基于模型建构的“DNA的复制”教学设计

娄冰凝 王保艳

1  教材、课标分析及设计思路

“DNA 的复制”是人教版高中生物《必修2·遗传与进化》第三章第三节，包括对 DNA 复制的推测、DNA 半保留复制的实验证据、DNA 复制的过程三部分内容。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）强调发展学生的生物学学科核心素 养，重视模型建构能力及科学思维的培养，要求学生 通过本节课程的学习，能够“概述DNA分子通过半保 留方式进行复制”。笔者结合课程内容、《课程标准》要求及学生学情，设计如图1所示的教学思路。

2  教学目标

①利用拼图模型，结合DNA 结构特点推测DNA复制方式，形成结构与功能观。

②通过密度梯度离心模拟实验降低实验难度，演绎实验结果，得出结论，体验假说—演绎法的科学研究方法，形成科学探究能力。

③通过模型模拟 DNA 分子的复制过程，体验模型构建的科学研究方法，并在活动中形成发现问题、解决问题的能力。

④通过查阅资料，举例说出DNA 复制在社会生活中的应用，养成社会责任感。

3  教学过程

3.1 复习导入，引出模型

教师带领学生回顾DNA 结构特点，并提供资料：沃森和克里克在《核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的结构》中写道，“我们已经注意到，上述假设的特异性碱基配对理论直接提出了遗传物质复制的可能性”。碱基互补配对原则暗示DNA 的复制机制可能是怎样的？教师展示DNA平面结构图片与泡沫板制作的拼图模型（图2），引导学生以拼图之间的互补配对模拟DNA 分子碱基之间的互补配对，展开本节课的探究。

设计意图：与传统“DNA结构模型”相比，“拼图模型”更贴近学生生活，有助于激发学生原有经验。该模型简化了脱氧核糖核苷酸结构，突出表现了DNA双链之间的碱基互补配对，以减轻学生认知负荷，提高教学效果。

3.2 拼图模拟，提炼假说

3.2.1 动手操作，论述结果

教师以拼图的复制模拟DNA 的复制，组织学生展开动手活动：“在已拥有一套完好拼图的情况下，如何又快又准确地拼出另一幅同样的拼图？”学生以黑色拼图为模板，尝试复制出白色拼图，并组织语言，尝试用一句话讲述自己的操作过程和操作结果。

学生通过班级交流、分享，可以发现组装的拼图呈现两种结果：大部分学生“以黑色拼图为模板，完成白色拼图的拼接，黑色拼图保持不变”，如图2复制结果A所示;少部分学生通过课前预习，“将两列黑色拼图分开，分别作为模板进行拼接，得到的拼图一列为黑色，另一列为白色”，如图2复制结果B所示。

3.2.2 类比推理，作出假设

结合拼图的操作过程，教师引导学生类比推测  DNA 复制可能采取的方式。学生提出：“DNA 的复制  方式存在两种可能。① DNA 以亲代为模板，复制后  形成全新的子链，而亲代保持原样;② 亲代的两条链  解开，每条链作为新链的模板，复制形成的两个子代  DNA分子中，均包含一条亲代链和一条新合成的链。”教师总结，点明这两种可能分别叫做DNA复制的半保  留复制假说和全保留复制假说，并提出问题：“怎样证  明 DNA 复制方式是半保留复制，还是全保留复制呢？”

设计意图：学生动手复制拼图的结果分别与全保留复制假说和半保留复制假说相对应，这为“作出假设”搭建起学习支架。学生总结并叙述模型的操作思路和结果，从中提炼得出两种假说。在这个过程中，学生参与了科学知识的构建，认识到科学知识不是科学家的专利，有助于科学本质观的形成。

3.3 模型搭架，实验验证

3.3.1 模拟实验，搭建支架

学生进行密度梯度模拟实验：用黑、白拼图分别模拟亲、子代DNA单链，在黑色拼图上夹4个小铁夹、白色拼图上夹2 个小铁夹，组成 a、b、c 三种不同的 DNA双链模型（图3）。拿出依次装有四氯化碳、水、大豆油的烧杯，将 a、b、c 放入其中，呈现如图3 所示现象。通过观察思考，学生很容易发现模型所处的位置与夹子数目有关：夹子数目少的在上层，数目多的在下层，数目居中的位于中层。教师引导学生：① 夹子数目不同造成模型质量不同，在DNA分子中可以通过改变元素相对原子质量来实现。②四氯化碳、水和大豆油密度不同，在烧杯中形成了密度梯度溶液。学生讨论、总结得出：改变DNA 中元素相对原子质量，将其放入密度梯度溶液中离心，然后根据DNA分子所处位置，即可判断组成DNA分子的单链类型。

3.3.2 实验验证，得出结论

教师请学生结合梅塞尔森实验过程思考：“如果用15N 标记大肠杆菌亲代 DNA 的两条链，再将放在仅含14N 的培养基上，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 分子的組成及比例。”学生交流讨论，教师巡回指导。学生分析实验结果，得出结论： DNA 的复制方式是半保留复制。

设计意图：教师利用梅塞尔森实验进行实验验证，旨在使学生体会“假说—演绎法”的过程，认识到生物学结论的得出必须由实证支撑，形成科学的思维方法。其中，有关密度梯度离心的背景知识为学生首次接触，且比较抽象，因此教师引导学生利用模型展开密度梯度模拟实验，搭建学习支架，帮助学生理解实验原理，引导学生设计实验，验证假说。

3.4 模型模拟，总结过程

3.4.1 动态模拟，发现问题

多个小组合作，将各小组的黑色拼图模型组成长链，模拟 DNA 分子的半保留复制过程，教师巡回指导。学生在模拟长链复制的过程中，暴露出关键问题： DNA双链是完全分离之后再复制，还是边解旋边复制？

教师展示复制泡图片，学生交流得出： DNA在解旋的同时开始复制，这样不仅能提高复制的效率，还能保证复制的准确性。师生共同总结DNA 的复制过程为：解旋→子链合成→螺旋化。

设计意图： DNA 的复制是一个动态过程，若仅通过讲授法教学，学生掌握较困难。学生通过模型模拟、动手操作，亲自体会DNA 复制过程的动态性与连续性，不仅实现了抽象概念的直观化，也能顺势引出 DNA复制过程中“边解旋边复制”的关键性问题，使教学过程更顺畅，更具有逻辑性。

3.4.2 归纳小结，升华提高

小组学生交流讨论，填写表1，教师巡回指导。师生共同总结。

教师提供资料，引导学生思考：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，平均每复制109个碱基对，就会产生一个错误。 DNA复制错误，可能产生什么影响？这种影响会传递给子代吗？

设计意图：学生分析资料，感受遗传信息的准确传递对保持生物前后代遗传稳定性和连续性的重要意义，为后续学习基因突变埋下伏笔。

3.5 知识拓展

课后，教师组织学生查阅 PCR 技术及其应用，了解基因克隆、DNA 测序、肿瘤检测、分析突变、犯罪现场标本分析等DNA复制的应用。

设计意图：学生自主探究学习，培养搜集信息和处理信息的能力，同时也体会到DNA 复制原理在科学研究及社会实践中有着重要的应用价值。

4  教学评价

教学评价应倡导多元化评价、过程性评价和终结性评价相结合。在过程性评价中，教师采用学生自评、组内互评、教师评价相结合的评价方法，关注学生在课堂中自主学习、同伴合作、师生互动的表现及探究、思考的过程;在终结性评价中，则主要采用纸笔测验和作业练习的形式，围绕教学目标设计试题，以检测学生的目标达成情况。另外，教师应将评价结果及时反馈给学生，以保证评价的时效性。

5  教学反思

模型建构是现代生物学中重要的研究方法之一，在《课程标准》中也被多次强调。教师在中学课堂中运用模型，目的是使学生通过研究科学模型推知原型的某种特征或规律，借助模型来获取、拓展和深化对原型的认识，掌握模型建构的科学方法。本节课所采用的模型服务于本节课的教学内容，突出DNA碱基互补配对的主要特征，对DNA双链进行抽象和简化，并贯穿课程始终，在多个知识点数次发挥作用。学生在教师的引导下对该模型进行研究，从中获取DNA复制的信息，体验科学探究过程，促进生物学学科核心素养的发展。

模型模拟活动固然可以激发学生学習兴趣，但这不是最终目的。模型设计应符合教学活动实际需要，在形象化的基础上重视对学生思维的促进作用，推动教学顺利进行。在模型设计和使用过程中，教师如何避免“模型低效化”“模型低龄化”，是值得进一步探讨的问题。

参考文献：

J. D .沃森，F.H.C.克里克，朱玉贤.核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的结构[J].物理，2003，32（11）：742-744.