◇云南师范大学生命学科学院 张跃文 李娟

基于PBL教学模式，以问题为导向，以学生为中心对高中生物学中“DNA的复制”这一节内容进行教学设计，通过假说-演绎法、建构模型、小组合作等方法，培养学生科学思维，掌握基本科学探究思路和方法，落实生物学核心素养的培养。

PBL（Problem-based learning）是一种以问题为导向的教学模式[1]。与传统教学模式最大的不同是该教学模式倡导以学生为教学中心，不在是以教材为主的教本教学，而是以学生为中心的生本教学，是通过提前设计好的问题链引导学生主动的探索，积极参与课堂教学，主动的获取知识。

1 教材分析及设计思路

“DNA的复制”是人教版普通高中生物学教材（2019年版）必修2 《遗传与进化》第3章第3节内容。《普通高中生物学课程标准》（2017年版 2020年修订）对本节内容的要求是“概述DNA分子通过半保留方式进行复制”。学好这一课时，有利于学生对有丝分裂、减数分裂、遗传规律等知识的理解和巩固，对于学生深刻认识遗传的本质非常重要。学生在学习这部分内容之前，已经掌握了有丝分裂、减数分裂、基因是具有遗传效应的DNA片段、DNA双螺旋结构等知识，具有一定认知基础，学习本节内容，不仅可以让学生对DNA有更深一步的认识，更重要的是可以促进学生形成“结构与功能观”的生命观念和科学的自然观和世界观，以及演绎、推理、分析、归纳、概括等科学思维，并且掌握科学探究的基本思路和方法。

2 教学目标

基于教材分析、学情分析，以及课程标准内容要求，并围绕生物学核心素养，制定了如下教学目标。

（1）生命观念：通过对DNA复制方式的推测和验证，能够用结构和功能观解释DNA复制过程与复制特点。

（2）科学思维：通过假说-演绎法推理DNA复制方式，表格归纳DNA复制过程，发展归纳总结、演绎推理的科学思维。

（3）科学探究：通过用同位素标记法、密度梯度离心法设计实验，验证DNA复制方式是半保留复制，提高实验探究能力以及团队合作能力。

（4）社会责任：通过对DNA复制方式、过程、意义的学习，能够关注DNA复制的应用，比如PCR扩增、核酸检测、亲子鉴定等。

3 教学过程

3.1 创设情境，引入新课

用沃森和克里克论文节选《核酸的分子结构》导入，在论文结尾有这样一句话“值得注意的是，我们提出的这样碱基特异性配对方式，暗示着遗传物质进行复制的一种可能机制。”以此为材料提出问题：①碱基互补配对原则暗示DNA的复制机制可能是怎样的呢？②这句话中为什么要用“可能”二字，反应了科学研究具有什么特点？

设计意图：以沃森和克里克在论文中的推测提出问题，引导学生像科学家一样从DNA结构思考DNA复制方式，既与前一节有效衔接，顺其自然引导学生推测DNA复制方式，又有利于培养学生结构与功能相适应的生命观念。第二个问题从科学本质角度提问，培养学生严谨务实的求知态度。

3.2 假说-演绎，探究DNA复制方式

a、提出问题，作出假设。从DNA复制的的概念入手提出问题，DNA复制是指以亲代DNA为模板合成子代DNA的过程，即一个DNA变成两个DNA，一个DNA分子有两条链，那么两个DNA分子则有四条链，这四条链分别是两条母链和两条子链，他们是如何组合从而形成两个新的DNA分子呢？

引导学生做出两种不同的假设，“①新合成的DNA是由母链和子链杂合组成；②新合成的DNA由母链与母链、子链与子链组成。”这两种假设分别对应半保留复制和全保留复制。

设计意图：由DNA复制概念提出问题，基于学生熟悉知识提出的问题，降低学生畏难情绪，提高课堂参与性，层层递进引导学生由浅入深，完成合理假设。通过提问四条链如何组合，引导学生得出半保留和全保留两种假设，问题指向性明确，避免学生思维过于发散，进而将问题集中于本节教学重点。

b、演绎推理，实验检验。让学生小组合作，对两种不同的假设进行演绎推理，推理DNA复制两次的结果，并用不同颜色的卡纸分别表示母链和子链，建构模型。邀请学生展示并解释小组的推理过程和结果。

图1 半保留复制推理结果

图2 全保留复制推理结果

仅靠演绎推理不足以证明哪种假设正确，因此需要进行实验检验，提出如下问题，引导学生完成实验检验：

（1）检验的基本思路是什么？观察模型可知不同复制方式其复制得到的结果不一样，因此可以检验新合成的DNA。

（2）DNA肉眼不可见，应该怎么办？此前学习DNA是主要遗传物质一节时，用到“同位素标记法”标记DNA和蛋白质，此处同样可用“同位素标记法”标记DNA。

（3）是否需要区别标记DNA？观察模型可看出，采用不同颜色卡纸代表母链和子链，有意区分了母链和子链，因此，实验过程中也需要区别标记母链和子链。

（4）如何区别标记DNA？标记DNA中的稳定同位素，比如用15N标记母链，14N标记子链，15N密度比14N大。

（5）用15N14N标记的DNA单链有几种组合方式呢？每个DNA分子有两条链，因此有三种组合方式，分别是15N15N、15N14N、14N14N。

（6）这三种组合的DNA密度大小是怎样的呢？15N15N>15N14N >14N14N

（7）单个DNA标记好以后如何区分开？标记物的差别是密度大小不同，因此可以用“密度梯度离心法”。

（8）密度梯度离心以后，会在试管中出现不同的带状分布，密度最大的15N15N标记DNA会出现在试管下部，叫做重带，其他两种标记组合的DNA离心后会呈现在试管的什么区域呢？15N14N出现在试管中部，叫中带，14N14N最轻，出现在试管上部，叫轻带。

季羡林教授“偷”时间最为辛苦。他曾长期兼任大学系主任和副校长职务，不得不出席很多会议，这对于一个惜时如金的学者来说是很痛苦的。但他也有自己的办法，除了早起晚睡、加班加点，他还在一些无关紧要的会议期间想自己的学问，为文章打腹稿，列提纲，就利用这偷出来的时间，他写出了好几本脍炙人口的散文集。

（9）将大肠杆菌放在含有15NH4Cl的培养液中生长若干代，提取DNA并离心，试管中的带状分布是怎样的呢？因为生长若干代以后提取出的DNA都是含有15N15N标记，因此离心后试管结果为只有重带。

（10）将含有15N15N标记DNA的大肠杆菌转移到含有14NH4Cl的培养液中培养，新合成的子链所带标记是什么?新合成的子链所带标记是14N。

（11）若细胞分裂一次，提取DNA并离心，试管中结果如何？若细胞再分裂一次，提取DNA并离心，试管中结果又是怎样的呢？请根据模型推测两种不同复制方式实验得到的结果。

设计意图：小组合作建构模型，既可以促进学生之间的合作交流，培养团结合作精神，又能将抽象复杂的知识点具体化形象化，利于学生理解。问题层层递进，环环相扣，引导学生完成实验检验，培养学生科学思维，掌握基本的科学探究思路和方法。

c、得出结论。将学生推测出的两种实验结果与科学家所做实验结果进行对比，从而得出结论“DNA分子通过半保留方式进行复制”，请学生根据刚才的实验和模型用语言归纳半保留复制概念。

设计意图：通过自己实验探究得出的结论，更容易获得学生认同和理解，半保留复制的概念也不是由教师给出，而是学生经过实验探究以后自己用语言概括，这使概念的形成经过形象化感知、外部言语、再到内部言语这样一个过程，符合概念教学基本途径，利于学生理解和掌握新概念。

3.3 问题探讨，探究DNA复制过程

DNA复制过程具体是怎样的呢，阅读教材以后回答下列问题：

（2）DNA复制的时间是什么时候？

（3）DNA复制过程中双链是否需要打开？

（4）双链是如何打开的呢？

（5）双链打开过程中破坏了什么键？

（6）子链合成需要什么酶？

（7）子链合成所需要的原料是什么？

（8）子链合成是随意的吗？是否遵循什么原则？

（9）观看DNA复制视频，找出DNA复制过程的特点是什么？

（10）跟着DNA复制的无声视频，回答DNA复制过程是怎样的？

设计意图：上述问题主要围绕双链打开和子链合成两个方向，以问题拆分的方式将知识点细化，引导学生主动思考DNA复制过程中的关键点，并从教材、模型和视频素材中找到答案，培养学生获取信息和筛选信息的能力。根据视频解说DNA复制过程，将内在的理解转换为外显的语言，加深学生理解的同时，帮助学生再次理清DNA复制过程，将知识点完全内化，同时更正学生解说过程中的遗漏或错误知识点，做到查漏补缺，及时巩固。

3.4 课堂小结，归纳建构

利用表格对本节课所学知识点进行归纳巩固，引导学生根据此前所学内容以及生活经验思考DNA复制的生物学意义和社会应用。

（1）DNA能够精确复制的原因是什么？

（2）结合有丝分裂和减数分裂思考DNA半保留精确复制的生物学意义是什么？

（3）请用所学内容解释亲子间相似性的原因是什么？

（4）思考DNA复制在当今社会有哪些应用？

设计意图：表格归纳总结，建构知识框架，不仅帮助学生厘清知识之间的逻辑关系，也培养学生归纳总结的科学思维和良好习惯。结合所学知识，思考DNA复制生物学意义，结合生活经验和社会热点话题，思考DNA复制的社会应用，不仅是在引导学生将所学习的知识点串联起来，主动建构、完善知识框架，同时也是在引导学生将课堂知识与社会生活相联系，能够学以致用，落实生物学核心素养中的社会责任。

4 教学反思

本节教学设计基于课程标准中的内容要求和生物学核心素养落实要求，采用PBL教学法，以问题为导向，以学生为中心[2]，引导学生主动学习，提高学生课堂积极性、主动性的同时，对学生逻辑思维、合作探究能力进行培养。教学过程中创设真实探究情景，激发学生兴趣，感受学习快乐，根据假说演绎法的五个步骤探究DNA复制方式，引导学生掌握科学探究基本方法，培养科学思维。课堂中引导学生建构模型，提高动手动脑实践操作能力的同时，将复杂抽象的知识形象化、直观化，利于学生理解。