以“任务-- 活动”教学落实学科核心素养的教学设计

1 教材内容介绍及分析

本课选自是人民教育出版社（2019 年版）必修 2 模块《遗传与进化》第三章第 3 节 ， 本节内容对应课程标准的“内容要求”是“概述DNA 分子通过半保留复制方式进行复制”，是在遗传学的基本理论、在DNA结构的基础上，进一步阐明DNA通过复制传递遗传信息的功能，使结构与功能观的呈现更完整。

2 教学过程

沃森和克里克在发表 DNA 双螺旋结构的那篇著名短文的结尾处写到：“值得注意的是，我们提出的这种碱基特异性配对方式，暗示着遗传物质进行复制的一种可能的机制。”

同学们想一想，遗传物质复制的这种机制可能是怎样的？

如果我们手中的扭扭棒代表 DNA 的脱氧核苷酸链，那么请同学们大胆地猜想 DNA 复制的可能机制。学生以小组为单位，用不同颜色的扭扭棒在桌子上摆出自己的猜想。

同学们猜想的复制机制基本上有两种情况，其实也是当时科学家猜想的复制机制：1. 半保留复制。2. 全保留复制。DNA 究竟以哪种方式复制？

2.1 任务 1

提出问题：DNA 的复制以哪种方式进行？

活动：学生作出假说：

1.DNA 的复制是半保留的方式进行的。

2.DNA 的复制是全保留的方式进行的。

小组为单位，用红扭扭棒表示被15N 标记的DNA 链，用蓝扭扭棒表示出含 14N 的 DNA 链，亲代、第一代。其中两个同学上黑板用蓝色和红色磁吸纸完成。

可是，我们如何在实验中直观地区别两种复制方式呢？这也是实验的关键。

标识“母链”或“子链”。用什么方法做标识呢？

回答：同位素标记法。

标记什么元素呢？

回答：选择标记N 元素。

怎么做可以将不同种类的DNA 分子分离开呢？

回答：利用差速离心法。

该方法曾用于分离各种细胞器。因为各种细胞器沉降系数差值较大，但 ¹⁵N 和 ¹⁴N 两种元素相对分子质量差值很小，怎么办呢？我们可以用另一种离心技术——密度梯度离心法。

演绎推理：

请同学们在白色纸板上模拟半保留复制和全保留复制，第二代，第三代出现的子代DNA 的过程，并在纸板上的试管中标出DNA 分子的放射性情况。

小组为单位运用演绎推理预测全保留或半保留复制，模拟并标记：

1. 各代DNA 两条链的组合情况。

2. 标出离心后试管中的DNA 的位置及放射性情况。并展示。

通过观察试管中子二代的条带情况，我们可以得出什么结论？

DNA 的复制是以半保留的方式进行的。

当时还有少数人认为DNA 的复制是分散复制，（PPT 展示分散复制的图示）利用同样的实验思路，我们来看PPT 分散复制如何被否定的。

2.2 任务 2

现在让我们跟随科学家的脚步，重温 DNA 复制是半保留复制的实验证据。

实验验证：1958 年美国生物学家梅塞尔和斯塔尔运用同位素标记技术，设计了巧妙的实验，证明 DNA 是通过半保留方式复制的。他们是如何设计实验的呢？

活动：请同学们阅读课本 54 页和 55 页“证明 DNA 半保留复制的实验”。

提问：

1. 选择大肠杆菌作为实验材料的原因？

2. 如何获得具有含放射性 15N 的大肠杆菌？

3. 该实验的巧妙之处？

得出结论：DNA 的复制是以半保留的方式进行的。

现在我们回顾得出结论的全过程，这是什么方法呢？假说——演绎法。

这样，我们就揭示了沃森和克里克所谓的复制机制，请同学们观看动画—DNA 以半保留的方式复制的过程。

2.3 任务 3

复制过程的发生需要什么条件呢？

活动：学生阅读并分析实证资料。获取有效信息。

资料一：科学家通过生化分析得知，细胞分裂间期细胞中脱氧核苷酸含量开始时很低，不久急剧增加，以后又逐渐降低到初始水平。随着脱氧核苷酸含量的动态变化，DNA 聚合酶的活性显著增高。

1. 请同学们利用 DNA 模型学具，小组尝试完成复制过程，并在小组概述 DNA 复制过程。

（PPT 明示学生，手中的物件分别代表什么物质：圆形橡皮代表DNA 解旋酶，方形橡皮代表 DNA 聚合酶）

我们通过阅读以下资料，看看大家说的准确吗？

资料二：1956 年 Kornberg 从大肠杆菌中提取出的 DNA 聚合酶加入具有四种丰富的脱氧核苷酸和适量的 Mg²⁺ 人工合成体系中，四种脱氧核苷酸并不能聚合成脱氧核糖核酸——并没有发生 DNA 的合成。加入了少量DNA 引子和ATP 能量、原料、经保温孵育后，测定其中DNA的（ A+T ）：（C+G）的比值与所加入的单链 DNA 引子相同。

通过模拟过程和阅读材料。

学生分析得出：DNA 复制的条件需要原料，模板，能量，酶。

资料三：经研究发现：

A DNA分子复制完成理论上约需30s，而实际上只需要 16s。

哺乳动物的DNA分子展开可达 2m 之长，若A到

C 的方式复制，至少需要 8h，而按照 D 到 G 实际上为 3h 左右。

脱氧核苷酸脱氧核苷酸 ATPDNA DNADNA解旋酶 DNA聚合酶 DNA聚合酶ATP DNA解旋酶DNA完全解旋 DNA合成 DNA合成需要8小时 需要7.5小时

延伸的子链总是紧跟着解旋酶。且还有另外一项实验：综上，你得到了什么信息？（DNA复制的特点）

2.4 任务 4

请同学们观察你们模拟DNA 复制时形成的两个子代DNA，你们发现了什么？

活动： 学生回答：完全一样。教师提问：为什么呢？

1.DNA 的双螺旋结构，为复制提供了精确的模板。

2. 碱基互补配对原则保证了复制的准确进行。

2.5 任务 5

这有什么意义呢？活动：（结合细胞分裂的知识，讨论新复制出的两个子代 DNA 分子的去向）通过复制，遗传信息从亲代细胞传递给子代细胞，从而保持了遗传信息的连续性。

3 总结

在“探究 DNA 的复制”的活动中，和学生一起去体验“发现”的乐趣；帮助通过讨论和交流，养成在学习活动中友好合作，资源共享的科学探究习惯；培养学生的实证意识，认同任何科学的研究必须基于大量的实验证据，通过本节课的教学，以更好地理解结构与功能相适应的观念。体会 DNA 承载生命的奥秘所在。

参考文献

[1] 程志全 .“DNA 通过复制传递遗传信息”一节的论证教学设计教学设计 [J] 生物学教学 ，2022，47（5）：36-38.

[2] 生物课程教材研究开发中心和课程教材研究所 .《教师教学用书》，必修 2（1 版）[M]. 北京 ： 人民教育出版社 ，2021：176.