1所示。

4教学过程与实施

4.1创设情境，激发兴趣

教师介绍某刑事案件中，法医通过检测现场残留的血渍很快破案。通过核心问题“法医最可能分析了血液中的什么化学物质？”驱动学生思考并得出结论，DNA是遗传物质，不同个体的遗传物质不同，DNA分子具有特异性。

4.2探究DNA分子的复制方式（一）——半保留复制

4.2.1提出问题，作出假设

结合DNA双螺旋结构的特点，教师引导学生思考在细胞分裂间期，DNA可能会采取什么方式来复制一个与其一模一样的DNA分子？学生运用知识思考并作出假设。

4.2.2演绎推理，设计实验方案，预期结果

教师介绍科学家关于DNA复制方式的两种推测（即半保留和全保留复制）和密度梯度离心的方法，通过两个关键问题“这两种复制方式有何不同？用什么方法来区分亲代和子代DNA？”组织学生小组讨论，设计出探究DNA分子复制方式的实验方案并预测出实验结果。

4.2.3分析实验数据，验证推测，得出结论

教师展示梅塞尔森（M.Meselson）和斯塔尔（F.Stahl）以大肠杆菌为实验材料的实验方案，引导学生分析实验数据，得出结论，表达交流。

本探究性学习活动的设计，旨在加深学生对DNA半保留复制和全保留复制区别的理解，培养学生推理、比较的能力，发展科学思维和科学探究。

4.3探究DNA分子复制特点

首先，教师引导学生从DNA分子的稳定性和复制精细、高效的角度，分析DNA分子在复制过程中是边解旋边复制还是两条链都解开后再开始复制。其次，教师讲解复制过程需要DNA聚合酶，并结合该酶特点介绍引物，从结构功能观引导学生演绎推理出DNA聚合酶只能按5’至3’方向合成子链DNA。第三，学生尝试分析科学史资料，得出结论，验证假说。

本环节引导学生从生物进化和DNA分子稳定性的角度推理出DNA分子边解旋、边复制的特点和DNA聚合酶催化子链延伸的方向，发展学生结构功能观、进化适应观和稳态平衡观的生命观念，锻炼科学思维，同时为探究DNA半不连续复制奠定基础。

4.4探究DNA分子的复制方式（二）——半不连续复制

4.4.1提出问题，作出假设

教师引导学生根据已有知识（复制方式半保留、复制过程需要引物、DNA聚合酶催化子链延伸方向等）尝试在学案上绘制DNA分子复制简图（见图2）。通过绘图，学生提出问题，并尝试作出假设。

4.4.2分析科学史资料，得出结论

教师展示Okazaki脉冲标记实验，引导学生对实验结果进行分析并得出结论。DNA复制时，子链会先形成短片段，然后再连接成长片段。同时教师提出新的疑问：该实验能否判断DNA子链的不连续合成只发生在一条链上，还是两条链都如此？通过创设矛盾冲突，激发学生探究兴趣。

教师组织学生阅读学案中“探测尿嘧啶片段实验”的科学史资料。通过层层深入的核心问题串，驱动学生分析出DNA分子半不连续的复制方式。

教师呈现科学史：在大肠杆菌细胞内，存在dUTP和dTTP，其比例约为1：300。DNA聚合酶无法区分这两种底物，因此部分dUTP会被错误地引入到新合成的DNA中，形成A-U配对。为了避免这一问题，大肠杆菌进化出dUTPase酶，能够水解dUTP生成dUMP和PPi，从而减少dUTP作为底物被掺人DNA。尽管如此，仍有部分dUTP未被完全水解而进入DNA。细胞内还存在另一种修复机制，即尿嘧啶-N-糖苷酶切除DNA中的尿嘧啶，并由AP内切核酸酶切除无嘌呤嘧啶部位，最后由DNA聚合酶填补缺口，完成修复（见图3）。但尿嘧啶-N-糖苷酶无法区分由胞嘧啶脱氨形成的尿嘧啶和由dUTP错误引入的尿嘧啶，因此会对后者也进行切除和修复。这一过程非常缓慢，会导致新合成的DNA以短片段的形式存在，不论是连续还是不连续复制。研究人员利用dUTPase和尿嘧啶-N-糖苷酶缺失突变体进行了实验。结果表明，在dUTPase缺失的突变株中，dUTP大量掺入导致DNA片段变短；而在尿嘧啶-N-糖苷酶缺失的突变株中，由于无法切除尿嘧啶，DNA片段并未出现。但即使在这些突变株中，仍有约50％的新合成DNA以短片段形式存在。

教师设计层层深入的问题串：本材料中提到了几种情况会使DNA分子中掺人尿嘧啶脱氧核苷酸？机体如何解决这两种不同情况产生的错误？该实验的结果说明什么？科学家是如何设计实验进行探究的？

设计意图：本环节引导学生通过模拟DNA复制的过程，提出疑问，作出假设，分析科学史资料等探究性学习活动得出DNA半不连续的复制方式。主要目的是帮助学生科学全面地理解DNA复制过程，并在此过程中培养获取信息、逻辑思维能力，发展科学思维和科学探究。

4.5概述DNA分子复制的过程和意义

首先，教师引导学生根据DNA分子半保留和半不连续的复制方式及边解旋边复制的特点，通过构建物理模型展开小组讨论，团队协作，概述出DNA分子复制过程；并根据复制过程，运用结构功能观、稳态平衡观分析DNA精准复制的原因及意义。

其次，教师展示DNA分子复制过程的模拟动画，请学生根据动画配音，将抽象微观过程再次形象化，加深对核心概念和过程的理解。

5板书设计

教师通过问题引导学生构建DNA分子复制模型，并在板书上总结本书课的思维导图。板书设计如图5所示。维的闪光点，突破重难点，如磷脂双分子层模型的构建，通过追问引导学生理解磷脂分子排列，最终得出细胞膜基本骨架是磷脂双分子层。

在活动中还能让学生理解科学探究的不易和科学家为追踪真理不懈努力的科学精神，引导学生努力学习并为科学发展贡献自己的力量，从而落实社会责任。

6教学反思

6.1运用科学史，有效落实生物学学科核心素养

本节课将课堂教学和科学史有机地结合起来，为学生铺设了符合其认知规律的思维轨道，让学生体验了科学探究的过程。教师同时创设情境，设计核心问题驱动学生积极思考，主动参与课堂活动，培养学生的创新意识，提升自主学习和合作交流的能力。如从结构功能观、稳态平衡观、进化适应观等方面归纳概括出DNA复制的过程，分析DNA复制所需要的条件及精确复制的原因；通过探究DNA的复制方式，引导学生设计实验方案、预测实验结果，掌握科学探究的一般思路和方法等。

6.2构建模型，将抽象问题具体化

DNA分子复制的过程是微观抽象的，导致学生理解存在一定难度。本节课采用构建模型的方式将抽象问题具体化，如请学生在学案上以局部解旋的DNA分子为材料，结合已有知识绘制出DNA复制过程图。在模拟复制的过程中，学生会遇到问题、提出疑问、分析问题并做出假设。此方法可有效地把微观、抽象问题具体化、形象化，有效发展学生的科学思维和科学探究的同时，帮助学生深刻理解知识。