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視頻標(biāo)簽：DNA的復(fù)制

所屬欄目：高中生物優(yōu)質(zhì)課視頻

視頻課題：《DNA的復(fù)制》課例視頻（一）

教學(xué)設(shè)計(jì)、課堂實(shí)錄及教案：《DNA的復(fù)制》課例視頻（一）

《DNA的復(fù)制（第1課時(shí)）》教學(xué)設(shè)計(jì)
張樹虎（北方交通大學(xué)附屬中學(xué)） 
1  教學(xué)內(nèi)容分析
    “本課”主要闡述遺傳信息傳遞的方式，是“DNA分子的結(jié)構(gòu)”內(nèi)容的延續(xù)，是遺傳分子基礎(chǔ)部分的重點(diǎn)內(nèi)容之一，是繼續(xù)學(xué)習(xí)遺傳信息表達(dá)和遺傳信息在生物學(xué)大分子間的流動(dòng)（中心法則），以及遺傳信息傳遞規(guī)律的必要基礎(chǔ)。  
教學(xué)內(nèi)容包括對(duì)DNA分子復(fù)制的推測(cè)、DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)證據(jù)(選學(xué))。DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)證據(jù)雖是選學(xué)內(nèi)容，但作為體驗(yàn)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)思想和進(jìn)行科學(xué)研究方法教育的良好載體，在教學(xué)中不容忽略。可通過引導(dǎo)學(xué)生層層探究，讓學(xué)生得出結(jié)論，同時(shí)感受科學(xué)探究的魅力，并再次體驗(yàn)假說——演繹法的應(yīng)用。
2  設(shè)計(jì)思路
     首先通過創(chuàng)設(shè)情境：由沃森和克里克的論文《DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型》的末尾處提出“特定的堿基配對(duì)性質(zhì)讓我們立刻注意到遺傳物質(zhì)（DNA分子）復(fù)制的可能機(jī)制”引出對(duì)DNA分子復(fù)制需要的條件以及復(fù)制方式的3種推測(cè)：半保留復(fù)制、全保留復(fù)制、分散復(fù)制。組織學(xué)生通過假說——演繹法分析探索DNA分子復(fù)制方式實(shí)驗(yàn)的整體思路和實(shí)驗(yàn)方法，并探究分析實(shí)驗(yàn)的預(yù)期結(jié)果，然后教師播放視頻展示實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果，由學(xué)生觀察比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期的結(jié)果是否一致，進(jìn)而得出結(jié)論。
    設(shè)計(jì)說明：“DNA分子的復(fù)制”是人教版高中生物必修二“遺傳與進(jìn)化”的一個(gè)重要內(nèi)容。教材僅選取1958年梅賽爾森一斯特爾(Meselson-Stahl )的DNA半保留復(fù)制實(shí)驗(yàn)。盡管這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以很好地證明DNA的復(fù)制方式，但是，教學(xué)過程略顯單調(diào)，在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)分析與探究能力方面稍顯不足。所以將“DNA的復(fù)制”相關(guān)科學(xué)史篩選、重組后進(jìn)行教學(xué)預(yù)設(shè)，不僅可以提升能力培養(yǎng)的層次，更可以讓學(xué)生深入思考科學(xué)家的思維過程，領(lǐng)悟?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)的巧妙及科學(xué)家過人的智慧，凸顯情感態(tài)度與價(jià)值觀的培養(yǎng)。這樣的設(shè)計(jì)作為第1課時(shí)突破（傳統(tǒng)“DNA的復(fù)制”一節(jié)只上1課時(shí)），而將DNA的復(fù)制過程，探討DNA復(fù)制的特點(diǎn)、起點(diǎn)、方向、時(shí)間等作為第2課時(shí)。
    考慮學(xué)生已有的知識(shí)基礎(chǔ)和課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，如果讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)證明DNA復(fù)制方式的實(shí)驗(yàn)，是不可行的。一是學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)和能力都達(dá)不到，二是超出了課標(biāo)要求。所以，本節(jié)課以科學(xué)史實(shí)驗(yàn)為背景，創(chuàng)設(shè)學(xué)生探究的情境，盡可能的使學(xué)生接觸實(shí)驗(yàn)最原始的未經(jīng)過任何加工的過程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這樣能夠讓學(xué)生感受到科學(xué)研究的真實(shí)過程，感受到科學(xué)家們的思考，引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)和領(lǐng)悟科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)思路為主，認(rèn)同科學(xué)家們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和創(chuàng)新精神。
3  學(xué)情分析
    從最近發(fā)展區(qū)分析，學(xué)生已經(jīng)具有了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)、有絲分裂、減數(shù)分裂的基本知識(shí)。在此基礎(chǔ)上，“本課”將要從分子水平來探討生命的本質(zhì)，由于這一課時(shí)內(nèi)容具有較深的抽象性，屬于肉眼看不到的知識(shí)、技能，學(xué)習(xí)時(shí)將感到困難。因此在教學(xué)中，除了通過啟發(fā)式教學(xué)，設(shè)置問題情境看教學(xué)動(dòng)畫以外，還引導(dǎo)學(xué)生自主、探索、合作、體驗(yàn)式等方法學(xué)習(xí)。
從能力方面分析，高二學(xué)生抽象邏輯思維、辯證思維、創(chuàng)造思維有了較大的發(fā)展。具有一定的觀察推理能力（尤其是學(xué)習(xí)了“孟德爾遺傳定律”后），能夠應(yīng)用假說——演繹法進(jìn)行科學(xué)探究。
4  教學(xué)目標(biāo)
    （1）知識(shí)目標(biāo)：概述DNA分子復(fù)制的條件、方式；認(rèn)同 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型對(duì)探究 DNA分子復(fù)制方式的指導(dǎo)意義。
    （2）能力目標(biāo)：能夠運(yùn)用“假說一演繹法”分析探究DNA復(fù)制方式的實(shí)驗(yàn)過程和思路；培養(yǎng)動(dòng)手能力——嘗試模擬制作DNA分子復(fù)制的過程；培養(yǎng)小組合作與探究能力。
    （3）情感態(tài)度目標(biāo)：體驗(yàn)科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶骄克季S和科學(xué)研究的方法，培養(yǎng)積極探索的精神和科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。
5  教學(xué)法設(shè)計(jì)
5.1  教法設(shè)計(jì)  第1，運(yùn)用假說演繹法進(jìn)行“DNA的復(fù)制方式”教學(xué)。“本課”科學(xué)方法的教育中比較重要的是“假說——演繹法”,前面學(xué)習(xí)了孟德爾的實(shí)驗(yàn)以及摩爾根的實(shí)驗(yàn)中均強(qiáng)調(diào)該法的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行該法的訓(xùn)練（注意基本步驟：探究問題→假說→設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)→預(yù)期結(jié)果→實(shí)驗(yàn)結(jié)果→得出結(jié)論）。第2，分析經(jīng)典實(shí)驗(yàn)——DNA的復(fù)制探究歷程，通過科學(xué)史的教育，學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)探究的魅力。如果教師直接講解DNA分子半保留復(fù)制的方式，學(xué)生雖然可以較快地掌握結(jié)論，但卻是被動(dòng)地接受知識(shí)，失去了科學(xué)探究的樂趣。因此，教師可以利用科學(xué)發(fā)現(xiàn)史進(jìn)行教學(xué)，不要把學(xué)生等同于科學(xué)家，學(xué)生能夠在教師創(chuàng)設(shè)的情境下，正確解讀科學(xué)史上的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)已經(jīng)很難能可貴，期望他們像科學(xué)家一樣進(jìn)行設(shè)想、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)施實(shí)驗(yàn)等，有些不太現(xiàn)實(shí)。在分析實(shí)驗(yàn)的過程中，教師可以首先讓學(xué)生假設(shè)DNA的復(fù)制方式是半保留復(fù)制還是全保留復(fù)制呢？然后層層設(shè)疑，逐步剖析系列經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。DNA是肉眼看不見的，如何才能分辨DNA呢？此時(shí)，教師可以讓學(xué)生分析經(jīng)典實(shí)驗(yàn)中用同位素¹⁵N 標(biāo)記的方法，分析用CsCl密度梯度離心后重帶、中帶、輕帶表示的DNA分子的雙鏈構(gòu)成是怎樣的，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)的親代、子一代、子二代細(xì)胞中提取出的DNA離心的結(jié)果說明了什么。通過層層分析，學(xué)生不僅能夠自己得出結(jié)論：DNA的確具有半保留復(fù)制的特點(diǎn)，同時(shí)還能感受科學(xué)探究的魅力。
5.2  學(xué)法設(shè)計(jì)   采取獨(dú)立思考、小組合作學(xué)習(xí)、體驗(yàn)式學(xué)習(xí)等相結(jié)合的方式：根據(jù)課前提供的科學(xué)史資料以及書本內(nèi)容自學(xué)，課上與他人合作中完成知識(shí)的學(xué)習(xí)并發(fā)展科學(xué)探究能力。
6  授課過程
6.1  導(dǎo)入  在1953年以前，基因的物質(zhì)本性一直是困擾著全世界生物學(xué)家的問題。1953年4月25日英國《自然》雜志發(fā)表了沃森和克里克“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”，不僅闡述了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，反映了DNA分子可能具有的無窮多樣性。在這篇文章的結(jié)尾處提出了DNA分子復(fù)制的可能機(jī)制，使生物學(xué)家一下子接受了基因的物質(zhì)本質(zhì)就是DNA。那么DNA果真是一種能自我復(fù)制的分子嗎？請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)資料提出你想解決的問題。
教師預(yù)設(shè)問題：沃森和克里克認(rèn)為DNA能復(fù)制是基于眾多實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)嗎？（DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型是以眾多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，而DNA的復(fù)制僅僅是根據(jù)DNA分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)DNA能夠復(fù)制一種推測(cè)，并沒有實(shí)驗(yàn)證據(jù)的支持。）
    設(shè)計(jì)目的：以講故事的形式導(dǎo)入，可以較好地抓住學(xué)生的思維，使他們順利進(jìn)入科學(xué)探究的狀態(tài)。讓學(xué)生根據(jù)資料發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并解答問題，這是生物學(xué)科核心素養(yǎng)中“科學(xué)探究與合作”中學(xué)生能力的表現(xiàn)之一：通過學(xué)習(xí)學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)到生物學(xué)的探究是由問題需求緣起的；能夠基于生命現(xiàn)象提出可以探究的問題。學(xué)生發(fā)現(xiàn)的問題是本原問題，是課堂生成的問題，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的原動(dòng)力。這些“問題”的發(fā)現(xiàn)意味著教師要在充滿不確定性的課堂里捕捉涉及生物學(xué)科本質(zhì)的問題，即能及時(shí)抓住學(xué)生的樸素想法并加以發(fā)展。但無論是教師精心設(shè)計(jì)的還是來源于學(xué)生的本原性問題，它們?cè)谡n堂里表現(xiàn)為在師生互動(dòng)中自然生成，具有預(yù)設(shè)下的原發(fā)性和多角度對(duì)話的品性。依據(jù)材料教師引出本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)目標(biāo)，告知學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)難點(diǎn)。
6.2  探究DNA復(fù)制的條件  資料：1956年，科恩伯格（康貝格）證明DNA分子能夠復(fù)制。 美國科學(xué)家科恩伯格(Arthur Kornberg）借助沃森和克里克提出的這一模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，成功證明了DNA分子的半保留復(fù)制方式，并分離了復(fù)制所需的酶。于1956年發(fā)表了著名論文“脫氧核糖核酸的酶促合成”，他也因此榮獲1959年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)�？贫鞑�格認(rèn)為，既然細(xì)胞內(nèi)可以進(jìn)行DNA分子的復(fù)制，必有相應(yīng)的酶存在。實(shí)驗(yàn)1：1956年，美國生物化學(xué)家康貝格，將大腸桿菌中抽提液中提取出的DNA聚合酶加入到具有4種豐富的脫氧核苷酸（放射性同位素標(biāo)記）的人工合成體系中。結(jié)果：試管中的4種脫氧核苷酸不能合成DNA分子。問題①：四種脫氧核苷酸的用途是什么？問題②：大腸桿菌的DNA聚合酶起什么作用？問題③：通過什么來保證酶的活性？問題④：為什么不能合成DNA分子？實(shí)驗(yàn)2：康貝格在上述試管中加入了少量DNA分子和ATP，培養(yǎng)在適宜的溫度條件下。一段時(shí)間后，測(cè)定其中DNA的含量。結(jié)果：試管中DNA的含量增加了。提純這些DNA分子并測(cè)定其堿基組成，發(fā)現(xiàn)它們同“模板DNA”非常相似。問題①：該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果能說明DNA可以復(fù)制嗎？為什么？問題②：根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，DNA復(fù)制需要哪些必需的條件？
6.3  探究DNA復(fù)制的方式 
6.3.1  確立探究課題——提出問題  確立探究課題要想探究DNA分子的復(fù)制方式，必須先了解DNA可能有哪些復(fù)制方式。
教師首先創(chuàng)設(shè)情境：（可以參考教材P₅₂）1953 年 Watson 和 Crick 的在其論文《DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型》之后又發(fā)表了第2篇論文，提出了DNA復(fù)制的假說。文中有這樣一段話：“我們的 DNA 模型實(shí)際上是一對(duì)模板，每一模板與另一個(gè)互補(bǔ)。我們?cè)O(shè)想：在復(fù)制前氫鍵斷開，兩條鏈松開、分離，然后每條鏈作為形成自己新鏈的模板，最后我們從原先僅有的一對(duì)鏈得到了兩對(duì)鏈，而且準(zhǔn)確地復(fù)制了堿基序列。”
問題：你能根據(jù)Watson 和 Crick的“假說”將DNA復(fù)制1次后的結(jié)果畫出來嗎？分組畫圖，小組推選代表展示。
    這真是個(gè)天才的預(yù)測(cè)！這個(gè)模型曾被人們懷疑（Watson 和 Crick自己也懷疑），因?yàn)樽畲髥栴}就是“雙鏈?zhǔn)侨绾未蜷_的？”。研究者為了避開“如何打開雙鏈”這個(gè)難題，又提出了全保留復(fù)制和彌散（分散）復(fù)制（即親代的雙鏈被切成雙鏈片段，復(fù)制完成后，“新舊”DNA 同時(shí)存在于同一條鏈中，這種復(fù)制機(jī)制被認(rèn)為可以避免雙鏈 DNA 解旋的問題）2個(gè)模型。
請(qǐng)同學(xué)們大膽猜想并分組討論，嘗試畫出示意圖（彌散復(fù)制方式也可以暫時(shí)不提）。
教學(xué)策略：采取分步實(shí)施的方法。教學(xué)時(shí)先讓學(xué)生根據(jù)沃森和克里克的假設(shè)畫出模型，接著根據(jù)“雙鏈?zhǔn)侨绾未蜷_的？”這個(gè)問題思考：雙鏈不打開，示意圖怎么畫？親代的雙鏈被切成雙鏈片段，之后再復(fù)制，如何畫出復(fù)制的圖形？這樣再說明2種復(fù)制的概念。
結(jié)合學(xué)生的討論結(jié)果，教師PPT展示（或者小組推選代表到黑板上畫，或者投影展示各小組最佳圖案）DNA可能的復(fù)制方式，并讓學(xué)生判斷是哪一種復(fù)制方式。
小組討論實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路。確定實(shí)驗(yàn)思路和方法由DNA復(fù)制的三種可能（結(jié)合圖）。分析問題①：半保留復(fù)制方式與另外兩種復(fù)制方式的區(qū)別關(guān)鍵在哪里？（母鏈?zhǔn)欠衽c子鏈“結(jié)合”構(gòu)成DNA分子。）問題②：DNA分子是肉眼看不見的，那么通過哪種方法可以直觀地區(qū)別母鏈或子鏈？（或者說識(shí)別組成DNA分子的2條鏈?zhǔn)悄告溸�是子鏈?）同位素標(biāo)記法(如¹⁵N )。教學(xué)建議：如學(xué)生回答不出，可提示學(xué)生聯(lián)系前面“噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)”。問題③：同位素標(biāo)記會(huì)使由不同鏈組成的DNA分子在密度上有一些差異，如何將組成不同的DNA分子區(qū)分開?學(xué)生討論后，提出用“密度梯度離心”的方法。
利用原核生物證明DNA的復(fù)制是半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)——師生共同分析科學(xué)家梅塞爾森（M.Meselson）和斯特爾（F.W .Stahl）的實(shí)驗(yàn)思路：將已被¹⁵N標(biāo)記的大腸桿菌置于¹⁴N的培養(yǎng)液中培養(yǎng)，在細(xì)胞分裂第1次和第2次之后分別提取DNA進(jìn)行密度梯度離心，觀察子代DNA在離心管中的分布情況。
教師引導(dǎo)學(xué)生分析，親代DNA的母鏈只含有¹⁵N，新合成的DNA子鏈只含有¹⁴N，所以¹⁵N鏈代表母鏈，¹⁴N鏈代表子鏈。提取DNA后進(jìn)行密度梯度離心，可將不同的鏈組成的DNA分開。
為了更好地理解實(shí)驗(yàn)過程，教師以標(biāo)記DNA分子中的N元素為例，分析用重帶、中帶、輕帶表示DNA分子的雙鏈構(gòu)成，通過密度梯度去離心后的實(shí)驗(yàn)結(jié)如圖所示，使學(xué)生進(jìn)一步明確：若DNA兩條鏈都被¹⁵N標(biāo)記（用¹⁵N/¹⁵N表示），密度最大，離心后最靠近試管底部；若DNA只有一條鏈被¹⁵N標(biāo)記（用¹⁵N/¹⁴N表示），其密度居中，位置也居中；若兩條鏈都未被¹⁵N標(biāo)記（用¹⁴N/¹⁴N表示），密度最小，離心后離試管底部最遠(yuǎn)。
設(shè)計(jì)目的：根據(jù)問題設(shè)計(jì)出探究方案，并認(rèn)識(shí)到不同類型的問題有不同的探究方法。這是生物學(xué)科核心素養(yǎng)中“科學(xué)探究與合作”中學(xué)生能力的表現(xiàn)之二。關(guān)于生物經(jīng)典實(shí)驗(yàn)研究方案，是否讓學(xué)生在短暫的課堂教學(xué)時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出前人經(jīng)歷幾年甚至幾十年的研究才完成的，筆者以為，實(shí)在是沒有必要性。前已述及，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)證明DNA復(fù)制方式的實(shí)驗(yàn)，是不可行的。因?yàn)閷W(xué)生已有的知識(shí)、技能難以達(dá)到科學(xué)家具有的水平。所以只要正確解讀科學(xué)史上的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)即可。
6.3.2  作出假設(shè)，演繹推理，判斷預(yù)期結(jié)果  教師引導(dǎo)學(xué)生分析，DNA分子如果進(jìn)行半保留復(fù)制，則¹⁵N鏈（母鏈）會(huì)與¹⁴N鏈（子鏈）結(jié)合構(gòu)成¹⁴N/15N—DNA；如果進(jìn)行的是全保留復(fù)制，則只出現(xiàn)¹⁵N/¹⁵N—DNA和¹⁴N/¹⁴N—DNA，而不會(huì)出現(xiàn)¹⁴N/¹⁵N-DNA。密度梯度離心后，由于2條鏈都含有¹⁵N的DNA密度較大，分布在離心管底部；只有一條鏈含有¹⁵N的DNA密度稍小，分布在離心管中部；2條鏈都含有¹⁴N的DNA密度最小，分布在離心管的上部。
教學(xué)策略：根據(jù)提出的假說，采取小組討論，小組推選代表展示討論結(jié)果（如表1）。教師根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況，可指導(dǎo)學(xué)生先畫圖、教師PPT分步展示“演繹”過程。
表1 DNA的復(fù)制方式假說—演繹與預(yù)期結(jié)果

假說1：DNA以半保留的方式進(jìn)行復(fù)制	假說2：DNA以全保留的方式進(jìn)行復(fù)制
演繹推理1：第1次復(fù)制后的DNA全為15N/14N—DNA；第2次復(fù)制后的子代DNA中，1/2為15N/14N—DNA，1/2為1,4N/14N—DNA。	演繹推理2：第1次復(fù)制后的DNA1/2為15N/15N—DNA，1/2為1,4N/14N—DNA；第2次復(fù)制后的子代DNA中，1/4為15N/15N—DNA，3/4為1,4N/14N—DNA。
預(yù)期結(jié)果1：離心后，第1代DNA分子全部在離心管中部；第2代DNA分子中，1/2在離心管中部，1/2在離心管上部。	預(yù)期結(jié)果2：離心后，第1代DNA分子1/2在離心管的部，1/2在離心管上部；第2代DNA分子中，1/4在離心管底部，3/4在離心管上部。

6.3.3  實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，觀察、比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論  資料一：1958年，梅塞爾森（M.Meselson）和斯特爾（F.W .Stahl）的大腸桿菌DNA密度梯度離心實(shí)驗(yàn)。兩位科學(xué)家采用穩(wěn)定的同位素¹⁵N作DNA標(biāo)記，¹⁵N會(huì)導(dǎo)致DNA分子密度顯著增加，使¹⁵N-DNA和¹⁴N-DNA以及¹⁵N¹⁴N-DNA的密度不同，這樣就可以通過CsCl密度梯度離心技術(shù)將上述不同的DNA分子分離開來。將大腸桿菌放在¹⁵NH₄Cl培養(yǎng)基中生長15代，使DNA被¹⁵N標(biāo)記后，再將細(xì)菌移到只含有¹⁴NH₄Cl的培養(yǎng)基中培養(yǎng)。分別取0代、1代、2代、3代的細(xì)胞，取DNA，進(jìn)行CsCl密度梯度離心(離心速度:60 000 rpm，離心時(shí)間:2 d，使離心管內(nèi)的CsCl溶液形成自上而下逐漸變大的密度梯度)。離心后不同密度的DNA分子就停留在與其密度相同的CsCl溶液處。
教學(xué)策略：學(xué)生結(jié)合預(yù)設(shè)問題，觀看視頻：1958年，M.Meselson和F.W .Stahl的“大腸桿菌DNA密度梯度離心實(shí)驗(yàn)”。
問題①：為什么選用大腸桿菌為實(shí)驗(yàn)材料？（分裂快，約20分鐘分裂一次。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、DNA易提取。）問題②：為何選擇 ¹⁵ N 作為 DNA 分子的標(biāo)記元素？³²P 和¹⁴C是否也可以作為標(biāo)記元素？（相對(duì)于 C 和 P，如P，一個(gè)核苷酸只含一個(gè)P，比重上親、子鏈區(qū)分不明顯。¹⁵ N 使 DNA 的分子密度顯著增加，因?yàn)?sup>15 N 標(biāo)記位置的是含氮堿基（1個(gè)含氮堿基其中的N不止1個(gè)）。這樣使¹⁵N-DNA和¹⁴N-DNA及¹⁵N1⁴N-DNA的密度不同。）問題③：復(fù)制后的DNA分子通常是隨機(jī)混合在一起的，不易分離。梅塞爾森和斯特爾如何解決這個(gè)難題？（密度梯度離心使其發(fā)生分層(¹⁵N質(zhì)量大于¹⁴N)。這樣可以通過密度梯度離心將親本鏈和子代鏈區(qū)分開來。）問題④：使用CsCl進(jìn)行密度梯度離心能夠?qū)⒉煌�密度�?DNA 分子分離開，為什么？（或選取氯化銫離心的原因？）（6mol/L的氯化銫溶液密度約1.7g/mL，與DNA密度最接近。）

問題⑤：氯化銫密度梯度是如何形成？（將高濃度的CsCl等介質(zhì)溶液與DNA樣品溶液混合，超速離心48-72h,氯化銫離心液形成1.65-1.75g/mL的密度梯度。原因：重金屬鹽的沉降作用與擴(kuò)散作用達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。）問題⑥：不同密度的DNA分離的原理是什么？（不同密度的DNA（¹⁵N，¹⁴N）在離心液中進(jìn)入與自身密度梯度最接近的區(qū)域，形成不同的區(qū)帶，從而將微小差異的DNA很明顯的區(qū)分開。）問題⑦：梅塞爾森-斯特爾用什么方法檢測(cè)到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果？（因?yàn)镈NA能夠強(qiáng)烈地吸收紫外線，所以用紫外光源照射離心管，透過離心管在感光膠片上記錄DNA帶的位置（紫外光處于260nm時(shí)DNA的光密度值），可以顯示出離心管內(nèi)不同密度的DNA帶。純¹⁴N-DNA密度較輕，會(huì)停留在離管口較近的位置；純¹⁵N-DNA密度較大會(huì)停留在較低的位置。）

 
 
 
 
 
 
說明：圖中（a）表示離心管在紫外光照射下的圖像。兩黑色條帶分別代表了能夠吸收紫外線的兩種不同 DNA 。圖中(b) 表示每一條帶黑度的曲線圖，表示了兩種 DNA 的相對(duì)含量。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果（如圖1）分析。                          

問題①：觀察圖譜，認(rèn)識(shí)圖譜：說出0、1、2代條帶數(shù)？條帶在離心管中的位置？（ 0代：1條帶。¹⁵N標(biāo)記DNA重密度帶，位于離心管的管底部。1代：1條帶。0代在¹⁴N培養(yǎng)基中培養(yǎng)，細(xì)菌中的DNA的密度介于¹⁵N-DNA和¹⁴N-DNA之間，為雜交帶DNA(¹⁵N/¹⁴N-DNA)。位于離心管的管中部。親代的條帶(¹⁵N-DNA)消失了。2代：2條帶。在第2代細(xì)菌中，得到幾乎等量的¹⁴N-DNA和雜交帶DNA。位于離心管的管上部。）問題②：觀察圖譜，隨著培養(yǎng)代數(shù)的增加，雜交帶(⁵N /¹⁴N DNA)的“量”有何特點(diǎn)？輕帶（¹⁴N -DNA）的量有何特點(diǎn)？(雜交帶或中帶始終存在，而且它的量維持不變，但¹⁴N-DNA（輕帶）的量越來越多。）問題③：子一代的實(shí)驗(yàn)結(jié)果足以否定“全保留復(fù)制模型”嗎？足以否定“分散復(fù)制模型”嗎？為什么？（這樣的結(jié)果可以排除全保留模型，卻不能排除分散復(fù)制模型。）問題④：子二代的實(shí)驗(yàn)結(jié)果足以否定分散復(fù)制模型嗎？為什么？子一代呢？（能。因?yàn)槿绻�是分散�?fù)制，子二代細(xì)菌的DNA離心后仍為試管中部的1條帶，只是比第1代的離心結(jié)果區(qū)帶略靠上一點(diǎn)。 子一代不能，因?yàn)殡x心結(jié)果只有1條中帶。若是分散復(fù)制也是1條中帶。）問題⑤：半保留復(fù)制預(yù)測(cè)的結(jié)果在哪一代結(jié)果中體現(xiàn)？這一結(jié)果的對(duì)照組是哪一代？（2代；0代）問題⑥：如果實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行，在¹⁴N培養(yǎng)基上得到子三代，提取DNA離心后，離心管內(nèi)會(huì)出現(xiàn)幾條帶？該結(jié)果和子二代實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一樣嗎？（2條；帶的位置相同，只是離心管上部條帶寬一些。）
教學(xué)實(shí)施：教師先播放：1958年，M.Meselson（梅塞爾森）和F.W .Stahl（斯特爾）的“大腸桿菌DNA密度梯度離心實(shí)驗(yàn)”視頻，展示實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其次出示問題，師生共同討論。最后由學(xué)生觀察比較并作出判斷，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期結(jié)果1一致，得出DNA復(fù)制的實(shí)驗(yàn)結(jié)論:DNA分子以半保留方式進(jìn)行復(fù)制。
設(shè)計(jì)目的：實(shí)施探究方案，根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析、論證，形成結(jié)論。這是生物學(xué)科核心素養(yǎng)中“科學(xué)探究與合作”中學(xué)生能力的表現(xiàn)之三。教學(xué)提供的M.Meselson（梅塞爾森）和F.W .Stahl（斯特爾）的“大腸桿菌DNA密度梯度離心實(shí)驗(yàn)”素材原汁原味保留了兩位科學(xué)家論文中的內(nèi)容，沒有經(jīng)過任何加工。學(xué)生是否理解這個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，尤其是識(shí)別圖中的數(shù)據(jù)，關(guān)鍵在于教師設(shè)計(jì)有效的“問題串”幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)的過程，體會(huì)科學(xué)探究中科學(xué)研究方法與科學(xué)思維方法。預(yù)設(shè)的問題要與學(xué)科教學(xué)目標(biāo)直接相關(guān)，突出和強(qiáng)化教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，且預(yù)設(shè)的問題要具有開放性、挑戰(zhàn)性、啟發(fā)性和延展性。問題之間的聯(lián)系比較強(qiáng)，注重培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)的知識(shí)，通過邏輯推理去闡釋新的問題。而基于一定的信息及理論知識(shí)，進(jìn)行問題的邏輯推理的能力培養(yǎng)有利于提高學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)的分析能力。另外，挑戰(zhàn)性是學(xué)生無法從已有的經(jīng)驗(yàn)中提取到現(xiàn)成的，因而需要即時(shí)獲取信息，及時(shí)加工后才能得到的。在這個(gè)過程中，挑戰(zhàn)性的提問能引發(fā)學(xué)生適度的緊張心理，使他們產(chǎn)生困惑、疑慮、探究和表現(xiàn)等心理狀態(tài)，只有在這種心理的驅(qū)使下激發(fā)學(xué)生的征服感和表現(xiàn)欲，才能使學(xué)生進(jìn)入主動(dòng)參與、積極思索的良好學(xué)習(xí)過程。在這樣的問題驅(qū)動(dòng)下，在小組合作中，學(xué)生親身經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)探究的整個(gè)過程，這為學(xué)生的終身發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。學(xué)生掌握了科學(xué)研究的方法，提高的探究能力，開發(fā)了智慧。這些素養(yǎng)永遠(yuǎn)會(huì)伴隨著學(xué)生，而且在伴隨的過程中還會(huì)再生，這就是我們教學(xué)的使命與目的。
    資料二：半保留復(fù)制進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證椐。為了進(jìn)一步確認(rèn)DNA是半保留復(fù)制，Meselson和Stahl在密度梯度離心之前用熱變性處理CsCl溶液中DNA樣品（100℃下30 min）（如圖2）。你能讀出圖中的含義嗎？實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雜交DNA分成了重密度帶（¹⁵N DNA）及低密度帶（¹⁴N DNA）兩條帶，而變性前的雜交分子為一條中密度帶。¹⁵N DNA、¹⁴N DNA雜交分子經(jīng)加熱變性，對(duì)于變性前后的DNA分別進(jìn)行CsCl密度梯度離心。問題①：子一代（雜交帶）的DNA通過熱變性后能夠排除哪種復(fù)制方式？（分散復(fù)制）。問題②：實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組分別是哪一組？（B；A、C）
 

設(shè)計(jì)目的：還原史實(shí)，有深度的探究性學(xué)習(xí)，拓展學(xué)生的探究層次，開發(fā)學(xué)生的智力，力圖通過探究引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)和掌握科學(xué)探究的方法，為學(xué)生的終身學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。
    資料三：利用真核生物為實(shí)驗(yàn)材料。1958年，赫伯特泰勒（Herbert Taylar）用蠶豆(2N=12)根尖細(xì)胞作為實(shí)驗(yàn)材料，證明了真核細(xì)胞染色體DNA的復(fù)制也符合半保留復(fù)制模型。他先用放射性同位素³H標(biāo)記細(xì)胞染色體DNA(標(biāo)記雙鏈)，然后讓細(xì)胞在不含³H的培養(yǎng)液中進(jìn)行有絲分裂，經(jīng)放射自顯影顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)勢(shì)在于可觀察到染色體被標(biāo)記的情況。
    問題①:在第1細(xì)胞周期的中期染色體中，每個(gè)染色體的2條單體被標(biāo)記的情況如何？(在第1周期的中期染色體中，每個(gè)染色體的2條單體都被標(biāo)記。)問題②:第2細(xì)胞周期的中期染色體中，每個(gè)染色體的2條單體被標(biāo)記的情況如何？（第2周期的中期染色體中，每個(gè)染色體僅1條單體被標(biāo)記。這一結(jié)果和預(yù)期的情況完全符合，證明了真核細(xì)胞的染色體DNA復(fù)制也符合半保留模型。）

 
 
 
 
 
 
小組活動(dòng)：請(qǐng)根據(jù)染色體標(biāo)記情況，將染色體中的DNA分子標(biāo)記情況畫出來。

 
 
 
 
 
 
6.4  課堂小結(jié)  小組總結(jié)，學(xué)生匯報(bào)�？茖W(xué)探究中的科學(xué)研究方法——假說演繹法的步驟，證明DNA的復(fù)制是半保留方式的實(shí)驗(yàn)材料，研究技術(shù)手段等。   
    蘇霍姆林斯基說過：“在人的心靈深處，總有一種把自己看做發(fā)現(xiàn)者、研究者和探索者的固有需要，這種需要在兒童的精神世界中尤其強(qiáng)烈。”作為教育工作者，充分利用課堂有限時(shí)間培養(yǎng)孩子們的“科學(xué)探究與合作”能力，為孩子終身發(fā)展服務(wù)。這是生物學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的目標(biāo)。

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