視頻標簽:DNA的復制
所屬欄目:高中生物優質課視頻
視頻課題:《DNA的復制》課例視頻(一)
教學設計、課堂實錄及教案:《DNA的復制》課例視頻(一)
《DNA的復制(第1課時)》教學設計
張樹虎(北方交通大學附屬中學)
1 教學內容分析
“本課”主要闡述遺傳信息傳遞的方式,是“DNA分子的結構”內容的延續,是遺傳分子基礎部分的重點內容之一,是繼續學習遺傳信息表達和遺傳信息在生物學大分子間的流動(中心法則),以及遺傳信息傳遞規律的必要基礎。
教學內容包括對DNA分子復制的推測、DNA半保留復制的實驗證據(選學)。DNA半保留復制的實驗證據雖是選學內容,但作為體驗生物學實驗思想和進行科學研究方法教育的良好載體,在教學中不容忽略。可通過引導學生層層探究,讓學生得出結論,同時感受科學探究的魅力,并再次體驗假說——演繹法的應用。
2 設計思路
首先通過創設情境:由沃森和克里克的論文《DNA雙螺旋結構模型》的末尾處提出“特定的堿基配對性質讓我們立刻注意到遺傳物質(DNA分子)復制的可能機制”引出對DNA分子復制需要的條件以及復制方式的3種推測:半保留復制、全保留復制、分散復制。組織學生通過假說——演繹法分析探索DNA分子復制方式實驗的整體思路和實驗方法,并探究分析實驗的預期結果,然后教師播放視頻展示實驗過程及結果,由學生觀察比較實驗結果與預期的結果是否一致,進而得出結論。
設計說明:“DNA分子的復制”是人教版高中生物必修二“遺傳與進化”的一個重要內容。教材僅選取1958年梅賽爾森一斯特爾(Meselson-Stahl )的DNA半保留復制實驗。盡管這個實驗可以很好地證明DNA的復制方式,但是,教學過程略顯單調,在培養學生實驗分析與探究能力方面稍顯不足。所以將“DNA的復制”相關科學史篩選、重組后進行教學預設,不僅可以提升能力培養的層次,更可以讓學生深入思考科學家的思維過程,領悟實驗設計的巧妙及科學家過人的智慧,凸顯情感態度與價值觀的培養。這樣的設計作為第1課時突破(傳統“DNA的復制”一節只上1課時),而將DNA的復制過程,探討DNA復制的特點、起點、方向、時間等作為第2課時。
考慮學生已有的知識基礎和課程標準的要求,如果讓學生自主設計證明DNA復制方式的實驗,是不可行的。一是學生的知識基礎和能力都達不到,二是超出了課標要求。所以,本節課以科學史實驗為背景,創設學生探究的情境,盡可能的使學生接觸實驗最原始的未經過任何加工的過程和實驗數據,這樣能夠讓學生感受到科學研究的真實過程,感受到科學家們的思考,引導學生分析實驗和領悟科學家的實驗思路為主,認同科學家們嚴謹的科學態度和創新精神。
3 學情分析
從最近發展區分析,學生已經具有了DNA雙螺旋結構、有絲分裂、減數分裂的基本知識。在此基礎上,“本課”將要從分子水平來探討生命的本質,由于這一課時內容具有較深的抽象性,屬于肉眼看不到的知識、技能,學習時將感到困難。因此在教學中,除了通過啟發式教學,設置問題情境看教學動畫以外,還引導學生自主、探索、合作、體驗式等方法學習。
從能力方面分析,高二學生抽象邏輯思維、辯證思維、創造思維有了較大的發展。具有一定的觀察推理能力(尤其是學習了“孟德爾遺傳定律”后),能夠應用假說——演繹法進行科學探究。
4 教學目標
(1)知識目標:概述DNA分子復制的條件、方式;認同 DNA 雙螺旋結構模型對探究 DNA分子復制方式的指導意義。
(2)能力目標:能夠運用“假說一演繹法”分析探究DNA復制方式的實驗過程和思路;培養動手能力——嘗試模擬制作DNA分子復制的過程;培養小組合作與探究能力。
(3)情感態度目標:體驗科學家嚴謹的探究思維和科學研究的方法,培養積極探索的精神和科學嚴謹的態度。
5 教學法設計
5.1 教法設計 第1,運用假說演繹法進行“DNA的復制方式”教學。“本課”科學方法的教育中比較重要的是“假說——演繹法”,前面學習了孟德爾的實驗以及摩爾根的實驗中均強調該法的應用,在此基礎上進一步進行該法的訓練(注意基本步驟:探究問題→假說→設計實驗→預期結果→實驗結果→得出結論)。第2,分析經典實驗——DNA的復制探究歷程,通過科學史的教育,學生領悟科學探究的魅力。如果教師直接講解DNA分子半保留復制的方式,學生雖然可以較快地掌握結論,但卻是被動地接受知識,失去了科學探究的樂趣。因此,教師可以利用科學發現史進行教學,不要把學生等同于科學家,學生能夠在教師創設的情境下,正確解讀科學史上的經典實驗已經很難能可貴,期望他們像科學家一樣進行設想、設計實驗、實施實驗等,有些不太現實。在分析實驗的過程中,教師可以首先讓學生假設DNA的復制方式是半保留復制還是全保留復制呢?然后層層設疑,逐步剖析系列經典實驗。DNA是肉眼看不見的,如何才能分辨DNA呢?此時,教師可以讓學生分析經典實驗中用同位素15N 標記的方法,分析用CsCl密度梯度離心后重帶、中帶、輕帶表示的DNA分子的雙鏈構成是怎樣的,在整個實驗的親代、子一代、子二代細胞中提取出的DNA離心的結果說明了什么。通過層層分析,學生不僅能夠自己得出結論:DNA的確具有半保留復制的特點,同時還能感受科學探究的魅力。
5.2 學法設計 采取獨立思考、小組合作學習、體驗式學習等相結合的方式:根據課前提供的科學史資料以及書本內容自學,課上與他人合作中完成知識的學習并發展科學探究能力。
6 授課過程
6.1 導入 在1953年以前,基因的物質本性一直是困擾著全世界生物學家的問題。1953年4月25日英國《自然》雜志發表了沃森和克里克“DNA雙螺旋結構模型”,不僅闡述了DNA分子的雙螺旋結構模型,反映了DNA分子可能具有的無窮多樣性。在這篇文章的結尾處提出了DNA分子復制的可能機制,使生物學家一下子接受了基因的物質本質就是DNA。那么DNA果真是一種能自我復制的分子嗎?請同學們根據資料提出你想解決的問題。
教師預設問題:沃森和克里克認為DNA能復制是基于眾多實驗結果為依據嗎?(DNA雙螺旋結構模型是以眾多的實驗結果為依據,而DNA的復制僅僅是根據DNA分子的結構特點對DNA能夠復制一種推測,并沒有實驗證據的支持。)
設計目的:以講故事的形式導入,可以較好地抓住學生的思維,使他們順利進入科學探究的狀態。讓學生根據資料發現問題、提出問題并解答問題,這是生物學科核心素養中“科學探究與合作”中學生能力的表現之一:通過學習學生能夠認識到生物學的探究是由問題需求緣起的;能夠基于生命現象提出可以探究的問題。學生發現的問題是本原問題,是課堂生成的問題,能夠激發學生學習的原動力。這些“問題”的發現意味著教師要在充滿不確定性的課堂里捕捉涉及生物學科本質的問題,即能及時抓住學生的樸素想法并加以發展。但無論是教師精心設計的還是來源于學生的本原性問題,它們在課堂里表現為在師生互動中自然生成,具有預設下的原發性和多角度對話的品性。依據材料教師引出本節課的學習內容和學習目標,告知學生學習的重點難點。
6.2 探究DNA復制的條件 資料:1956年,科恩伯格(康貝格)證明DNA分子能夠復制。 美國科學家科恩伯格(Arthur Kornberg)借助沃森和克里克提出的這一模型進行實驗研究,成功證明了DNA分子的半保留復制方式,并分離了復制所需的酶。于1956年發表了著名論文“脫氧核糖核酸的酶促合成”,他也因此榮獲1959年的諾貝爾生理學或醫學獎。科恩伯格認為,既然細胞內可以進行DNA分子的復制,必有相應的酶存在。實驗1:1956年,美國生物化學家康貝格,將大腸桿菌中抽提液中提取出的DNA聚合酶加入到具有4種豐富的脫氧核苷酸(放射性同位素標記)的人工合成體系中。結果:試管中的4種脫氧核苷酸不能合成DNA分子。問題①:四種脫氧核苷酸的用途是什么?問題②:大腸桿菌的DNA聚合酶起什么作用?問題③:通過什么來保證酶的活性?問題④:為什么不能合成DNA分子?實驗2:康貝格在上述試管中加入了少量DNA分子和ATP,培養在適宜的溫度條件下。一段時間后,測定其中DNA的含量。結果:試管中DNA的含量增加了。提純這些DNA分子并測定其堿基組成,發現它們同“模板DNA”非常相似。問題①:該實驗的結果能說明DNA可以復制嗎?為什么?問題②:根據實驗可知,DNA復制需要哪些必需的條件?
6.3 探究DNA復制的方式
6.3.1 確立探究課題——提出問題 確立探究課題要想探究DNA分子的復制方式,必須先了解DNA可能有哪些復制方式。
教師首先創設情境:(可以參考教材P52)1953 年 Watson 和 Crick 的在其論文《DNA雙螺旋結構模型》之后又發表了第2篇論文,提出了DNA復制的假說。文中有這樣一段話:“我們的 DNA 模型實際上是一對模板,每一模板與另一個互補。我們設想:在復制前氫鍵斷開,兩條鏈松開、分離,然后每條鏈作為形成自己新鏈的模板,最后我們從原先僅有的一對鏈得到了兩對鏈,而且準確地復制了堿基序列。”
問題:你能根據Watson 和 Crick的“假說”將DNA復制1次后的結果畫出來嗎?分組畫圖,小組推選代表展示。
這真是個天才的預測!這個模型曾被人們懷疑(Watson 和 Crick自己也懷疑),因為最大問題就是“雙鏈是如何打開的?”。研究者為了避開“如何打開雙鏈”這個難題,又提出了全保留復制和彌散(分散)復制(即親代的雙鏈被切成雙鏈片段,復制完成后,“新舊”DNA 同時存在于同一條鏈中,這種復制機制被認為可以避免雙鏈 DNA 解旋的問題)2個模型。
請同學們大膽猜想并分組討論,嘗試畫出示意圖(彌散復制方式也可以暫時不提)。
教學策略:采取分步實施的方法。教學時先讓學生根據沃森和克里克的假設畫出模型,接著根據“雙鏈是如何打開的?”這個問題思考:雙鏈不打開,示意圖怎么畫?親代的雙鏈被切成雙鏈片段,之后再復制,如何畫出復制的圖形?這樣再說明2種復制的概念。
結合學生的討論結果,教師PPT展示(或者小組推選代表到黑板上畫,或者投影展示各小組最佳圖案)DNA可能的復制方式,并讓學生判斷是哪一種復制方式。
小組討論實驗設計的思路。確定實驗思路和方法由DNA復制的三種可能(結合圖)。分析問題①:半保留復制方式與另外兩種復制方式的區別關鍵在哪里?(母鏈是否與子鏈“結合”構成DNA分子。)問題②:DNA分子是肉眼看不見的,那么通過哪種方法可以直觀地區別母鏈或子鏈?(或者說識別組成DNA分子的2條鏈是母鏈還是子鏈?)同位素標記法(如15N )。教學建議:如學生回答不出,可提示學生聯系前面“噬菌體侵染細菌的實驗”。問題③:同位素標記會使由不同鏈組成的DNA分子在密度上有一些差異,如何將組成不同的DNA分子區分開?學生討論后,提出用“密度梯度離心”的方法。
利用原核生物證明DNA的復制是半保留復制的實驗——師生共同分析科學家梅塞爾森(M.Meselson)和斯特爾(F.W .Stahl)的實驗思路:將已被15N標記的大腸桿菌置于14N的培養液中培養,在細胞分裂第1次和第2次之后分別提取DNA進行密度梯度離心,觀察子代DNA在離心管中的分布情況。
教師引導學生分析,親代DNA的母鏈只含有15N,新合成的DNA子鏈只含有14N,所以15N鏈代表母鏈,14N鏈代表子鏈。提取DNA后進行密度梯度離心,可將不同的鏈組成的DNA分開。
為了更好地理解實驗過程,教師以標記DNA分子中的N元素為例,分析用重帶、中帶、輕帶表示DNA分子的雙鏈構成,通過密度梯度去離心后的實驗結如圖所示,使學生進一步明確:若DNA兩條鏈都被15N標記(用15N/15N表示),密度最大,離心后最靠近試管底部;若DNA只有一條鏈被15N標記(用15N/14N表示),其密度居中,位置也居中;若兩條鏈都未被15N標記(用14N/14N表示),密度最小,離心后離試管底部最遠。
設計目的:根據問題設計出探究方案,并認識到不同類型的問題有不同的探究方法。這是生物學科核心素養中“科學探究與合作”中學生能力的表現之二。關于生物經典實驗研究方案,是否讓學生在短暫的課堂教學時間內設計出前人經歷幾年甚至幾十年的研究才完成的,筆者以為,實在是沒有必要性。前已述及,讓學生自主設計證明DNA復制方式的實驗,是不可行的。因為學生已有的知識、技能難以達到科學家具有的水平。所以只要正確解讀科學史上的經典實驗即可。
6.3.2 作出假設,演繹推理,判斷預期結果 教師引導學生分析,DNA分子如果進行半保留復制,則15N鏈(母鏈)會與14N鏈(子鏈)結合構成14N/15N—DNA;如果進行的是全保留復制,則只出現15N/15N—DNA和14N/14N—DNA,而不會出現14N/15N-DNA。密度梯度離心后,由于2條鏈都含有15N的DNA密度較大,分布在離心管底部;只有一條鏈含有15N的DNA密度稍小,分布在離心管中部;2條鏈都含有14N的DNA密度最小,分布在離心管的上部。
教學策略:根據提出的假說,采取小組討論,小組推選代表展示討論結果(如表1)。教師根據學生實際情況,可指導學生先畫圖、教師PPT分步展示“演繹”過程。
表1 DNA的復制方式假說—演繹與預期結果
| 假說1:DNA以半保留的方式進行復制 | 假說2:DNA以全保留的方式進行復制 |
| 演繹推理1:第1次復制后的DNA全為15N/14N—DNA;第2次復制后的子代DNA中,1/2為15N/14N—DNA,1/2為1,4N/14N—DNA。 | 演繹推理2:第1次復制后的DNA1/2為15N/15N—DNA,1/2為1,4N/14N—DNA;第2次復制后的子代DNA中,1/4為15N/15N—DNA,3/4為1,4N/14N—DNA。 |
| 預期結果1:離心后,第1代DNA分子全部在離心管中部;第2代DNA分子中,1/2在離心管中部,1/2在離心管上部。 | 預期結果2:離心后,第1代DNA分子1/2在離心管的部,1/2在離心管上部;第2代DNA分子中,1/4在離心管底部,3/4在離心管上部。 |
視頻來源:優質課網 www.www.fsyixinda.com