DNA是主要的遗传物质课堂实录

第一节

DNA是主要的遗传物质

一、教学目标

1.知识方面

⑴总结人类对遗传物质的探索过程。

⑵分析证明DNA是主要的遗传物质的实验设计思路。

2. 情感态度与价值观方面

⑴认同与人合作在科学研究中的重要性，讨论技术的进步在探索遗传物质奥秘中的重要作用。

⑵认同人类对遗传物质的认识是不断深化不断完善的过程。

3.能力方面

探讨实验技术在证明DNA是主要遗传物质中的作用。

二、学情分析

学生已经具备了有丝分裂、减数分裂和受精作用等细胞学基础；掌握了生物的生殖过程、染色体的化学组成、蛋白质与核酸的元素组成等相关知识，这为新知识的学习奠定了认知基础。学生具备了一定的认知能力，思维的目的性、连续性和逻辑性也已初步建立，但还很不完善，对事物的探究有激情，但往往对探究的目的性及过程，结论的形成缺乏理性的思考。

三、重点难点

1.教学重点

（1）肺炎双球菌转化实验的原理和过程。

（2）噬菌体侵染细菌实验的原理和过程。

2.教学难点

肺炎双球菌转化实验的原理和过程。

四、教学过程

【教材分析】

《DNA是主要的遗传物质》一课是高中生物必修2第三章第一节的内容。教材从一开始就有“问题探讨：遗传物质应该具有怎样的特征？”这个问题的回答最好是具备“细胞有丝分裂过程中染色体数目在前后代保持稳定”与“减数分裂和受精作用”知识背景。在必修2的上半本书，介绍了孟德尔和摩尔根的实验等等，这些也能够让学生对“遗传”有较深的理解。而上课的同学是入学不到半个学期，才学习了组成细胞的物质和细胞的基本结构，鉴于此，教学预设就索性撇开“问题探讨”中的提问，而直接从“科学家发现与遗传密切相关的染色体有两种主要成分蛋白质和DNA，但是究竟哪一种物质是遗传物质还是两者都是呢？”直接入手了，干净利落。对于“DNA”，学生也不是一点概念都没有的，因为组成生物体的物质中，已经学过DNA和RNA，也已经学过蛋白质。在本节教材中，有一种重要的实验材料“噬菌体”，也就是专门寄生在细菌中的病毒，教学过程中将有一个细节涉及到“噬菌体不具备独立的代谢能力”，这个知识点在必修1第一章中已经有过讨论。还有就是关于放射性同位素标记的方法，在第二章的“分泌蛋白”从合成到分泌的过程中已经接触过。这些，为这节本该在一学期以后才能教到的内容奠定了一定的基础。

在这一节课，如果只是知识的习得，是非常简单的，那就是DNA是主要的遗传物质；如果只是科学史的介绍，那也是简单的，无非就是两个遗传学上的经典实验和几位科学家而已；

重要的是这两个经典实验中所遵循的核心思想。另外，在我的教学理念中，学习是为了应用，所以，在与学生共同探讨完艾弗里实验和赫尔希、蔡斯实验后，将“RNA也是遗传物质部分”进行了精心地设计，把对RNA也是遗传物质的证明让学生来完成，依据就是刚刚学习过的“核心思想”。

【教学过程】

大屏幕显示，“对于受过生命科学教育的人来说，脱氧核糖核酸（DNA）是生物遗传信息的载体，这似乎已是一种常识。然而就在五十多年前，当Avery（1877～1955）及其同事于1944年发表这一理论时，却引起了遗传学界的极大惊讶和怀疑。直到50年代中期，这一理论才为遗传学界普遍接受。这样，年迈的Avery也没能等到这一天便溘然长逝而失去了荣获诺贝尔奖的机会。”“同学们，究竟艾弗里是如何得出‘DNA是遗传物质’的结论的呢？今天，二甲中学的朱建老师准备用45分钟的时间和大家一起来回望科学家当年的艰难探索，并尝试学习这些经典试验中，科学家们所遵循的科学原理，以及技术的发展是如何推动科学的进步的。”“20世纪中叶，科学家发现，与遗传密切相关的染色体主要由蛋白质和DNA组成。但是，究竟是蛋白质还是DNA是生物的遗传物质，还是两者都是？同学们能不能猜想一下？”

学生纷纷应答，“是DNA！”

这个答案是正确的，这样的问题甚至没有多少含金量，因为标题已经展示，在前面的课程里也已经接触过。但我有我的用意，我想通过这个问题的回答让他们觉得自己在这个方面不是一无所知，他们甚至已经知道了今天的核心知识。还有一个就是我发现学生们都带的是第一册的生物书，这说明他们在来到这个教室之前根本不知道这一节课里将发生怎样的事情！我必须暗示孩子们，即便是他们事先没人知道要上课的内容，但是他们照样能够进入今天的课堂角色，因为第一个问题，他们就能够准确无误的回答出来！

“很好！但是，同学们，我们能够猜想到DNA是遗传物质，是因为我们的科学前辈们通过自己艰辛地探索已经明确这个结论，而我们也或多或少地已经知道了这些。然而，今天的课堂，却不是只要大家掌握这个结论，而是要弄清楚这个结论是怎样来的，也就是科学家探索的过程和遵循的科学方法。”

“加拿大一位名叫格里菲思的医生曾经专门研究肺炎，一个非常偶然的事件，格里菲思发现了一个奇怪的现象。能够导致肺炎的细菌有一个家族，在这个家族中有两种肺炎双球菌，一种叫S型，一种叫R型。下面请同学们阅读刚才老师发下来的复印的书稿，尝试填空关于两种细菌的特征比较。”

“S型细菌，菌落光滑，菌体有多糖类的荚膜，有毒性，能使人患肺炎，使小鼠患败血症死亡。R型细菌菌落粗糙，无多糖类荚膜，无毒性。”接过学生的回答，我简要复述了“S”和“R”的含义，菌体的结构特点和毒性特征，因为格里菲思的实验关注的就是这些。

“同学们，下面请大家看大屏幕，老师模拟了当年格里菲思的实验，请大家认真观察并积极思考。”

四组实验，逐组阐述和演示，学生精力高度集中。A组，R型菌不使小鼠生病；B组，S型菌使小鼠患败血症死亡；C组，加热杀死的S型细菌不能致病；D组，R型菌与加热杀死

的S型菌混合，使小鼠患败血症死亡，并且在死亡小鼠的体内找到活的S型细菌。稍作停留，因为学生们被神奇的D组实验深深吸引。

“同学们，刚才我们模拟演示了格里菲思的实验过程和实验结果，请同学们思考几个问题：第一，对比A、B组的实验现象，这说明了什么？”同学回答：“S型细菌使小鼠死亡。”“第二，D组小鼠为什么会死亡呢？”同学回答：“由于S型细菌使小鼠患败血症而死亡。”“很好！下面两个问题，同学们可能要动一番脑筋，我们把发的教材放到边上不去看它，可以前后桌的四位同学为1个小组，共同商讨，然后推举一名同学回答。在D组中，活的S型细菌如何出现的？”问题展现，同学们相互展开讨论。有人抢着回答：“活的R型细菌变成了活的S型细菌。”“不错，那么是什么使活的R型细菌转变成活的S型细菌的呢？”同学们有的讨论，有的沉默，我走在教室过道的中间，听见一组同学在分析，“单独R型菌不致病，与加热杀死的S型菌混合后便有了S型菌，说明是加热杀死的S型菌能够使R型菌转变为S型菌。”在各小组都已经充分讨论的时候，我让这个小组的同学作了回答。讨论是为了让孩子们真正地动脑，而这节内容又比较多，所以，便不再把时间花在对答案的修正上，直接让最接近真实答案的小组回答了。“同学们，加热杀死的S型菌究竟是什么物质使R型菌变成了S型菌呢？”一位同学脱口而出，“是DNA。”“你是怎么知道的？”“我知道，遗传物质就是DNA。”这可是半路杀出的“程咬金”，把我预先的计划给“打翻”了。这也是我平时注重要求学生加强对课堂教学内容的整理与复习，而反对甚至禁止他们预习的原因了。你把书从头到尾一看，我上课时那神秘的“设疑”还有什么魅力呢？甚至连脑子想都不用想了。但既然学生回答了，这就是课堂的真实所在，话锋一转，“同学们，确实是DNA。我们今天知道这个答案，也许是来自课本，也可能是同学们在课外读物中了解到的，但是格里菲思的时代，人们却不知道。格里菲思当时无法弄清究竟是加热杀死的S型细菌中哪种或是哪些成分使R型菌发生了转化，只能提出一个假设，其中必然会有某种‘转化因子’，但转换因子是什么却悬而未决！”“同学们，现在请你们站在这样的角度来思考，一个是如同刚才的那位同学，如果你认为是DNA，那么请你设计实验来证明DNA就是转化因子；另一个就是你站在当时科学家的角度，对于转化因子，你一无所知，那么也请你设计思路来研究。请把你们老师发的那个复印的教材放到边上，我们不看，看看如果我们生活在那个年代，有没有同学也够像当时的科学家那样，作出大胆而聪明的设想，哪怕也与诺贝尔奖擦肩而过一回。”引得同学们一笑，我接着强调，“可以分组讨论，有难度哦！”短暂的讨论过后，一个秀气的小女生小心地举手，但目光比我还自信！我邀请了她来回答。“老师，随便站在哪个角度来回答，其实是一样的，那就是如果要寻找究竟是哪种成分，可以将加热杀死的S型细菌的各种成分进行分离，比如，我要证明DNA是遗传物质，就把DNA提取出来，与R型菌进行混合培养，看能否使R型菌转化成S型菌。”

“同学们，格里菲思的时代，人们对细胞中物质分离的技术还掌握得很不好，后来有一位科学家，就是上课一开始遇到的艾弗里，一位研究细菌的科学家，站在格里菲思推论的基础上，运用一定的科学技术手段，将S型细菌的不同成分成功分离，分别与R型菌混合培养。请同学们看大屏幕。”我将模拟动画演示一遍，S型菌的蛋白质、脂质、多糖类荚膜等与R型混合培养，S型菌的DNA与R型菌进行培养，结果只有DNA与R型菌混合培养，才能得到S型菌。

学生结论明确，确实是DNA才是转化因子，蛋白质等不是转化因子。

“同学们，艾弗里是严谨的，在探明DNA是转化因子后，他并没有急着下结论，而是用DNA酶对DNA进行处理，结果被处理过的是S型的DNA不能使R型菌发生转化。关于酶，同学们还不太清楚，顺便解释一下，唾液淀粉酶能够使淀粉水解，胃蛋白酶能够使蛋白质水解。这里DNA酶对DNA有什么作用呢？”引导同学们回答DNA酶使DNA水解，DNA变成其组成的基本单位脱氧核苷酸，所以，要使R型菌转化，必须是S型细菌完整的DNA。并进一步介绍“基于此，艾弗里提出了不同于当时大多数科学家观点的结论：DNA是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质。”

为进一步加深学生对艾弗里试验原理的认识，带领学生小结，“艾弗里实验的核心思想是，将DNA与蛋白质等其他物质分开，分别直接观察DNA与蛋白质等其他物质的作用。”

“然而，由于艾弗里实验中使用的DNA纯度最高时也还含有0.02%的蛋白质，又由于当时科学界普遍接受蛋白质是遗传物质的结论，所以很多人仍然认为生物的遗传不能完全排除蛋白质的作用，所以，关于DNA是遗传物质的争论还在继续！”

“当时的科学界中有一个赫赫有名的‘噬菌体小组’，他们已经在电子显微镜下看到噬菌体侵染细菌的过程，正是这个过程，使DNA是遗传物质的结论得以最终证实。那么，什么是噬菌体呢，科学家又是如何利用噬菌体开展进一步的实验的呢？”

展示T2噬菌体的结构模式图，简要介绍T2噬菌体的结构和成分：噬菌体就是专门寄生在细菌中的病毒。T2噬菌体由蛋白质外壳组成头部和尾部，在头部中有DNA，T2噬菌体中60%是蛋白质,40%是DNA。进一步展示电子显微镜下拍摄的T2噬菌体侵染大肠杆菌的照片并介绍：T2噬菌体是一种专门寄生在大肠杆菌体内的病毒，T2噬菌体侵染细菌后，就会在自身遗传物质的作用下，利用细菌体内的物质来合成自身的组成成分，进行大量的繁殖。当噬菌体增值到一定数量后，大肠杆菌裂解，释放出大量的噬菌体。

“同学们，请看好大屏幕，有没有注意到当噬菌体吸附在大肠杆菌上时有东西在注入大肠杆菌中？”大屏幕上似乎还不够完全清晰，我走下讲台，将教材（我的课本，上面是清晰的彩图）拿给最近的一位同学看，“请你证实一下老师的话，是不是有物质在注入大肠杆菌？”同座两人仔细辨认，“图中共七个噬菌体，有三个噬菌体在向大肠杆菌注入物质。”接过话题，“同学们，当时科学家尚不清楚注入的究竟是蛋白质还是DNA,有没有同学能够想办法来辨识？”

这是一个难点，因为学生对细菌培养的知识，可能就是前面谈到肺炎双球菌培养过程中一笔带过的了，除非是生物学科的爱好者，课外已经积累了很多的生物科学常识，一般同学应该是不太了解的，更不要谈病毒（噬菌体）了，所以，这里的设疑更主要的是在引起学生的注意！“T2噬菌体侵染细菌后，利用细菌体内的物质来合成自身的组成成分，进行大量的繁殖。这能给我什么启发呢？”有同学回答，“要让噬菌体带上放射性，先得让大肠杆菌带上放射性。”下一个问题，则是应该学生思考的！“当时，标记亮氨酸，科学家使用的是3H（氚）这里标记，该用那种元素呢？”

这是一个比较艰难的过程，学生比较吃力。我带领大家分析蛋白质和DNA的元素组成，得出“硫仅存在于蛋白质分子中，磷几乎仅存在于DNA分子中。”在逐步的铺垫引领下，学生找到了答案，“用32P标记DNA，用35S标记蛋白质”。先用含32P的培养基培养大肠杆

菌，再用噬菌体去感染这种大肠杆菌，就得到了32P标记了DNA的噬菌体，同样的方法得到被35S标记了蛋白质的噬菌体。

还是使用动画演示的方法，我把赫尔希和蔡斯的实验进行了演示。用35S标记蛋白质的噬菌体去侵染不含放射性的大肠杆菌，一段时间后搅拌并离心分离，放射性主要存在于上清液中，也就是存在于大肠杆菌外；用32P标记DNA的噬菌体去侵染不含放射性的大肠杆菌，一段时间后搅拌并离心分离，放射性主要存在于沉淀物中，也就是大肠杆菌中。据此，同学们得出结论：“噬菌体注入大肠杆菌的物质是DNA。”进一步观察发现：细菌裂解释放出的噬菌体中，可以检测到32P标记的DNA，但却不能检测到35S标记的蛋白质。这又说明，“噬菌体前后代保持连续性的物质是DNA。”至此，同学们得出一致结论，噬菌体的遗传物质是DNA！

“此处，赫尔希和蔡斯有没有像艾弗里那样将DNA与其他物质分开，直接得单独地去观察它们的作用？”

“没有。”

“实验中，赫尔希和蔡斯有没有分开观察两者的作用？”

“分开的。”

“用什么方法分开的？”

“用同位素标记法分开的。”

“虽然两位科学家没有直接地将两者分开，但用放射性标记的方法还是间接地在分开观察两种物质的作用。其实，与艾弗里的方法在根本上是一致的！”

大屏幕展示，“赫尔希和蔡斯的实验：用放射性同位素标记的方法间接地将蛋白质与DNA分开，分别观察蛋白质与DNA的作用。”以加深同学们的认识，因为这节课最重要的就是实验思想的体验和获得。

“然而，事情还没有结束！同学们，有一种专门寄生在烟草体内的病毒——烟草花叶病毒，也只含有两种成分，但两种成分是蛋白质和RNA，居然不含有DNA！那么烟草花叶病毒的遗传物质该是什么呢？”图示烟草花叶病毒的结构和感染后烟草的症状。“请同学们根据今天所学习的方法设计实验，探索烟草花叶病毒的遗传物质是什么？请分组讨论。”短暂的讨论过后，一个女生“主动暗示我：她能够解决这个问题！”

请她回答，“老师，我觉得可以用两种方法。一种就是像艾弗里那样，将烟草花叶病毒的蛋白质与RNA分开，分别感染烟草，看结果如何；另一个就是向赫尔希和蔡斯那样，使用放射性同位素标记的方法，跟踪观察，看前代保持连续性的物质是蛋白质还是DNA。”这是这堂课上，我的第二次激动！客观的讲，因为放射性同位素标记法要求较高，而当年科学史上也没有使用，我在备课时设计这个问题，也就指望学生能够回答到直接分离的思路，现在这位同学还回答到间接分离的思路，不论其可行性如何，都是值得肯定的。“回答得非常棒，你的思路已经超出了老师的预想！这堂课一开始就涉及到诺贝尔奖，尽管我们不能以诺贝尔奖来衡量中国的科技发展水平，但是国人还是有个诺贝尔奖情结的！我希望你能够向这个科学的最高峰冲刺，因为我觉得你的潜质非常的优秀！”因为是发自内心的，所以，我的肯定也显得郑重其事！课后担任评为的王志华老师就评价，“整个十节课，课堂氛围最活跃、对学生最有鼓动性、最为煽情的就是朱建的课！”其实，发自内心，就有了真诚的力量！我可是生命化教育的忠实追随者啊！

课堂小结，我以填空的形式和同学们一起大声地完成。大多数生物以DNA为遗传物质，少数生物以RNA为遗传物质，所以核酸（DNA和RNA的合称）是一切生物的遗传物质，DNA是主要的遗传物质。蛋白质不是遗传物质。