“DNA的复制”(第一课时)的教学设计

张树虎

(北方交通大学附属中学 北京 100081)

1 教学内容分析

人教版高中生物学教材《遗传与进化》第3章第3节“DNA的复制”(第一课时)“探究DNA的复制方式”主要阐述遗传信息传递的方式，是“DNA分子的结构”内容的延续，是遗传分子基础部分的重点内容之一，是继续学习遗传信息表达和遗传信息在生物学大分子间的流动(中心法则)，以及遗传信息传递规律的必要基础。教学内容包括对DNA分子复制的推测、DNA半保留复制的实验证据。其中DNA半保留复制的实验证据列为选学内容，但作为体验生物学实验思想和进行科学研究方法教育的良好载体，在教学中不容忽略。可通过引导学生层层探究，从而得出实验结论，同时感受科学探究的魅力，并再次体验“假说—演绎法”的应用。

2 教学目标

2.1 知识目标 概述DNA分子复制的条件、方式；认同 DNA 双螺旋结构模型对探究 DNA分子复制方式的指导意义。

2.2 能力目标 能够运用“假说-演绎法”分析探究DNA复制方式的实验过程和思路。

2.3 情感态度与价值观目标 体验科学家严谨的探究思维和科学研究的方法，培养积极探索的精神和科学严谨的态度。

3 教学过程

3.1 导入 在1953年以前，基因的物质本性一直是困扰着全世界生物学家的问题。1953年4月25日英国《自然》杂志发表了沃森和克里克“DNA双螺旋结构模型”，阐述了DNA分子的双螺旋结构模型，反映了DNA分子可能具有的无穷多样性。在这篇文章的结尾处提出了DNA分子复制的可能机制，使生物学家一下子接受了基因的物质本质就是DNA。那么DNA果真是一种能自我复制的分子吗？请同学们根据资料提出你想解决的问题。

教师预设问题：沃森和克里克认为DNA能复制是基于众多实验结果为依据吗？(DNA双螺旋结构模型是以众多的实验结果为依据，而DNA的复制仅仅是根据DNA分子的结构特点对DNA能够复制一种推测，并没有实验证据的支持)

设计意图：以讲故事的形式导入，抓住学生的思维，使他们顺利进入科学探究的状态。让学生根据资料发现问题、提出问题并解答问题。学生通过学习能够认识到生物学的探究是由问题需求缘起的；能够基于生命现象提出可以探究的问题。教师依据材料引出本节的学习内容和学习目标，告知学生学习的重点难点。

3.2 确立探究课题——提出问题 确立探究课题要想探究DNA分子的复制方式，必须先了解DNA可能有哪些复制方式。教师首先创设情境：1953 年沃森和克里克又发表了第2篇论文，提出了DNA复制的假说。文中有这样一段话：“我们的 DNA 模型实际上是一对模板，每一模板与另一个互补。我们设想：在复制前氢键断开，两条链松开、分离，然后每条链作为形成自己新链的模板，最后我们从原先仅有的一对链得到了两对链，而且准确地复制了碱基序列。”问题：你能根据沃森和克里克的“假说”将DNA复制1次后的结果画出来吗？分组画图，小组推选代表展示。

这真是个天才的预测！这个模型曾被人们怀疑(沃森和克里克自己也怀疑)，因为最大问题就是“双链是如何打开的？”。研究者为了避开“如何打开双链”这个难题，提出了全保留复制和弥散(分散)复制(即亲代的双链被切成双链片段，复制完成后，“新旧”DNA 同时存在于同一条链中，这种复制机制被认为可以避免双链 DNA 解旋的问题。)2个模型。请同学们大胆猜想并分组讨论，尝试画出示意图(弥散复制方式也可以暂时不提)。

结合学生的讨论结果，教师PPT展示(或者小组推选代表到黑板上画，或者投影展示各小组最佳图案)DNA可能的复制方式，学生判断是哪一种复制方式。

寻找证据，小组讨论实验设计的思路。预设问题：①半保留复制方式与另外两种复制方式的区别关键在哪里？(母链是否与子链“结合”构成DNA分子)②DNA分子是肉眼看不见的，那么通过哪种方法可以直观区别母链或子链？(同位素标记法，如15N )。③同位素标记会使由不同链组成的DNA分子在密度上有一些差异，如何将组成不同的DNA分子区分开?学生讨论后，提出用“密度梯度离心”的方法。

利用原核生物证明DNA的复制是半保留复制的实验，师生共同分析科学家梅塞尔森(M.Meselson)和斯特尔(F.W .Stahl)的实验思路：将已被15N标记的大肠杆菌置于14N的培养液中培养，在细胞分裂第1次和第2次之后分别提取DNA进行密度梯度离心，观察子代DNA在离心管中的分布情况。

教师引导学生分析，亲代DNA的母链只含有15N，新合成的DNA子链只含有14N，所以15N链代表母链，14N链代表子链。提取大肠杆菌DNA后进行密度梯度离心，可将不同链组成的DNA分开。

为了更好地理解实验过程，教师以标记DNA分子中的N元素为例，分析用重带、中带、轻带表示DNA分子的双链构成，观察密度梯度离心后的实验结果。若DNA两条链都被15N标记(用15N/15N表示)，密度最大，离心后最靠近试管底部；若DNA只有一条链被15N标记(用15N/14N表示)，其密度居中，位置也居中；若两条链都未被15N标记(用14N/14N表示)，密度最小，离心后离试管底部最远。

设计意图：根据问题设计探究方案，并认识不同类型的问题有不同的探究方法，正确解读科学史上的经典实验。

3.3 作出假设，演绎推理，判断预期结果 教师引导学生分析，DNA分子如果进行半保留复制，则15N链(母链)会与14N链(子链)结合构成14N/15N-DNA；如果进行的是全保留复制，则只出现15N/15N-DNA和14N/14N-DNA，而不会出现14N/15N-DNA。密度梯度离心后，由于2条链都含有15N的DNA密度较大，分布在离心管底部；只有一条链含有15N的DNA密度稍小，分布在离心管中部；2条链都含有14N的DNA密度最小，分布在离心管的上部[1]。

根据提出的假说，采取小组讨论的方法，小组推选代表展示讨论结果(表1)。教师根据学生的实际情况，可指导学生先画图，随后教师PPT分步展示“演绎”过程。

表1 DNA的复制方式假说-演绎与预期结果

3.4 实验检验，观察、比较实验结果，得出结论 视频展示资料一：1958年，梅塞尔森和斯特尔的大肠杆菌DNA密度梯度离心实验。学生观看视频；教师设问：①为什么选用大肠杆菌为实验材料？(分裂快，结构简单、DNA易提取)②为何选择15N 作为 DNA 分子的标记元素？32P 和14C是否也可以作为标记元素？(15N 标记位置的是含氮碱基这样使15N-DNA和14N-DNA及15N14N-DNA的密度不同)③复制后的DNA分子通常是随机混合在一起的，不易分离。梅塞尔森和斯特尔如何解决这个难题？(通过密度梯度离心将亲本链和子代链区分开来)④使用CsCl进行密度梯度离心能够将不同密度的 DNA 分子分离开，为什么？(6 mol/L的氯化铯溶液密度约1.7 g/mL，与DNA密度最接近)⑤氯化铯密度梯度是如何形成？(氯化铯离心液形成1.65～1.75 g/mL的密度梯度。原因：重金属盐的沉降作用与扩散作用达到动态平衡)⑥不同密度的DNA分离的原理是什么？[不同密度的DNA(15N，14N)在离心液中进入与自身密度梯度最接近的区域，形成不同的区带，从而将微小差异的DNA很明显的区分开]⑦梅塞尔森-斯特尔用什么方法检测到实验结果？(用紫外光源照射离心管，透过离心管在感光胶片上记录DNA带的位置，显示离心管内不同密度的DNA带)

教师先播放梅塞尔森和斯特尔的“大肠杆菌DNA密度梯度离心实验”视频，展示实验过程和实验结果。出示问题，师生共同讨论。最后由学生观察比较并作出判断，实验结果与预期结果一致，得出DNA复制的实验结论:DNA分子以半保留方式进行复制。

设计意图：教师设计有效的“问题串”帮助学生理解实验的过程，体会科学探究中科学研究方法与科学思维方法；基于一定的信息及理论知识，进行问题的逻辑推理的能力培养，提高学生对数据的分析能力。在问题驱动下，让学生在小组合作中亲身经历实验探究的整个过程，为学生的终身发展奠定良好的基础。

视频展示资料二：半保留复制进一步的实验证椐。为了进一步确认DNA是半保留复制，梅塞尔森和斯特尔在密度梯度离心之前用热变性处理CsCl溶液中DNA样品(100℃下30 min)。实验结果发现，杂交DNA分成了重密度带(15N-DNA)及低密度带(14N-DNA)两条带。而变性前的杂交分子为一条中密度带。15N DNA、14N DNA杂交分子经加热变性，对于变性前后的DNA分别进行CsCl密度梯度离心。设问：①子一代(杂交带)的DNA通过热变性后能够排除哪种复制方式？(分散复制)。②实验组、对照组分别是哪一组？(B；A、C)

设计意图：还原史实，以有深度的探究性学习，拓展学生的探究层次，开发学生的智力，力图通过探究引导学生学会学习和掌握科学探究的方法，为学生的终身学习奠定基础。

视频展示资料三：利用真核生物为实验材料。1958年，赫伯特泰勒(Herbert Taylar)用蚕豆(2N=12)根尖细胞作为实验材料，证明了真核细胞染色体DNA的复制也符合半保留复制模型。他先用放射性同位素3H标记细胞染色体DNA(标记双链)，然后让细胞在不含3H的培养液中进行有丝分裂，经放射自显影显示实验结果。

该实验方法的优势在于可观察到染色体被标记的情况。设问：①在第1细胞周期的中期染色体中，每个染色体的2条单体被标记的情况如何？(在第1周期的中期染色体中，每个染色体的2条单体都被标记)②第2细胞周期的中期染色体中，每个染色体的2条单体被标记的情况如何？(第2周期的中期染色体中，每个染色体仅1条单体被标记。这一结果和预期的情况完全符合，证明了真核细胞的染色体DNA复制也符合半保留模型)

小组活动：由学生根据染色体标记情况，将染色体中的DNA分子标记情况画出来。

3.5 课堂小结 小组总结，每小组选派学生汇报：科学探究中的科学研究方法——假说演绎法的步骤，证明DNA的复制是半保留方式的实验材料，研究技术手段等。