基于证据和逻辑的概念教学实例—DNA的复制

基于证据和逻辑的概念教学实例—DNA的复制

刘  ,颖

吉林油田高级中学    吉林省松原市   138000

摘要：DNA通过半保留方式进行复制是遗传信息控制生物性状并代代相传这一大概念的重要知识支撑。教学中，通过引导学生利用假说-演绎法进行科学探究，发现DNA复制的方式，再结合科学史资料、电镜图片 等事实性证据认识DNA复制的过程、条件、特点等，最终构建DNA的复制这一概念。在概念的建构中，科学探究、模型与建模、演绎推理、实证研究等方法很好的发展了学生的科学思维，培育生物学学科核心素养。

关键词： 证据  演绎推理  概念构建  科学思维

一、教材分析

DNA的复制是人教版（2019）必修2第3章第3节的内容，包括3部分教学内容：对DNA复制的推测、DNA半保留复制的实验证据、DNA复制的过程。本节课是在明确了DNA是主要的遗传物质及DNA双螺旋结构的基础上进行的进一步学习，结合有丝分裂和减数分裂，帮助学生更深刻的理解遗传信息代代相传。

二、教学目标的确定

课程标准与本节内容对应的“内容要求”是：概述DNA分子通过半保留方式进行复制。“学业要求”是：结合DNA双螺旋结构模型，阐明DNA分子作为遗传物质所具有的特征，以及通过复制、转录、翻译等过程传递和表达遗传信息。结合教材内容，确定如下教学目标：

1. 利用半保留复制实验证据，体会假说—演绎法的科学探究方法及生物学的实证特征。
2. 通过模型模拟，学会模型构建的科学研究方法，并在活动中提高实验分析能力和逻辑推理能力。
3. 基于DNA半保留复制的学习，阐明DNA复制的生物学意义，从分子水平理解DNA复制在生命的延续和发展中的重要作用。
4. 积极运用DNA复制的知识，关注社会议题及身边现象，参与讨论并作出理性解释，辨别伪科学。

三、教学设计思路

四、教学实施程序

（一）设置情境，导入新课，提出核心研究问题：亲子代如何保持遗传信息的连续性

播放视频：错位人生28年。“错位人生”中亲子鉴定是利用DNA指纹技术，依据亲子代DNA的连续性原理，亲子代如何保持遗传信息的连续性呢？

（二）科学探究：利用假说-演绎法发现DNA复制的方式

1.发现问题：遗传信息的连续性与DNA准确复制有关，DNA如何复制？

2.提出假说：

假说1：半保留复制

假说2：全保留复制

建构活动1：利用磁力贴构建出两种复制方式下子一代分子模型。（红色代表亲代DNA链，绿色代表子代DNA链。）

教师评价学生的活动，引导学生关注两种复制方式子一代结果的不同。

3.演绎推理：寻找证据，设计实验，证明假说

问题1：验证哪种假说正确的关键思路是什么？

问题2：采用什么技术手段可以区分开亲代和子代的DNA链？

问题3：选择哪种元素？为什么？

建构活动2：利用磁力贴构建出两种复制方式子二代分子的模型，并标注出每个DNA两条链含有的N元素种类。

教师评价学生的活动，引导学生关注两种复制方式子二代结果的不同。

问题4: 要验证上述推测，就要直观的区分开亲代和子代DNA，但实际情况是，所有DNA都混在一起，不容易分离，如何解决这个问题？

教师讲解密度梯度离心技术，不同DNA分子（3种）离心后出现条带的区分：重、中、轻条带的位置问题

建构活动3:对两种复制方式亲代、子一代、子二代离心后试管中条带位置进行推理，并在黑板（或是学案）上的图解中进行标注。

教师评价学生活动，引导学生关注两种复制方式子一代和子二代离心结果都不同。

4.实验检验：分析1958年梅塞尔森和斯塔尔的实验过程及结果。

问题5:科学家为什么选择大肠杆菌为实验材料？

问题6：如何获得含有15N的DNA分子？

问题7：如何获得含有14N的DNA分子？

问题8：如何获得不同密度的DNA分子？

问题9: 描述实验结果

问题10：第一代只出现一条居中的DNA条带，这个结果排除了哪种复制方式？

5.得出结论：DNA的复制方式是半保留复制

构建活动4：按照半保留复制方式，推理子三代的DNA分子类型和离心后试管中条带的位置情况（注意条带的宽度问题）。

教师评价学生活动，引导学生关注假说-演绎法在科学探究中的应用。

（三）从实证出发，认识DNA复制的过程

1.大胆假设：DNA复制形成子代的过程中，需要机体准备哪些条件？进行的场所、时间？

2.小心求证：

资料1：科恩伯格体外DNA复制实验

问题1：为什么第一次试验失败了？接下来应该怎样进行？

问题2：DNA的复制需要哪些条件？

资料2：果蝇DNA复制的电镜照片

问题3：结合教材内容，说一说DNA复制的基本过程

问题4：果蝇DNA复制过程中形成多个复制泡的原因

3.细致观察，查缺补漏：观察教材图解3-10

问题5：DNA分子的两条链是否需要完全分开成单链才能开始复制？

问题6：子链合成有一定的方向性吗？

问题7：新形成的2条子链在碱基排列顺序上是什么关系，与各自模板链是什么关系，形成的2个子代DNA和亲代DNA什么关系？

问题8：如何保证DNA复制的准确性，这种准确性对生物体而言，具有什么

意义呢？

（四）构建概念

请结合DNA复制的方式、条件及结果，给DNA复制下一个全面的定义。

（五）学以致用

某动物园的一头驴产下了一头长相既像斑马又像驴的小“斑马驴”，同母驴一同喂养的是三匹雄性斑马，怎样才能知道哪匹斑马是小“斑马驴”的父亲呢？（提示:DNA指纹技术）

（六）扩展阅读，发散思维

1.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，DNA平均每复制109个碱基对，就会产生1个错误。请根据这一数据计算，约为31.6亿个碱基对的人类基因组复制时可能产生多少个错误，这些错误可能产生什么影响？

2.DNA复制虽然可能发生随机误差，但细胞水平的校正和纠错机制通常能确保非常精确地对DNA进行复制。这个过程是如何发生的呢？

3.PCR技术是模拟体内DNA的天然复制过程，在体外扩增DNA分子的一种分子生物学技术，请同学们查阅相关资料谈一谈PCR技术与体内DNA复制过程的不同之处。

注：本论文是课题《模型与建模法在高中生物学教学中的应用研究》的研究成果之一。