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视频课题：《DNA的复制》课例视频（一）
教学设计、课堂实录及教案：《DNA的复制》课例视频（一）
《DNA的复制（第1课时）》教学设计
张树虎（北方交通大学附属中学）
1 教学内容分析
“本课”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(选学)。DNA半保留复制的实验证据虽是选学内容，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，让学生得出结论，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 设计思路
首先通过创设情境：由沃森和克里克的论文《DNA双螺旋结构模型》的末尾处提出“特定的碱基配对性质让我们立刻注意到遗传物质（DNA分子）复制的可能机制”引出对DNA分子复制需要的条件以及复制方式的3种推测：半保留复制、全保留复制、分散复制。组织学生通过假说——演绎法分析探索DNA分子复制方式实验的整体思路和实验方法，并探究分析实验的预期结果，然后教师播放视频展示实验过程及结果，由学生观察比较实验结果与预期的结果是否一致，进而得出结论。
设计说明：“DNA分子的复制”是人教版高中生物必修二“遗传与进化”的一个重要内容。教材仅选取1958年梅赛尔森一斯特尔(Meselson-Stahl )的DNA半保留复制实验。尽管这个实验可以很好地证明DNA的复制方式，但是，教学过程略显单调，在培养学生实验分析与探究能力方面稍显不足。所以将“DNA的复制”相关科学史筛选、重组后进行教学预设，不仅可以提升能力培养的层次，更可以让学生深入思考科学家的思维过程，领悟实验设计的巧妙及科学家过人的智慧，凸显情感态度与价值观的培养。这样的设计作为第1课时突破（传统“DNA的复制”一节只上1课时），而将DNA的复制过程，探讨DNA复制的特点、起点、方向、时间等作为第2课时。
考虑学生已有的知识基础和课程标准的要求，如果让学生自主设计证明DNA复制方式的实验，是不可行的。一是学生的知识基础和能力都达不到，二是超出了课标要求。所以，本节课以科学史实验为背景，创设学生探究的情境，尽可能的使学生接触实验最原始的未经过任何加工的过程和实验数据，这样能够让学生感受到科学研究的真实过程，感受到科学家们的思考，引导学生分析实验和领悟科学家的实验思路为主，认同科学家们严谨的科学态度和创新精神。
3 学情分析
从最近发展区分析，学生已经具有了DNA双螺旋结构、有丝分裂、减数分裂的基本知识。在此基础上，“本课”将要从分子水平来探讨生命的本质，由于这一课时内容具有较深的抽象性，属于肉眼看不到的知识、技能，学习时将感到困难。因此在教学中，除了通过启发式教学，设置问题情境看教学动画以外，还引导学生自主、探索、合作、体验式等方法学习。
从能力方面分析，高二学生抽象逻辑思维、辩证思维、创造思维有了较大的发展。具有一定的观察推理能力（尤其是学习了“孟德尔遗传定律”后），能够应用假说——演绎法进行科学探究。
4 教学目标
（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）能力目标：能够运用“假说一演绎法”分析探究DNA复制方式的实验过程和思路；培养动手能力——尝试模拟制作DNA分子复制的过程；培养小组合作与探究能力。
（3）情感态度目标：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。
5 教学法设计
5.1 教法设计 第1，运用假说演绎法进行“DNA的复制方式”教学。“本课”科学方法的教育中比较重要的是“假说——演绎法”,前面学习了孟德尔的实验以及摩尔根的实验中均强调该法的应用，在此基础上进一步进行该法的训练（注意基本步骤：探究问题→假说→设计实验→预期结果→实验结果→得出结论）。第2，分析经典实验——DNA的复制探究历程，通过科学史的教育，学生领悟科学探究的魅力。如果教师直接讲解DNA分子半保留复制的方式，学生虽然可以较快地掌握结论，但却是被动地接受知识，失去了科学探究的乐趣。因此，教师可以利用科学发现史进行教学，不要把学生等同于科学家，学生能够在教师创设的情境下，正确解读科学史上的经典实验已经很难能可贵，期望他们像科学家一样进行设想、设计实验、实施实验等，有些不太现实。在分析实验的过程中，教师可以首先让学生假设DNA的复制方式是半保留复制还是全保留复制呢？然后层层设疑，逐步剖析系列经典实验。DNA是肉眼看不见的，如何才能分辨DNA呢？此时，教师可以让学生分析经典实验中用同位素15N 标记的方法，分析用CsCl密度梯度离心后重带、中带、轻带表示的DNA分子的双链构成是怎样的，在整个实验的亲代、子一代、子二代细胞中提取出的DNA离心的结果说明了什么。通过层层分析，学生不仅能够自己得出结论：DNA的确具有半保留复制的特点，同时还能感受科学探究的魅力。
5.2 学法设计 采取独立思考、小组合作学习、体验式学习等相结合的方式：根据课前提供的科学史资料以及书本内容自学，课上与他人合作中完成知识的学习并发展科学探究能力。
6 授课过程
6.1 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”，不仅阐述了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。）
设计目的：以讲故事的形式导入，可以较好地抓住学生的思维，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，这是生物学科核心素养中“科学探究与合作”中学生能力的表现之一：通过学习学生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。学生发现的问题是本原问题，是课堂生成的问题，能够激发学生学习的原动力。这些“问题”的发现意味着教师要在充满不确定性的课堂里捕捉涉及生物学科本质的问题，即能及时抓住学生的朴素想法并加以发展。但无论是教师精心设计的还是来源于学生的本原性问题，它们在课堂里表现为在师生互动中自然生成，具有预设下的原发性和多角度对话的品性。依据材料教师引出本节课的学习内容和学习目标，告知学生学习的重点难点。
6.2 探究DNA复制的条件 资料：1956年，科恩伯格（康贝格）证明DNA分子能够复制。 美国科学家科恩伯格(Arthur Kornberg）借助沃森和克里克提出的这一模型进行实验研究，成功证明了DNA分子的半保留复制方式，并分离了复制所需的酶。于1956年发表了著名论文“脱氧核糖核酸的酶促合成”，他也因此荣获1959年的诺贝尔生理学或医学奖。科恩伯格认为，既然细胞内可以进行DNA分子的复制，必有相应的酶存在。实验1：1956年，美国生物化学家康贝格，将大肠杆菌中抽提液中提取出的DNA聚合酶加入到具有4种丰富的脱氧核苷酸（放射性同位素标记）的人工合成体系中。结果：试管中的4种脱氧核苷酸不能合成DNA分子。问题①：四种脱氧核苷酸的用途是什么？问题②：大肠杆菌的DNA聚合酶起什么作用？问题③：通过什么来保证酶的活性？问题④：为什么不能合成DNA分子？实验2：康贝格在上述试管中加入了少量DNA分子和ATP，培养在适宜的温度条件下。一段时间后，测定其中DNA的含量。结果：试管中DNA的含量增加了。提纯这些DNA分子并测定其碱基组成，发现它们同“模板DNA”非常相似。问题①：该实验的结果能说明DNA可以复制吗？为什么？问题②：根据实验可知，DNA复制需要哪些必需的条件？
6.3 探究DNA复制的方式
6.3.1 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：（可以参考教材P52）1953 年 Watson 和 Crick 的在其论文《DNA双螺旋结构模型》之后又发表了第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Watson 和 Crick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（Watson 和 Crick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，又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）。
教学策略：采取分步实施的方法。教学时先让学生根据沃森和克里克的假设画出模型，接着根据“双链是如何打开的？”这个问题思考：双链不打开，示意图怎么画？亲代的双链被切成双链片段，之后再复制，如何画出复制的图形？这样再说明2种复制的概念。
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，并让学生判断是哪一种复制方式。
小组讨论实验设计的思路。确定实验思路和方法由DNA复制的三种可能（结合图）。分析问题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。）问题②：DNA分子是肉眼看不见的，那么通过哪种方法可以直观地区别母链或子链？（或者说识别组成DNA分子的2条链是母链还是子链?）同位素标记法(如15N )。教学建议：如学生回答不出，可提示学生联系前面“噬菌体侵染细菌的实验”。问题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DNA后进行密度梯度离心，可将不同的链组成的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，通过密度梯度去离心后的实验结如图所示，使学生进一步明确：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。
设计目的：根据问题设计出探究方案，并认识到不同类型的问题有不同的探究方法。这是生物学科核心素养中“科学探究与合作”中学生能力的表现之二。关于生物经典实验研究方案，是否让学生在短暂的课堂教学时间内设计出前人经历几年甚至几十年的研究才完成的，笔者以为，实在是没有必要性。前已述及，让学生自主设计证明DNA复制方式的实验，是不可行的。因为学生已有的知识、技能难以达到科学家具有的水平。所以只要正确解读科学史上的经典实验即可。
6.3.2 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。
教学策略：根据提出的假说，采取小组讨论，小组推选代表展示讨论结果（如表1）。教师根据学生实际情况，可指导学生先画图、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
| 假说1：DNA以半保留的方式进行复制 | 假说2：DNA以全保留的方式进行复制 |
| 演绎推理1：第1次复制后的DNA全为15N/14N—DNA；第2次复制后的子代DNA中，1/2为15N/14N—DNA，1/2为1,4N/14N—DNA。 | 演绎推理2：第1次复制后的DNA1/2为15N/15N—DNA，1/2为1,4N/14N—DNA；第2次复制后的子代DNA中，1/4为15N/15N—DNA，3/4为1,4N/14N—DNA。 |
| 预期结果1：离心后，第1代DNA分子全部在离心管中部；第2代DNA分子中，1/2在离心管中部，1/2在离心管上部。 | 预期结果2：离心后，第1代DNA分子1/2在离心管的部，1/2在离心管上部；第2代DNA分子中，1/4在离心管底部，3/4在离心管上部。 |
视频来源：优质课网 www.youzhik.com
