DNA分子的复制课时教学实录

DNA的复制教学设计

一、设计思想

生物科学史不仅提供了相关的科学知识，而且蕴含了丰富的科学思维、科学探究方法的教育素材，利用这些素材可以引导学生深入思考科学家的思维过程，领悟科学家是如何发现问题、寻找证据、合理推理的，体验科学家不断深化对问题认识的过程和科学探索的精神。所以，在教学中恰当地应用科学史，充分发挥其教育功能，能更好地体现《普通高中生物课程标准》的教育理念，将有助于我们实现“知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”三位一体的课程目标。

二、教学分析

“DNA分子的复制”是高中生物学“遗传与进化”的一个重要内容。各版本教科书一般仅选取1958年米西尔逊(Meselson)和斯塔尔(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。

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，本节课应该以科学史实验为背景，创设学生探究的情境，以引导学生分析实验和领悟科学家的实验思路为主，兼顾兴趣等非智力因素的养成。关于DNA复制的研究，有多种假说提出，多位科学家参与研究，历时20余年，经历了：提出假说一质疑一(原核细胞)实验研究一验证假说一(真核细胞)实验研究一确立观点。体现了科学观点的可变性与发展性，并能够较好地培养学生的探究和质疑能力。科学史资料的选择与运用既要有利于学生的能力培养，又要注重科学方法和科学过程的呈现，同时还要考虑适合学生课堂探究活动的设计。所以，本节课主要选用科恩伯格(Kornberg)的体外DNA合成实验、米西尔逊(Meselson)和斯塔尔(Stahl)的“大肠杆菌DNA密度梯度离心实验”以及赫伯特·泰勒(Herbert Taylar)的“蚕豆根尖细胞DNA的标记实验”来设计教学过程，不仅可以锻炼学生的分析与推理能力。又可以提升学习兴趣，促成三维教学目标的实现。

三、教学目标

知识目标：

1．概述DNA复制的过程、条件及特点；

2．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。

能力目标：

能够运用“假说-演绎法”分析探究DNA复制方式的实验过程和思路。

情感态度与价值观目标：

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。

四、教学策略与手段

本节课利用DNA复制科学史中的几个科学实验，转化成为学生可以在课堂上进行的探究性学习活动，通过基于实验设计、分析等问题的探究学习过程，

让学生在学习基础知识的同时得到科学方法和科学思维的训练。

课程整体上以假说演绎法为基本思路，通过小组模拟活动提出DNA复制方式的几种假说，然后再以自主阅读、小组讨论等方式来分析科学史实验材料，并演绎推理实验结果。教师通过设置问题串，层层递进推动学生的自学和合作学习，通过小组建模加深理解，巩固知识。多媒体课件演示可以增强直观性，有助于教学难点的突破。

五、教学过程

教学内容

模型”

背景介绍：

1953年,沃森和克里克在英国《自然》杂志上发表了一篇论文，向人们阐述了他们的“DNA双螺旋结构模型”,在当时引起了极大的轰动。这个模型不仅向导入

人们展示了一个完整的DNA分子，而且还可以很好的解释DNA作为遗传物质所拥有的稳定性和多样性。可是我们知道，作为遗传物质，它拥有的应该不仅仅是稳定性和多样性，还应该拥有其他的一些特性，比如在细胞分裂的时候，遗传物质要进行复制和均分，那么这样的一个DNA分子真的能够实现自我复制吗？这是人们在看到这个模型之后首先想到的问题，同时也是值得我们去思考的问题。

DNA真的能够实现自我复制吗？其实在双螺旋模1958 科恩伯格的实验

型提出后不久，很快就有科学家针对DNA的复制展开了实验，下面我们就一起来了解一下他的实验过程。

请大家自主阅读学案上资料一中的内容，同时思考下面几个问题：

教师活动

展示图片“沃森和克里克创建的DNA分子双螺旋结构

观看图片，了解相关科学背景，回答问题

学生活动

通过科学事实的重现，以故事形式导入，引发学生思考，激起学习动机

教学意图

1958 科恩伯格的实验

资料一：

1958年,美国生化学家科恩伯格（Kornberg）首次在试管中人工合成了DNA.他将大肠杆菌提取液加入到含有四种丰富的脱氧核苷酸的人工体系中,结果未发生DNA的合成。

再加入少量的DNA作“引子”以及ATP后,再放入适宜的温度和pH条件下培养一段时间,测定其中DNA的含量,发现其中的DNA的含量增加了,并且新合成DNA的(A+T)/(C+G)比值与所加入的DNA相同.

自主阅读资料一，思考并回答相关问题

总结：

1、DNA可以复制

2、DNA复制的条件：能量、模板、原料、酶

通过引导学生分析科学史材料——科恩伯格的实验，从而解答导入时提出的问题，同时使学生了解DNA复制的条件

①DNA可以复制吗？依据是什么？

②DNA复制的原料是什么？

③加入大肠杆菌提取液的目的是什么？

④若不加入ATP、以及作为“引子”的少量DNA，新DNA还能合成吗？这说明什么问题？

⑤综上，你认为DNA复制所需的条件有哪些？

与DNA复制方式有关的三种假说

通过科恩伯格实验的分析，我们不仅知道DNA是可以复制的，还总结了与DNA复制有关的条件。但在本实验中，仅仅是在试管中发现了新合成的DNA分子，那么DNA究竟是怎么复制的，它复制的方式又是什么？这些具体的微观过程我们尚不清楚。

所以下面请同学们进行小组活动，运用手中的工具来探究DNA的复制方式。

小组活动：

工具：红色纸条代表亲代DNA链

蓝色纸条代表子代DNA链

一把剪刀

磁性白板

请利用以上工具模拟亲代DNA复制一次产生两个子代DNA的过程

以上，我们提出了与DNA复制有关的几种假说，那么历史上，科学家们又提出了哪些假说呢？

通过PPT展示以及教师讲解，重现历史上三种假说（半保留复制、全保留复制、弥散复制）的模型，并与学生探究结果进行对比。

利用工具，以小组为单位探究DNA复制的方式，并上台展示探究结果

通过设置小组活动，让学生提出与DNA复制方式有关的假说

1958 米西尔逊&斯塔尔的实验

三种假说哪一种才是正确的呢？想要证明假说正确与否，还需要进行实验验证。

如果让你来设计实验的话，你认为本实验的核心思路是什么？——区分亲子代DNA链

进一步想一想，该用什么方法区分亲子代DNA链呢？——同位素标记法

历史上，有许多科学家分别运用不同的方法证明了DNA的复制方式，下面我们先来介绍一个历史上比较著名的实验——米西尔逊和斯塔尔的实验。

请大家自主阅读学案上资料二中的内容，同时思考下列问题：

资料二：

1958年,米西尔逊(Meselson)和斯塔尔(Stahl)设计了很巧妙的实验:

第一步:他们将大肠杆菌放在含有N的培养基上生长,获得实验用的亲代细菌,使亲代的DNA双链都标记上15

比较三种假说模型，思考并回答教师提出的问题

自主阅读资料二，思考并回答相关问题

①区分亲子代DNA链

②根据离心结果，判断DNA的标记情况，以验证假说的正确性

③半保留复制和弥散复制

④能，若为弥散复制，离心结果应为一条带

15N,并提取DNA进行CsCl密度梯度离心,结果只有一条14

引导学生分析实验设计的基本思路

通过分析科学史材料——米西尔逊&斯塔尔的实验，引导学生深入体会科学家的思维过程，并得出初步结论：DNA是半保留复制

带位于离心管底部(重带).

第二步:再将持续生长的后代放在含N的培养基中生长,让其再繁殖一代,取子一代的DNA进行CsCl密度梯度离心,实验结果显示离心管中只出现1条带,且位于离心管的中部(中带).

第三步:将第二步所得到的大肠杆菌放入含N的培养基中培养,得到子二代,然后提取DNA进行CsCl密度梯度离心,实验的结果是离心管中有2条带,比例相等,一条位于上部(轻带),一条位于中部(中带).

密度梯度离心技术——用一定的介质(CsCl)在离（附：14心管内形成一连续或不连续的密度梯度,将待分离物质

置于介质的顶部,通过重力或离心力场的作用使待分离

物质按密度大小分层、分离。）

①该实验分别用15N和14N标记了DNA，其目的是什么？

②为什么要对提取的DNA进行密度梯度离心？

③子一代DNA的离心结果支持哪种假说？

④子二代的离心结果能否定弥散复制吗？为什么？

但这个实验仍有后续——第四步:米西尔逊为了进一通过以上分析，我们初步判定DNA为半保留复制。

步验证DNA的半保留复制的真实性,又把子一代的DNA杂种链经变性(使两条链分离成单链)分开,然后再将变性前后的双链和单链分别进行CsCl密度梯度离心。

1958 米西尔逊&斯塔尔的实验

①请预测半保留复制方式下第四步的实验结果

分析第四步实验，并在学案上画出预测结果

引导学生初步尝试演绎推理

②第四步的实验结果能否定弥散复制吗？为什么？

以上就是米西尔逊和斯塔尔的经典实验。这两位科学家通过运用密度梯度离心技术和同位素示踪技术，再加上巧妙的实验设计，所以得以首次在分子水平上成功地证明了DNA的半保留复制。随着复制方式的确定，基因学和基因组学也在此后的五十年取得一系列重大突破。

可以看出，二人的贡献是伟大的，因此他们的实验又被人们誉为——生物学最美丽的实验。

1958 赫伯特·泰勒的实验

其实在这个实验成功后不久，又有一位科学家通过其他方法也证明了DNA的半保留复制，他就是赫伯特·泰勒。下面请大家快速阅读学案上的资料三，思考一下这两个实验的异同点。

资料三：

1958年,赫伯特·泰勒(Herbert Taylar)用蚕豆(2N=12)根尖细胞作为实验材料,证明了真核细胞染色体DNA的复制也符合半保留复制模型。

他先用放射性同位素3H标记细胞染色体DNA(标记双链),然后让细胞在不含3H的培养液中进行有丝分裂,分别于第一次有丝分裂中期和第二次有丝分裂中期,经放射自显影观测染色体的标记情况。

快速阅读资料三，比较泰勒实验与米西尔逊实验的异同

同：都运用了同位素示踪技术，核心思路一样

异：材料选用了蚕豆细胞（真核），而米西尔逊的实验选用的是大肠杆菌（原核）；观测对象不同（本实验需观测染色体的标记情况）

如果真核细胞的DNA也是半保留复制方式的话，本实验又该呈现怎样的结果呢？

小组活动：

请预测半保留复制方式下染色体的标记情况，并将结果画在白板上。

通过对两个实验进行比较，从而领悟两个实验共同的核心思路（区分亲子代DNA链），以及泰勒实验的进步意义（从真核细胞角度探究DNA的复制方式）

1958 赫伯特·泰勒的实验

泰勒的实验结果正如大家预测的一样，所以本实验进一步在真核细胞水平上证明了DNA的半保留复制。

通过以上科学史材料的分析，我们掌握了DNA复

以小组为单位，探讨半保留复制方式下的实验结果，并画在白板

上。

请将带标记的染色体涂黑

小组代表上台展示本组结果，并讲述推导思路

通过小组活动，进一步锻炼学生演绎推理的能力。

作业布置与习题练习

制的方式、条件等内容。可是关于DNA复制，我们需

要了解的应该不仅仅是这些，比如DNA复制的过程、

时间、场所、特点等等，所以需要大家探究的问题还

有很多。这些留给大家课下来完成。

课下作业：

通过阅读材料，阅读学案上资料四～资料八，完成DNA复制的概念图

培养学生的阅阅读资料四～资料八，读能力，获取信提炼信息，完成DNA复息的能力，并进制概念图（课下完成）

一步掌握与DNA复制有关的其他信息

重归高考：

完成学案上两道与DNA复制方式有关的高考题。

本节课我们通过对科学史材料的分析，了解了历史上几个比较著名的实验——1958科尔伯格、1958米西尔逊和斯塔尔、1958赫伯特·泰勒。通过对实验的分析，我们了解了与DNA复制有关的条件、方式等内容，同时，也能感受到科学家们进行科学探究的一般方法——假说演绎法。

当然，我们的收获还不止是这些，相信大家也能感受到，科学家们那严谨的实验思路以及孜孜不倦的探索精神，这同样是值得我们学习的。

教师引导下学生进行总结

课堂小结

通过小结，回归本节课的主线——假说演绎法

板书设计

第3节 DNA的复制

1958 结论：DNA可以复制

科恩伯格 条件：原料、模板、能量、酶

提出假说：半保留复制、全保留复制、弥散复制

1958 DNA的复制方式：半保留复制

米西尔逊&斯塔尔 （原核）

1958 DNA的复制方式：半保留复制

赫伯特·泰勒 （真核）

作业布置：

阅读学案上资料四～资料八，完成DNA复制的概念图