尹慧
中學(xué)生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為生物科學(xué)作為由眾多生物學(xué)事實(shí)和理論組成的知識(shí)體系,是在人們不斷探究的過(guò)程中逐步發(fā)展起來(lái)的。通過(guò)倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí),引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與探究過(guò)程、勤于動(dòng)手和動(dòng)腦,逐步培養(yǎng)學(xué)生搜集和處理科學(xué)信息的能力、獲取新知識(shí)的能力。下面以DNA復(fù)制一節(jié)為例,采用假說(shuō)-演繹分析DNA復(fù)制的方式,以小組為單位合作模擬DNA復(fù)制過(guò)程的教學(xué)方式,激發(fā)學(xué)生興趣,引導(dǎo)學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)。
1 設(shè)置情境引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣
教師展示西伯利亞凍土層中發(fā)現(xiàn)的猛犸象的照片,并提出問(wèn)題:科學(xué)家們正在研究如何使滅絕的猛犸象再生,如果你是科學(xué)家應(yīng)該怎么做才可能使猛犸象復(fù)活?教師引導(dǎo)學(xué)生思考要想克隆成功必須將現(xiàn)代大象細(xì)胞和猛犸象的DNA結(jié)合在一起。而前提是能夠獲得結(jié)構(gòu)完整的猛犸象DNA,復(fù)制DNA,并轉(zhuǎn)入活體大象的基因組。猛犸象生活在西伯利亞的凍土中,天然的低溫很有可能保證獲得含有完整DNA結(jié)構(gòu)的活細(xì)胞,而如何讓DNA成功的復(fù)制,開啟細(xì)胞分裂進(jìn)程則是科學(xué)家面臨的重大難題,這也是這節(jié)課的學(xué)習(xí)重點(diǎn)。學(xué)生帶著強(qiáng)烈的興趣與探索的欲望進(jìn)入本節(jié)課的學(xué)習(xí)。
2 采用假說(shuō)-演繹法進(jìn)行DNA復(fù)制模式探究
2.1 做出DNA復(fù)制的三種模型假設(shè)
教師引導(dǎo)學(xué)生思考DNA復(fù)制的三種可能模式。類比復(fù)印機(jī)復(fù)印白紙的例子,學(xué)生提出DNA復(fù)制的全保留復(fù)制假設(shè)。結(jié)合DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),學(xué)生根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)的原則提出半保留復(fù)制假設(shè)。根據(jù)沒(méi)有規(guī)律可循的假設(shè),教師引導(dǎo)學(xué)生提出DNA復(fù)制的隨機(jī)假設(shè)。教師對(duì)學(xué)生做出假設(shè)及依據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià),讓學(xué)生感受科學(xué)假說(shuō)的提出是建立在一定的科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)之上的。
2.2 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證DNA復(fù)制模型,并預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在學(xué)生假設(shè)的基礎(chǔ)上,教師引導(dǎo)學(xué)生思考如何驗(yàn)證假說(shuō)的正確性?教師可以引導(dǎo)學(xué)生共同思考問(wèn)題:DNA復(fù)制的核心是區(qū)別親代和子代DNA分子,采用何種技術(shù)可以追蹤親代和子代DNA?根據(jù)已學(xué)噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)中將DNA和蛋白質(zhì)分別采用32P和35S分別標(biāo)記的方法,學(xué)生會(huì)想到放射性同位素示蹤技術(shù)。
教師進(jìn)一步提問(wèn):選擇哪種生物材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?對(duì)DNA分子中的哪種元素進(jìn)行標(biāo)記?如何將標(biāo)記的親代與子代DNA分子區(qū)別開?這樣引導(dǎo)學(xué)生選擇合適的實(shí)驗(yàn)材料——大腸桿菌,進(jìn)而設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟,大腸桿菌DNA中C、H、O、N、P元素均可以作為同位素示蹤的對(duì)象,采用密度梯度離心的方法將親代與子代DNA分子分離。
教師展示科學(xué)家的研究思路,以15N標(biāo)記NH4Cl培養(yǎng)大腸桿菌若干代,然后將大腸桿菌轉(zhuǎn)移到14N培養(yǎng)液中,每隔20 min收集大腸桿菌并采用CSCl(氯化銫)密度梯度離心,記錄離心后試管中DNA的位置。讓學(xué)生以小組為單位預(yù)測(cè)并畫出三種不同的DNA復(fù)制方式得到的DNA位置條帶。
2.3 驗(yàn)證假設(shè),得出DNA復(fù)制模型
教師展示科學(xué)家實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并引導(dǎo)學(xué)生思考:① 復(fù)制一代后,根據(jù)科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以排除哪種復(fù)制模型?② 復(fù)制二代后,可以排除哪種DNA復(fù)制模型?③ 嘗試畫出復(fù)制三代后DNA的分布圖。學(xué)生通過(guò)將預(yù)測(cè)的試驗(yàn)結(jié)果與科學(xué)家真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較,排除了DNA全保留和隨機(jī)復(fù)制模型,確定了DNA半保留復(fù)制的模式。
3 DNA復(fù)制過(guò)程模擬操作及DNA復(fù)制的意義
學(xué)生理解了DNA的半保留復(fù)制模式后,對(duì)具體的復(fù)制過(guò)程產(chǎn)生了濃厚的興趣。教師在充分鼓勵(lì)學(xué)生探究熱情的基礎(chǔ)上,讓學(xué)生結(jié)合教材DNA復(fù)制過(guò)程的描述,嘗試用簡(jiǎn)易材料模擬DNA復(fù)制過(guò)程。學(xué)生提前用不同顏色的紙做出一系列模型,如一段DNA雙螺旋平面紙質(zhì)結(jié)構(gòu),四種不同的脫氧核苷酸結(jié)構(gòu)若干。在模擬DNA復(fù)制過(guò)程之前,教師可以給學(xué)生介紹模擬DNA復(fù)制過(guò)程涉及到的用具,如用一段藍(lán)色DNA分子的紙質(zhì)片段代表親代DNA分子,剪刀上貼有解旋酶,用橢圓形綠色紙片代表DNA聚合酶,而且強(qiáng)調(diào)DNA聚合酶的作用只能催化5′-3′方向的脫氧核苷酸的添加,這意味著在延伸DNA的單鏈上總是由5′端向3′端延伸。學(xué)生以小組為單位,在閱讀教材相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)上,按照解螺旋、形成互補(bǔ)子鏈、延伸、形成子代DNA的步驟,模擬DNA復(fù)制的過(guò)程。教師挑選1個(gè)學(xué)習(xí)小組為例上臺(tái)展示,其他小組對(duì)其展示結(jié)果質(zhì)疑、補(bǔ)充,師生共同總結(jié)DNA復(fù)制過(guò)程具體步驟。
在進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)DNA復(fù)制的步驟后,教師提出以下問(wèn)題讓學(xué)生共同思考。
① 總結(jié)DNA復(fù)制的時(shí)間,發(fā)生的部位,合成DNA所需要的原料。DNA復(fù)制過(guò)程中用到的酶有哪些?通過(guò)這一系列問(wèn)題的回答,學(xué)生將會(huì)對(duì)DNA復(fù)制過(guò)程有系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。
② 一個(gè)DNA分子經(jīng)過(guò)一次復(fù)制后產(chǎn)生幾個(gè)DNA分子?復(fù)制完成后,親代DNA分子還存在嗎?親代與子代DNA分子的關(guān)系怎樣?通過(guò)思考回答這一系列問(wèn)題,學(xué)生將建立DNA復(fù)制后親代與子代的DNA分子完全相同的概念。
③ DNA復(fù)制后為什么親代與子代保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏?zhǔn)確性?DNA復(fù)制過(guò)程中遵循的原則是什么?通過(guò)此問(wèn)題的回答,學(xué)生對(duì)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則在DNA分子復(fù)制準(zhǔn)確性的重要作用有深刻的理解。
④ 總結(jié)DNA分子復(fù)制的意義。通過(guò)對(duì)以上問(wèn)題串的進(jìn)一步分析討論,學(xué)生加深對(duì)DNA復(fù)制過(guò)程各個(gè)階段的理解,并通過(guò)對(duì)親子代DNA分子結(jié)構(gòu)的比較,歸納出DNA復(fù)制對(duì)于生物遺傳的重要意義。同時(shí),在本節(jié)的結(jié)尾可以給學(xué)生提出更開放的問(wèn)題:DNA復(fù)制的過(guò)程一定是100%的正確嗎?會(huì)不會(huì)有復(fù)制過(guò)程中的錯(cuò)誤出現(xiàn),對(duì)生物是件好事還是壞事?從而引發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考,同時(shí)也為以后學(xué)習(xí)遺傳物質(zhì)的變異相關(guān)內(nèi)容鋪墊。
4 DNA復(fù)制原理在實(shí)際生活中應(yīng)用實(shí)例
在學(xué)習(xí)了DNA復(fù)制的過(guò)程及意義后,學(xué)生重新思考如何復(fù)活猛犸象計(jì)劃,科學(xué)家如何在體外將猛犸象DNA進(jìn)行復(fù)制,從而引出現(xiàn)代生物技術(shù)——PCR技術(shù)的應(yīng)用。通過(guò)動(dòng)畫展示PCR技術(shù)的原理,學(xué)生直觀的感受到,科學(xué)家在一個(gè)小小的試管中,在短短的2 h內(nèi)可以將猛犸象的基因進(jìn)行上萬(wàn)次的復(fù)制,從而形成肉眼可見(jiàn)的DNA片段,深刻理解科學(xué)理論對(duì)生物技術(shù)發(fā)展的巨大指導(dǎo)與推動(dòng)作用。DNA復(fù)制技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用非常廣泛,通過(guò)介紹DNA指紋技術(shù)可以準(zhǔn)確對(duì)遇難者身份鑒定和準(zhǔn)確進(jìn)行親子鑒定,使學(xué)生深切體會(huì)生物學(xué)的科學(xué)理論回歸生活的重大作用。